汽机技术｜关于汽轮机转子振动故障

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汽轮机因振动过大形成的事故一般有：转轴径向碰磨引起弯轴和轴封严重磨损，轴系破坏毁机，轴瓦乌金碾压和碎裂，轴瓦紧力消失，转动部件不均匀磨损，动静件疲劳损坏，危急保安器及保护仪表误动作等事故。

一、转子质量不平衡引起的轴系破坏

根据机组大量运行经验、振动故障诊断实践，国内外轴系破坏事故调查结果归纳，转子质量不平衡是汽轮发电机组最常见的振动故障，它约占故障总数的80%。

随着制造厂加工，装配精度以及电厂检修质量的提高，这类故障的发生率正在逐渐减少，过去国内大型汽轮机厂中只有个别厂家可以对大型汽轮机转子进行高速动平衡，现在几乎全部厂家都可以做。至于发电机转子的高速平衡，各电机厂早已能够进行。现场检修过程中的转子平衡方法也在不断改进。低速动平衡有些电厂已经抛弃了老式的动平衡机，取而代之是使用先进的移动式动平衡机。即便如此，质量不平衡目前仍是现场振动的主要故障。

1、转子质量不平衡的特征
汽轮发电机组转子的质量不平衡产生的原因有三个：原始不平衡、转动过程中的部件飞脱、松动以及转子的热弯曲，其中原始不平衡是主要原因。

原始质量不平衡
原始质量不平衡指的是转子开始转动之前在转子上已经有的不平衡，它通常是在加工制造过程中或检修时更换转动部件造成的。

这种不平衡的特点除了上面介绍的振幅和相位的常规特征外，它的最显著特征是“稳定”。这个稳定是指在一定的转速下振动特征稳定，振幅和相位受机组参数影响不大，与升速或带负荷的时间延续没有直接的关联，也不受启动方式的影响。

转动部件飞脱和松动
汽轮发电机组振动发生转动部件飞脱可能有叶片、围带、拉金以及平衡质量块，发生松动的部件可能有转子线圈、槽楔、联轴器等。

飞脱时产生的工频振动是突发性的，在数秒内以某一瓦振或轴振为主，振幅迅速增大到一个固定值，相位也同时出现一个固定的变化。相邻轴承振动也会增大，但变化的量值不及前者大。这种故障一般发生在机组带有某一负荷的情况。

转动部件损坏飞脱，对转子将产生不平衡力冲击，激起瞬态响应，待瞬态响应消失后，有可能还会产生稳定的不平衡振动。稳定的不平衡振动能否产生，是由飞脱部件结构决定的。部件的碎裂飞脱，一般只激起瞬态响应，不会产生稳态的不平衡振动。

转子热弯曲
转子热弯曲引起的质量不平衡的主要特征是工频振动随时间的变化，随机组参数的提高和高参数下运行时间的延续，工频振幅逐渐增大，相位也随之缓慢变化，一定时间内这种变化趋缓，基本保持不变。存在热弯曲的转子降速过程的振幅，尤其是过临界转速时的振幅，要比转子温度低启机升速的振幅大。两种情况下的波特图可以用来判断是否存在热弯曲。

新机转子的热弯曲一般来自材质热应力。这种热弯曲是固有的，可重复的，因而可用平衡的方法处理。有时运行原因也会导致热弯曲，如汽缸进水、进冷空气、动静摩擦等。只要没有使转子发生永久朔性变行，这类热弯曲都是可以恢复的，引起热弯曲的根源消除后，工频振动大的现象也会随之自行消失。

二、动静摩擦

汽轮机转动部件与静止部件的碰摩是运行中常见故障。随着现代机械向着高性能、高效率发展，动静间隙变小，碰摩的可能性随之增加。

碰摩使转子产生非常复杂的振动，是转子系统发生失稳的一个重要原因。轻者使得机组出现强烈振动，严重的可以造成转轴永久弯曲，甚至整个轴系毁坏。

因此，对汽轮机碰摩的诊断和预报无疑会有效地提高运行的安全性，防止重大事故发生。

1、机组动静碰磨起因
机组动静碰磨通常是由于转轴振动过大。引起转子临界转速下转轴振动过大的原因：

转子存在稳定的一阶不平衡
转子原来不平衡较大或存在弯曲，机组每次启停在临界转速下都会产生显著振动，这种不平衡量值和方向虽是稳定的，但当轴封间隙较小时，会引起转轴径向碰磨，而使转子一阶不平衡显著增大。

转子残留热弯曲
机组启动前和运行中，转子都可能产生明显的热弯曲。前者启动中发生较大振动，后者在带负荷和停机过程中发生较大振动，两者都会使转轴产生碰磨而形成弯轴。

转子残留热弯曲启动，一方面使转子产生显著的一阶不平衡，另一方面使转子中部晃摆值增大，在正常的轴封间隙下，也会使转轴发生碰磨，当转速接近临界转速时，因共振放大和碰磨重点与热弯曲高点相同，可使转子中部挠曲迅速扩大，使转轴碰磨很快进入晚期。

2、机组动静碰摩的诊断方法
机组动静碰摩的现场诊断是一项难度比较大的技术，如果认为发生了碰摩，常常需要开缸处理，工作量较大，这就要求诊断的高准确性。

现有的诊断方法主要还是根据振幅、频谱和轴心轨迹。碰摩的确定，还需要了解机组安装或大修中的情况，查阅有关的间隙记录。这些在诊断过程可以有机的结合起来，提高诊断的准确性。但要注意，由于高中压缸都是双层缸，有的机组低压缸也是双层缸，通流部分的碰摩很难传出来，只有轴端汽封的碰摩声比较容易听到。因而，不能片面地将某一种方法的结论作为是否发生碰摩的决定性判据。

三、汽流激振

汽流激振通常发生在高参数机组的高压转子上，特别是超临界机组，都出现过高压转子轴振过大现象。

涡动震荡自激振动的进动方向是向前的，轨迹是圆或近似圆形。振荡是随振幅逐渐接近偏心率，自激振动的频率接近转子横向的固有频率。

汽流激振的治理
  · 增大轴颈在轴承中的偏心率；

  · 增大油膜的径向刚度；

  · 改变润滑油温；

  · 加转子的刚度。

四、联轴器不对中

联轴器不对中也是汽轮机振动常见故障。关于机组轴线的几何形状有两个定义，一个是轴承的对中，它是指轴承内孔几何中心在横截面的垂直和水平方向上与转子轴颈中心预定位置的重合程度。另一个是联轴器的对中，也就是轴系转子个轴线的对中。

联轴器不对中是指相邻两根转轴轴线不在同一直线上，或不是一根光滑的曲线，在联轴器部位存在拐点或阶跃点。设计阶段，根据选用的轴承、转子的质量、轴承标高的热变化量等确定各轴承的负荷分配，再计算确定各个轴颈中心在轴承中的偏心角和偏心率，即轴颈静态位置。然后根据转子的重力挠度曲线确定各轴承的扬度，供安装时使用，同时各轴承的静态负荷也随之确定。

机组安装时依照这些值对各轴承座和缸体进行找正找平，使各个轴承的静态负荷达到预定值，同时也自然保证了轴颈中心在轴承中的位置与原定的一致。

五、转子中心孔进油

汽轮机转子中心孔进油在现场时有发生。造成进油的原因有两种可能：

  · 一是中心孔探伤后油没有及时清理干净，残存在孔内；

  · 二是大轴端部堵头不严，运转起来后由于孔内外压差使的润滑油被逐渐吸入孔内。

中心孔有油后会使转轴出现振动问题，它造成的振动在机理上有数种不同的说法：

  · 一种说法认为，转动时孔内液体转速比转轴低，这样液体会产生一个比转动频率低，但是频率接近转速的次同步激振力，这个激振力和工作转速合成后可以产生拍振或和差振动。

  · 另一种说法认为，当转子加热到一定温度时，黏附在中心孔壁上的润滑油发生热交换，使转子产生不对称温差，转子内壁局部被加热或冷却进而发生热弯曲，所产生的不平衡质量引起振动增大。

来源：设备管理研习社公众号（ID：sbglyxs）