汽轮机振动分析与诊断技术

席伟明

（湖北华电江陵发电有限公司，荆州 434100）

汽轮机振动分析与诊断技术

席伟明

（湖北华电江陵发电有限公司，荆州 434100）

本文就汽轮机振动故障问题进行全面研究和分析，并针对其诊断技术做出全面介绍，以此提高汽轮机的使用寿命，更好地促进电力企业的发展。

汽轮机 振动 诊断技术

汽轮机电机组是电力系统中重要的组成内容，主要由气缸、转子、联轴器等部件构成，属于高速旋转机械。该类设备的正常运行除了能保障电力生产企业供电正常外，还能确保相关工作人员的人身安全。因此，加强汽轮机振动故障的检查及诊断，对保障汽轮机的安全使用具有重大意义[1]。但目前而言，由于汽轮机工作环境极为复杂，加上一些人为因素的影响，汽轮机运行时出现振动故障的发生率不断增加，继而严重威胁其使用安全性。下文将对汽轮机振动故障及其诊断技术进行有效分析和探索，以供参考。

1　对汽轮机进行维护的重要性

在生产企业中，汽轮机组是其中的重要组成部分。因此，它的运行效率和维护情况将直接影响生产企业的运营情况和生产效率。若汽轮机设备在运行过程中出现异常现象却没有进行及时有效的检修与维护，则会对生产企业的运营和生产造成严重浪费和损失，甚至造成机器故障和人员安全事故[2]。目前，汽轮机仍是我国发电的重要手段。因此，对于发电厂来说，它的主要维护任务是确保汽轮机组的正常运行，提高汽轮机运行效率，并逐步提升和改进汽轮机的运行维护技术。同时，要不断交流和总结其故障维护经验，加大汽轮机维护人才的专业素养和技能培养等，从而为汽轮机故障维护奠定坚实基础，不断增强汽轮机的运行稳定性和可靠性，以提升我国发电部门的发电效率。

2　造成汽轮机振动的原因

造成汽轮机出现振动的原因较多，要找出其中的根本原因实则较为困难。另外，由于汽轮机振动现象通常由多方面的原因引起，且其振动分量较多，因此需要通过复杂的分析和检测进行判定。

导致汽轮机振动的重要因素可归纳为以下几点。

中心偏差：该影响因素主要是指发电机转子和汽轮机转轴的轴心线没有形成良好的连接，从而使各轴受力情况出现差异，导致整体汽轮机组产生振动。

转轴平衡较差：大部分的汽轮机组振动均由转轴平衡性能较差而导致。转轴不平衡可分为动和静两种不平衡方式。汽轮机组在检修后或出厂前，若未进行静平衡校准，则会使机组在运转中产生不平衡离心力，并且还会在轴承上出现相应的干扰力，从而最终导致机组产生振动。而动不平衡状态又可分为稳态和瞬态两种不平衡方式。其中，瞬态动不平衡产生的原因主要为机组在运行过程中，整体受热不一致而出现短暂变形，或是因为在转轴高速运转作用下出现松动，亦或是转轴部分零件的性能、刚度较差，从而造成弹性变形等。

轴承油膜振荡或不稳定：机组转轴在运行过程中，转瓦中的转颈处于稳定状态中，而转瓦与转颈之间的这种稳定状态则由适当的楔形油膜厚度来维持。若因各种因素导致转子脱离稳定状态，如轴心偏移等因素，可造成轴承与转颈之间的油膜厚度发生变化，从而使油楔之间的油压也发生相应变化，可能会打破转轴与总压力之间重量的平衡，致使转轴位置发生变化[3]。由此说明，转颈若在转瓦中出现浮动现象，则会使转子重量与油膜总压力之间的平衡难以维持，从而导致机组产生振动。

转承装配较差或转子支撑刚度较低：由于转颈主要在转承上旋转工作，因此若转承装配、结构等较差，或是转子刚度较低，则当转轴出现些微不平衡现象时，将势必会造成机组产生强烈振动。

转轴转速设计不合理：当转轴本身设计或是机组设计不合理时，或未对转瓦油膜、转承支座等进行考虑时，则会导致挠性转子的转速与临界转速相接近，从而使机组产生强烈振动的现象。

机组运行新工况异常：真空恶化、气温骤降以及主蒸汽参数比规定值高等因素，均会导致机组零部件产生膨胀不一致的现象，从而出现中心偏移、热弯曲等情况，造成机组产生振动。

机组内部振动：机组零件或内部机件的振动、调速器不合理组装、调节系统不稳定等因素，均会造成整体机组产生振动。

基础缺陷：在基础浇灌效率和质量较差的情况下，或是因基础自振频率降低而出现与转子转速相同的情况，均会使汽轮机在运行过程中出现基础与机组之间的共振现象。

3　汽轮机构建探析

从运动方面，可将汽轮机构建分为静止和转动两部分。其中，静止部分主要是由轴承、加热系统、汽封、隔板、滑销系统、喷嘴、进汽部分、汽缸等部件构成，而转动部分则是由一般联轴器、叶片、叶轮、主轴等部件组合而成。在机组运行过程中，一般情况下为使机纽快速启动，通常需要将汽缸分为排气缸、中压缸以及高压缸，期间使用隔板将其进行分离[4-5]。而在少数汽轮机中还安装有中轴系统，其作用主要是为了提升机组性能。另外，通常情况下，机组分别设置有推力轴承和径向轴承各两个。其中，部分机组主要以单转子三支成构建为主，而部分机组则以双推力支持联合轴为主。当下的机组中，则主要以可倾轴承与椭圆轴承为主。在启动汽轮机时，为减少机组盘车力矩，防止磨损轴承，可安装低速自动盘或是高压顶轴等装置来改善。

4　故障探查方法

4.1频谱探查

频谱探查法在汽轮机故障分析中，具有应用普遍的特点。其中，较为常用的频谱探查方法为幅值谱和功率谱两种。幅值谱主要是指相应频率所产生的谐波震动分量振幅。该探查方法在实施过程中具有直观的优点，同时其谱线高度可反映出该频率分量的情况和振幅大小[6-7]。而功率谱则是指由振动频率而产生的振动功率分布情况，具有清晰的物理含义。总而言之，频谱探查方法的主要目的是将可形成信号的频率进行分解，以方便振源识别。

4.2轨迹探查

在轴承座运动轨迹方面，转子轴心能够直接反映转子瞬时动态，并且还反映了诸多机械运转的相关信息。由此可见，轨迹探查法在汽轮机设备故障分析中，具有明显的优势。正常状态中，可使轴心轨迹也处于稳定的状态，每次运转通常会保持一致的位置，并且轨迹大多相互重合。而当轴心轨迹的大小与形状出现变化时，表示转子处于不稳定的运行状态。对此，应及时调整工序，使机组恢复良好的稳定性，避免发生停车事故。

4.3波形探查

振动信息源最初为时间波形，且从传感器传输出来的振动信息大多为时间波形。对部分特征明显的波形，可直接作为故障的判断依据。由此可见，该探查方法具有简易直观的优势。

4.4故障诊断过程中存在的问题

检测手段：在汽轮机设备故障诊断技术中，大量数学方法甚至部分理算法的水平均得到了较大提升。因此，获取故障征兆是当下汽轮机设备故障诊断面临的重要课题，而检测手段便是其中较为突出的问题[8]。目前的汽轮机故障检测手段无法满足当下故障诊断的需求，如对于内杠螺栓裂损、调节系统异常、叶片动应力以及转子体表温度等检测，均无良好的检测手段。

故障机理：对故障进行准确诊断，首先需对其机理具有充分了解。但目前由于汽轮机设备故障较为复杂，使得对部分故障难以得出合理的理论解释，且对其机理缺乏相应的了解，如在不稳定的热态系统中，其产生的弯扭复合振动现象等，便是阻碍汽轮机设备故障诊断技术进步和发展的原因之一。

材料性能：设备寿命主要以其材料性能数据作为参考。但当下在材料性能识别方面，尤其是对材料在复杂工作环境中性能产生变化的了解，仍然缺乏有效的手段。

5　深入研究汽轮机振动故障诊断技术

5.1对暖机时间不够及胀差过大引起振动故障方面的诊断技术分析

汽轮机发动时，可发现由于暖机时间不够或者胀差过大所引起的振动故障方面的发生率极高。据了解，转子、气缸等部件在汽轮机发动与停止过程中存在多方面区别，如热交条件、轴向形成的膨胀等方面。其中，轴向形成的膨胀主要指的是发生相对膨胀情况，又称为胀差。而汽轮机轴向动静间隙的动态变化取决于胀差的大小。鉴于此，为了全面预防轴向间隙的摩擦，一方面应当加大胀差的监控力度，另一方面则需要工作人员意识到监视胀差的必要性和重要性，以降低胀差对汽轮机正常运行的影响力度[9-10]。众所周知，胀差的大小一般由汽轮机电机组定速后才有明显反应，而在升速至定速这一过程中却不会发生任何胀差变化。这主要是由于此过程中的蒸汽温度与流量处于平稳状态。所以，定速之后的胀差幅度会逐渐变大，并且延续时间极长。此外，转子与气缸在低负荷暖机过程中，蒸汽会极度增加转子及气缸等部件的温度。总的来说，形成暖机时间不够和胀差的因素大致包括供汽时间长、暖机时间或长或短等方面。

为有效预防以上情况的发生，应当做到：第一，重视高、低速阶段中的操作，即在低速阶段完成听音、在高速阶段加强汽轮机振动故障的重视度。若在此阶段中振动超过标准范围，需及时进行检查；第二，由于气缸温度偏低，在汽轮机机组并网后应充分考虑转子与气缸之间的实际胀差，以便有效控制进汽温度。另外，为积极处理汽轮机发动时所产生的胀差大，还应做到：第一，严格检查主蒸汽的温度，若存在过高现象，应及时与相关操作人员取得联系，将主蒸汽温度控制在合适范围内；第二，确保汽轮机电机组的暖机程序在正常负荷状态下进行；第三，适当减小蒸汽流量并保证凝汽器真空温度处于正常状态。

5.2对形成振动故障诊断准确率低的原因进行相关分析

振动诊断技术在汽轮机振动故障中出现诊断率低的原因大致包括4个方面：没有完全了解振动特征；对故障机理认识度不高；忽视内部故障的检查；部分工作人员单凭工作经验实施故障处理。因此，在汽轮机振动故障诊断中，应根据具体情况采取针对性的解决措施，以避免振动现象的发生。另外，若振动故障诊断准确率大于或等于50%，则表示对振动消除效果极高；若在20%～30%范围内，则表示振动消除效果较低[11]。当前，正向推理法与反向推理法是汽轮机振动故障诊断常见且常用的两种手段，但反向推理法最为常用，尤其在分析振动特征的过程中。反向推理法通过反推故障特点获得各种各样的结果，以有效处理振动故障。

5.3探析振动故障诊断步骤

在改善传统故障诊断技术基础上提升故障诊断准确率是一种极为有效的方法。因此，必须把握好几个步骤，才能充分提高其准确率[12]。第一，明确振动类型，即详细观察振动的外部特点，并全面查看其振动频谱；第二，仔细判断及确认引发故障的原因后，再进行处理；第三，严密检查轴承座刚度，同时有效分析激振力故障的因素；第四，对转子等部件进行详细检查，看看是否出现平直度偏差等不良情况，紧接着检查汽轮机有无发生普通的振动情况，进而有效诊断振动故障的类型。

6结语

综上所述，汽轮机的使用对电力系统的稳定运行具有至关重要的作用。因此，相关电力生产企业应当加强汽轮机安全使用的重视度，并充分认识到积极处理汽轮机振动故障对机械正常运行及安全使用的重要性。同时，在汽轮机振动故障诊断中，需做到及时发现故障问题以及详细分析故障因素，以尽早做出故障处理措施，进一步保障汽轮机的使用寿命。另外，相关部门还应当加强对工作人员的培训工作，从多个角度提高工作人员的工作素质及专业技能，以保障汽轮机的安全使用。总之，只有全面掌握汽轮机的机械原理、维护知识以及了解汽轮机常见故障的处理措施等相关内容，才能确保工作环境的安全和企业的正常运营，从而为进一步诊断技术的改进和创新提供有力基础，有效提高企业的社会效益及经济效益。

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[12]郭玉杰，李克，石峰，等.某台汽轮发电机联轴器不对中振动故障的诊断处理[J].轴承，2013，（8）：56-58.

Vibration Analysis and Diagnosis of Steam Turbine

XI Weiming
(Hubei Huadian Power Company Limited Jiangling, Jingzhou 434100)

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