大型汽輪機摩擦振動的原因分析和處理措施

摘 要：大型汽輪發電機組在經過大修以后的并網帶負荷或首次開機過程中，一些機組會因為汽輪機內部產生動靜摩擦而使大軸出現臨時熱彎曲，致使軸振動不斷的增加，機組無法穩定運行。本文結合機組的具體情況，通過實例分析了故障原因，并提出了相應的處理建議和措施。

關鍵詞：汽輪機；摩擦振動；故障特征；原因；處理措施

中圖分類號：U472.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(c)-0000-00

1.引言

現代大型汽輪發電機組的效率高，由于軸端汽封、葉片圍帶汽封和隔板汽封等部位動靜部分間的徑向間隙較小，受軸承標高變化、管道作用力、汽缸跑偏或變形、不對中、轉子熱彎曲、軸振動大等因素的影響，使得徑向間隙易消失，使汽輪機內部產生動靜摩擦。重則導致大軸永久彎曲，甚至損毀整個軸系，輕則使機組產生強烈振動。

2.摩擦振動的故障特征和機理

摩擦振動的主要故障特征是：

（1）與開機正常升速時相比，一般降速過臨界時的振動值增加較多，轉子在停機靜止后，和原始值相比，測量大軸的晃度明顯增加。

（2）摩擦產生時，振動的相位和幅值均有較大的波動特性，且波動持續的時間比較長。嚴重摩擦時，振幅會急劇快速增大，相位與幅值不再波動。

（3）因為轉子受摩擦影響產生了熱彎曲而產生了新的不平衡力，所以工頻仍是振動信號的主頻，但是因受到一些非線性因素和沖擊的影響，可能會產生少量的高頻、倍頻和分頻分量，波形有時還會明顯出現“切頂”現象。

對于汽輪機轉子而言，摩擦可能導致渦動、抖動等現象的出現，但在實際中主要是轉子熱彎曲會產生影響。圓周上各點的摩擦程度在動靜摩擦時是不一樣的，輕摩擦側的溫度低于重摩擦側，造成轉子徑向截面上的溫度不勻稱，局部加熱導致轉子熱彎曲，轉子會受到一個新的不平衡力的作用而產生振動。

3.湘潭電廠的2號機振動分析

此汽輪機是東方汽輪機廠制造的雙缸雙排汽凝汽式、亞臨界中間再熱機組，型號是N300-16.7/537/537-4 (高中壓合缸)。軸系中包括勵磁機轉子、發電機轉子、低壓轉子和高中壓轉子，汽輪機的1、2號軸承是落地式， 3、4號瓦座坐落在排汽缸上面。

（1）1998年下半年該機完成了整套啟動調試，經實際運行一年多之后， 2000年4-6月之間進行了第一次檢查性大修。大修以后軸振動在開機升速過程中最大可達66μm，轉速是3000 r/min，汽輪機軸的最大振動只有53.7μm。

汽輪機振動在并網帶低負荷(<56 MW)時呈準周期性變化，不穩定，時間大約是3 h。

（2）并網后第一天0∶00-7∶40，負荷基本穩定在180MW上下， 汽輪機振動從2∶15開始逐漸產生了變化， 1號軸振動的相位與幅值變化較小，2號軸振動的幅值有所增加，3號和4號軸振動的相位角增加、幅值減小，特別是4X的相位變化達到了430°；從7∶05起， 3X、4X在0 min內分別達到了170μm、195μm，汽輪機的低壓轉子軸振動迅速增加，降負荷到110 MW上下時，振動開始逐漸減小， 直到9∶00之后，機組的振動才穩定為正常值。

（3）第二天5∶00左右， 兩臺給水泵小汽機一起運行， 相位分別增加110°、179°， 3X，、4X在30 min內分別為107μm、178μm，大汽輪機軸振動得到了快速的增加，另外高中壓轉子的軸振動也得到了增加。保留一臺小汽機運行， 另一臺小汽機停運之后，主機振動又快速降到了原先水平。

按照振動變化時間和機組結構的分析，對于另外一臺小汽機投退來說，主要是凝汽器的真空變化影響了主機的振動。另一臺小汽機投入之后提高了真空，低壓缸體受大氣壓力而變形，造成了低壓通流徑向間隙的消失，產生動靜摩擦且使轉子出現熱彎曲。進行真空變化的試驗時， 1臺真空泵被啟動，真空只能提高2 kPa， 立即會使汽輪機軸振動增加，但停運真空泵以后會立馬恢復正常。

4.華能岳陽電廠的2號機振動分析

此汽輪機是由英國GEC公司制造的三缸兩排汽凝汽式機組，型號是N362.5-16.7/537/537，分別由兩個落地式軸承支撐著高，中及低壓轉子。1991年11月機組投入運行， 1999年5月第一次被大修后， 由于帶負荷過程中的軸振動1x不斷增加，前三次開機(最高可達185μm以上)均被迫停機。

（1）轉速為3000 r/min時，除了1x是94μm以外，其余的振動都較小。機組帶負荷的時，軸振動1x的相位和幅值會隨著時間的增加呈現準周期性變化，周期約為2-3 h，且振動峰值逐次增大，在停機之前可達194μm，此外， 中、高壓轉子軸振動的其余測點的變化趨勢均和其相同。

（2）軸振動1x在升速過程中最大可達114μm，其余都比90μm小， 與開機時相比，高、中壓轉子軸振動在停機降速時會大幅增加，尤其是高壓轉子的最大振動分別為278-291μm，中壓轉子的軸振動同時也會相應的的增加， 4x最大可達170μm。

（3）按照高壓轉子在停機時過臨界軸振動的明顯增加以及軸振動相位和幅值在帶負荷過程中的周期性變化，能夠推斷汽輪機高壓缸內在機組運行時有動靜摩擦存在，轉子發生的熱變形使新的干擾力增加，進而增加了軸振動，且使中壓轉子受到了影響。經大修檢查發現，有摩擦痕跡存在于高壓下缸接近2號軸的承側底部，不過沒有較大程度的調整通流間隙。因為機組抽汽管道、變形或熱膨脹作用等均可能使汽缸內原先已調整好的徑向間隙發生改變，使其由于不均勻而導致動靜摩擦。

（4）為了使高壓汽缸內的動靜摩擦被消除，與大修檢查情況相結合，把四個墊塊（高壓缸貓爪下）的厚度減薄0.10 mm，以降低高壓缸的整體高度，進而使汽缸下部和轉子的徑向間隙增加。機組在并網帶負荷的情況下運行一段時間后，軸振動1x對負荷變化沒有前幾次敏感，逐漸的穩定在100μm之內。這表明汽輪機內部的摩擦已在很大程度上減輕，機組能夠帶滿負荷運行。

5.建議和措施

（1）為了避免振動快速增加而導致機組損壞，無論是帶負荷運行還是啟動過程，都不能退出振動保護。

（2）若振動不停的增加，就要打閘停機或把負荷降低，避免機組安全受到危害；若摩擦在帶負荷階段產生，就可以把振動控制在一定的變化范圍，觀察運行一段時間后，以磨合出合適的間隙。

（3）啟動時，機組產生動靜摩擦時不可強行升速，不然會導致大軸永久彎曲。若轉速處于臨界轉速之上，就在振動能夠控制的轉速上多一些時間停留，等有一定的間隙被磨合出來后再升速；若在臨界轉速之下，必須立刻打閘停機，盤車一段時間待正常后再啟動。

（4）因為汽輪機的動靜徑向間隙較小，所以一定要在啟動前把一些重要參數如差脹、汽缸溫差、軸偏心等控制在規程的規定范圍里，不然摩擦會使轉子彎曲導致振動增加，嚴重者將不能啟動機組。

（5）經判斷，已產生動靜摩擦機組的振動特征是，以頻譜中的工頻分量為主，存在少量高頻、倍頻或低頻成分，波形有時還會出現“削頂”現象；與開機時相比，降速過臨界的振動值增多， 與原始值相比，停機后轉子的晃度增多了；工頻振動的相位和幅值不斷波動，甚至在快速增強。

參考文獻：

[1] 王詠梅. 大型汽輪機摩擦振動的故障特征分析[J].湖南電力，2003，(01).

[2] 丁千，陳予恕.汽輪發電機組摩擦振動研究現狀[J].汽輪機技術， 2005，(05).