汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)振動原因分析

徐明東

摘 要：汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)振動大小，是評價(jià)汽輪機(jī)組和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)。對于高速轉(zhuǎn)動的汽輪機(jī)來說，微小的振動是不可避免的，只要幅度不超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)就屬于正常振動，對汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)沒有影響，但是當(dāng)振動超過規(guī)定限值時(shí)，對整個(gè)汽輪機(jī)組的運(yùn)行是有害的，表明機(jī)組內(nèi)部存在缺陷。鑒于此，對汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)幅度過大的異常振動產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：振動基礎(chǔ);振動軸心軌跡;Orbit圖;扭振;碰磨;低頻振動

0??? 引言

對于滑動軸承支承的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，主要的振動源是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。產(chǎn)生振動的原因非常復(fù)雜，本文試圖從振動軸心軌跡的變化、扭振、碰磨、低頻振動的角度分析振動的原因，并給出了部分案例。

1??? 振動基礎(chǔ)及其模型

各向同性轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)模型如圖1所示，圖中彈簧剛度用K表示。

振動是一種圍繞平衡參考位置的往復(fù)運(yùn)動，作用力、系統(tǒng)、響應(yīng)、X/Y向、幅值、相角等構(gòu)成振動分析的數(shù)學(xué)模型;振動就是振動響應(yīng)，振動的響應(yīng)一般由渦流傳感器、非接觸（趨近）式傳感器、速度傳感器等才能檢測出來，傳感器僅檢測與傳感器沿軸向相同方向的振動，有幅值和頻率。振動值常用峰峰值表示，頻率是指其頻率成分，可以看作是多個(gè)簡諧波的合成，通過快速傅里葉變換才能批量分解出各個(gè)頻率分量。濾波器能過濾信號得到簡諧波，如1X、2X、0.5X、0.47X等，其中X是轉(zhuǎn)速的頻率。所謂“跟蹤”就是跟蹤轉(zhuǎn)速頻率，需要有鍵相信號才能跟蹤。

2??? 振動軸心軌跡（Orbit圖）分析

圖2是直角坐標(biāo)系，X、Y方向與探頭安裝方向一致，原點(diǎn)就是XY時(shí)域波形的平均值，幅值的刻度/量程、方向與各自波形一致，Orbit圖上的每一個(gè)點(diǎn)，對應(yīng)的分別是同一時(shí)刻X、Y方向傳感器的時(shí)域波形的瞬時(shí)位移值。Orbit圖形的視角是以物理垂直上方為0°參考的，對于汽輪機(jī)來說，一般的約定是從驅(qū)動端往非驅(qū)動端看的方向。轉(zhuǎn)子朝向探頭運(yùn)動的方向，是振動位移的正方向。另外，無論轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向如何，Y方向約定都在X方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°的方向。Orbit圖是兩個(gè)時(shí)域波形的物理合成，所以本身是時(shí)域圖形。鍵相標(biāo)記是一轉(zhuǎn)一個(gè)事件的有別于X/Y向的傳感器，整個(gè)汽輪機(jī)軸系共用一個(gè)鍵相傳感器，連續(xù)的兩個(gè)鍵相標(biāo)記點(diǎn)表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了一圈，所以本質(zhì)上它是計(jì)時(shí)標(biāo)記。鍵相標(biāo)記所在的位置表示的是當(dāng)鍵相槽正好經(jīng)過鍵相探頭時(shí)軸中心的位置。因此，同時(shí)基圖一樣，一個(gè)Orbit圖中也可以有多個(gè)周期。圖2中，從時(shí)域波形的鍵相標(biāo)記來看，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了兩圈，Orbit也是兩圈，只是第二圈與第一圈完全重合。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也要在Orbit圖中表達(dá)出來，它只與汽輪機(jī)物理安裝和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝有關(guān)，一般是固定的，因工藝參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)反轉(zhuǎn)故障另當(dāng)別論。機(jī)器的旋轉(zhuǎn)方向可以通過畫在機(jī)器上的箭頭找到;另外一個(gè)方法是從慢轉(zhuǎn)速Orbit上猜到，因?yàn)槁D(zhuǎn)速進(jìn)動方向通常是正進(jìn)動，正進(jìn)動方向就是振動方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)的方向，而振動方向是從空點(diǎn)到亮點(diǎn)轉(zhuǎn)的方向。

現(xiàn)代的Orbit圖都是計(jì)算機(jī)處理的，軸心軌跡的形狀與傳感器的安裝位置無關(guān)，只和觀察的參考位置有關(guān)。

3??? 關(guān)注扭振和橫向振動

除X/Y向國際標(biāo)準(zhǔn)的截面橫向運(yùn)動外，從三維來看還有一種方向的振動即Z方向不曾表達(dá)，機(jī)器部件在Z方向的運(yùn)動，也叫軸向振動，而繞旋轉(zhuǎn)軸的靜態(tài)和動態(tài)的扭動為扭振。軸向振動和扭振沒有得到應(yīng)有的重視是有原因的，對于扭振，相對于徑向振動，測量難度大，徑向振動和軸向振動都可以通過軸承這樣的彈簧元件在軸承箱或別的連接部件上直接測量到，要求力的傳遞越直接、衰減或畸變越小越好。但是扭振不能直接通過軸承并在其上測量，因?yàn)樗鼈兣c轉(zhuǎn)子的支撐關(guān)系不大，扭振很少耦合到轉(zhuǎn)子外的機(jī)器部件上。但實(shí)際運(yùn)行的機(jī)器，扭振可以是很嚴(yán)重的，存在足夠的殺傷力，有能力產(chǎn)生周期性的應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞失效，往往被稱為“隱形殺手”，發(fā)生扭振的案例不在少數(shù)。

扭振和橫向振動的耦合問題，理論上來說，耦合是普遍現(xiàn)象。總的說來，凡是扭矩的變動都可能產(chǎn)生扭振，如同步/異步電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器、流體介質(zhì)機(jī)器等等。但是，實(shí)際上扭振和橫向振動耦合并能帶來明顯的影響或者顯性表現(xiàn)的并不多見，一般多出現(xiàn)在帶有齒輪傳動的機(jī)器上，也可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)的非對稱轉(zhuǎn)子上，但這種非對稱轉(zhuǎn)子只有極少的轉(zhuǎn)子才有。

4??? 摩擦的影響

汽輪機(jī)動靜部分之間的摩擦往往是造成振動大的原因，一般來說更換了新的軸瓦，或者機(jī)械上有所改變，很容易出現(xiàn)碰磨現(xiàn)象，一般摩擦一段時(shí)間，振動會慢慢降低，這是最好的結(jié)局。但還有一種情況，振動隨著碰磨的發(fā)生不會減小。有經(jīng)驗(yàn)的診斷師，不會將摩擦作為最終結(jié)論，而是當(dāng)成次生故障。還有最根本的原因，例如，轉(zhuǎn)子軸向位置安裝不精確，使得流體通道發(fā)生輕微改變，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速。徑向軸承間隙過大導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速的閾值降低，瓦與軸承箱之間的接觸間隙偏大，則降低了失速的穩(wěn)定裕度。這些因素才是初生故障。所以，振動發(fā)生時(shí)，不僅要關(guān)注振動值，還要關(guān)注軸位移和差脹有無異常。

5??? 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

轉(zhuǎn)子上的裝配部件在安裝或當(dāng)初機(jī)械加工時(shí)，內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子中心不同心，或部件質(zhì)量對轉(zhuǎn)動中心不對稱;轉(zhuǎn)子上的葉片、拉金斷落或不對稱磨損;轉(zhuǎn)子鍛件在加工及處理過程中有過大的殘余變形，引起轉(zhuǎn)子永久性撓曲;檢修時(shí)，在轉(zhuǎn)子上拆裝葉輪和葉片，更換聯(lián)軸器零件，更換發(fā)電機(jī)線圈、車削轉(zhuǎn)子軸頸或直軸等，都有可能造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是汽輪機(jī)振動異常的最主要原因，70%以上的異常振動是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的，其特點(diǎn)是，振幅與不平衡質(zhì)量成正比，振動頻率等于轉(zhuǎn)子的振動頻率，波形為正弦波，振幅及相位始終保持常數(shù)，而與負(fù)荷無關(guān)。這類振動只需要找好平衡即可解決。由于其發(fā)生概率高，解決方便，在汽輪機(jī)組發(fā)生振動時(shí)，應(yīng)成為首要分析對象。