汽輪發電機組振動故障分析與預防

李偉強

（內蒙古岱海發電有限責任公司，內蒙古烏蘭察布 013750）

0 引言

汽輪發電機組是發電廠中的關鍵設備，汽輪發電機組振動的大小直接關系到機組能否安全運行，也直接影響到機組的經濟效益。汽輪發電機組的振動會引起無法定速、軸瓦損壞、轉子彎曲、葉片斷裂等嚴重后果，不僅經濟損失巨大，也嚴重影響機組使用壽命，甚至是人身安全。引起汽輪機振動的原因有質量不平衡、動靜摩擦、聯軸器不對中、油膜失穩和汽流激振、中心孔進油等。

1 轉子質量不平衡

汽輪機轉子質量不平衡是汽輪機最常見的振動故障，占到振動故障的大多數。轉子質量不平衡的主要原因有原始質量不平衡、轉子熱彎曲、轉動部件飛脫或松動等。

（1）原始質量不平衡。汽輪機轉子在加工和制造過程中，由于機加工精度不夠、裝配質量差或在檢修時更換轉動部件都可造成質量的不平衡。轉子在出廠時廠家都會進行高速動平衡試驗，所以原始的質量不平衡在制造環節出廠前已經消除。檢修時更換轉動部件后，應該在現場進行動平衡試驗，以消除更換部件引起的質量不平衡。

（2）轉子熱彎曲。新裝機組轉子的熱彎曲一般來自材料熱應力，可以用動平衡的方法處理。有時運行原因，如潤滑油溫、密封油溫、軸封供汽溫度、氫氣汽勵端溫差、汽缸內進水、汽缸進冷空氣、動靜摩擦等，也會導致熱彎曲。只要轉子不發生永久性變形，這類熱彎曲是可以復原的。根據實際運行經驗制定合理的運行規程，只要消除引起熱彎曲的根源，工頻振動大的現象就會消失。

（3）轉動部件飛脫和松動。在運行過程中轉動部件如葉片、圍帶、拉金、質量平衡塊等發生飛脫或聯軸器松動等，會造成突發性的振動，致使軸振振幅迅速增大、隨后下降并穩定在固定的振幅和相位。在檢修過程中，加強轉動部件的檢查是消除此類問題的關鍵。

2 動靜摩擦

汽輪發電機組動靜部分碰摩造成的轉子振動較為復雜，會引起軸系失穩的故障，嚴重的還可能造成轉子永久的塑性變形。產生動靜摩擦的原因主要有以下4 個。

（1）轉子軸振過大。軸振振幅一旦超過動靜間隙的最小值就會發生碰磨，從而引起更大的振動。如果轉子軸振較大則不能盲目升速，應找出原因，處理后再進行升速。

（2）動靜間隙偏小。在設計或安裝、檢修過程中，動靜間隙的調整偏小會造成熱態下動靜部分發生碰磨。在安裝、檢修過程要嚴格控制好動靜間隙，尤其是易發生碰磨的隔板汽封、圍帶汽封、軸承擋油環、油擋等處，更要嚴格控制好動靜間隙，確保不泄漏、不碰磨。

（3）汽缸變形。在汽缸受熱不均、上下缸溫差較大時，汽缸會發生弓背，變形超過一定值時（超過動靜間隙）就會發生碰磨。做好汽缸的保溫工作，控制好上、下缸溫差，就可以避免汽缸的變形過大問題。

（4）機組膨脹不開，脹差超標。在啟機過程中，由于滑銷系統故障，機組膨脹不開，致使汽缸與轉子的脹差超標、發生碰磨。機組啟動過程中，應控制好汽缸脹差，不得盲目升速和升負荷。

3 聯軸器不對中

汽輪發電機組的軸系找中工作至關重要，它貫穿于機組安裝、檢修的整個過程。聯軸器對中工作能夠確保機組在熱態下整個軸系是一條光滑的曲線。聯軸器不對中會在轉子連接部位產生兩倍頻作用的彎矩和剪切力，相鄰的軸承也將承受工頻徑向作用力，引起機組的振動。

在對聯軸器對中時，要注意以下4 個方面的內容：

（1）所用量具應在有效期內且架設牢靠，盤動轉子時要緩慢均勻，避免使百分表桿或臨時卡子移位。

（2）記錄數據時應在轉子自由不受力狀態下進行，盤動90°后讀數前應放松鋼絲繩，檢查盤車銷應能自由活動。

（3）盤車方向應與轉子旋轉方向一致，并且在盤車過程中轉子應裝設防竄動裝置。

（4）測量結果至少進行兩次，百分表對數應歸位且兩次結果應基本相同。

4 油膜失穩和汽流激振

當轉子在軸瓦中轉動時，在軸徑與軸瓦之間的間隙中形成油膜，油膜的載荷力與外界載荷平衡，軸徑處于平衡位置；當轉子受到外來擾動時，軸承的油膜會被破壞從而使轉子發生渦動。造成軸徑運動不再穩定，油膜振蕩就屬于這種情況。油膜的振蕩故障發生時，油膜經歷了從破壞到建立的反復過程，軸頸和軸承不斷發生碰磨，產生撞擊，使轉子的振動變大。增大軸頸在軸承中的偏心率、增大油膜的徑向剛度、改變潤滑油溫可以減少油膜振蕩的發生概率。

汽輪機的蒸汽間隙應是均勻對稱而且無偏差的。由于轉子熱態彎曲、汽缸發生變形、汽流作用等，可能導致轉子與靜子的軸、徑向間隙在對稱位置會出現偏差。這種偏差將導致蒸汽產生一個作用于轉子的渦動作用力，就是汽流激振。它可以分為兩類：

（1）葉頂間隙的激振力。當汽輪機轉子偏心時，轉子和汽缸間的間隙沿周向不均勻，間隙的漏汽量會重新分布，小的間隙部位會產生大的推力，大的間隙處產生小的推力。就會產生一個垂直于轉子中心位移的橫向力，這個力會誘發轉子渦動。該力的大小與這一級葉輪的功率成正比，與葉片的高度成反比。

（2）汽封產生的激振力。即由汽輪機的圍帶汽封、隔板汽封、軸端汽封產生的激振力。在高壓級中，蒸汽在汽封處產生的激振力的大小，與汽封前蒸汽的參數（壓力、溫度）、汽封后蒸汽的參數（壓力）、汽封間隙處的半徑和進入汽封的蒸汽的周向速度成正比。汽封前蒸汽的參數越高，進入汽封的蒸汽的周向速度越大，蒸汽所產生的激振力越大。

5 轉子結構剛度不足

汽輪機轉子結構剛度不足是指機組支撐結構剛度過低，結構剛度包括轉子支架、缸體、基礎整個系統的剛度。剛度不足多發生于低壓缸的非落地式軸承座上。軸承支撐剛度弱，使振動被放大或使轉子臨界轉速降低，落入共振，其主要原因是設計階段缺乏足夠的剛度校核造成。另外，發電機的端蓋軸承除了可能出現端蓋的結構共振外，剛度設計不足也是產生振動的一方面原因。

6 轉子中心孔進油

對于有中心孔的汽輪機轉子來說，中心孔進油現象時有發生。進油的原因主要有兩個：一是中心孔在探傷后沒有及時清理內部殘存的油；二是轉子端部堵頭不嚴，造成軸承箱內的油進入中心孔內。中心孔有油后會使轉子出現振動問題，在振動特征上會出現工頻振動增大的現象。

汽輪發電機組軸承振動的大小直接關系到機組能否安全經濟運行，TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機軸系的監測系統）可以對汽輪機軸系參數起到基本上的監測和保護作用，但TSI 在機組啟機沖轉、負荷變化，閥門切換、單/順閥切換等工況時，對汽輪機振動的分析只停留在表面。內蒙古岱海發電有限責任公司的旋轉機械診斷監測管理系統（Turbine Dignosis Managerment，TDM）能對機組運行過程中的數據進行深入分析，獲取包括振動波形，頻譜、轉速、倍頻的幅值和相位等故障特征等數據，提供波德圖、頻譜圖、瀑布圖、級聯圖、軸心軌跡等專業的數據及圖譜，協助機組故障診斷專家了解機組運行的狀態，從而解決機組運行中的實際問題。