汽轮发电机组汽流激振故障的分析及处理

王锐 王金灿 赵居信

摘  要：随着我国经济的发展，高参数、大容量机组相继投产，为了提高机组的效率和性能，通常采用提高蒸汽参数的方法，新蒸汽的压力、温度提高，新蒸汽的密度随之提高。文章对汽流激振产生的机理、特征、处理方法等进行了分析和探讨，以便为汽流激振的故障诊断和处理积累理论经验。

关键词：汽流激振;机理;低频振动

中图分类号：TM311        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）17-0099-02

Abstract： With the development of economy in China， high parameters and large capacity units have been put into operation one after another. In order to improve the efficiency and performance of units， the method of increasing steam parameters is usually adopted， the pressure and temperature of new steam are increased， and the density of new steam is increased accordingly. In this paper， the mechanism， characteristics and treatment methods of steam flow excitation are analyzed and discussed in order to accumulate theoretical experience for fault diagnosis and treatment of steam flow excitation.

Keywords： steam flow excitation; mechanism; low frequency vibration

1 汽流激振的产生机理

1.1 叶片顶隙激振力

由于安装、检修和转子弯曲等原因引起的通流部分径向间隙变化，动叶叶顶间隙大小沿圆周方向不同，间隙小一侧产生的圆周切向力大，间隙大侧产生的圆周切向力小。这样导致了一个切向力（也称顶隙激振力）作用在轴颈中心上，使之沿转动方向做正向涡动，当顶隙激振力大于系统阻尼时，转子发生失稳，产生汽流激振[1]。

1.2 动态激振力

汽轮机是一种高速旋转的机械，在运行过程中，为避免动静之间发生摩擦和碰撞，必须在动静之间留有一定的间隙。为减少和防止汽轮机动静部分间隙处的蒸汽泄漏，汽轮机设备均设置汽封装置，在蒸汽通过汽封时，每通过一个汽封齿就产生一次节流作用，蒸汽的压力随之降低。汽封是密封蒸汽的一种装置，按装配位置的不同可分为轴端汽封（轴封）、隔板汽封和叶顶汽封三大类。运行中，由于转子存在偏心，汽封间隙大小将会发生周期性的变化，汽封中的蒸汽压力沿周向分布不是均匀的，在某些情况下压力大小将呈现周期性变化[2]。

1.3 静态激振力

采用喷嘴调节的汽轮机运行时，由于调节汽门开启顺序不同。使高压转子受到的蒸汽力方向不同，在某一工况下作用于转子中心的蒸汽力可能是一个向上抬起转子的力，使轴承比压降低，导致轴承稳定性降低，当降低到一定程度后，发生转子失稳。

2 汽流激振的振动特征及诊断依据

（1）汽流激振多发生在高参数机组的高压转子上。国外报道的实例多是超临界机组，但国内低参数机组同样有多起案例发生。

（2）从汽流激振出现的过程看，一个十分重要的特征是振动和机组负荷密切相关。往往低负荷时不出现，而是出现在满负荷，或者在接近满负荷的某一高负荷段，升到满负荷时失稳反而消失，也就是说汽流激振对负荷有一个门槛值。

（3）汽流激振的振动信号有如下特征：

a.自激振动的涡动频率为接近转子横向振动固有频率的低频。

b.有时候，涡动频率也会呈现为略小于转速的1/2，最新现场消振经验表明，汽流激振振动频率与转子一阶临界转速对应的频率接近[2]。

c.对于一个以流体作为工质的转子-密封系统，其涡动频率可能低至0.1X，也可能高達接近1X。

d.涡动-振荡自激振动的进动方向通常是向前的，轨迹是圆或近似圆形。

（4）汽流激振造成的大振动可以是突发性的，也可以是渐增的，或长时间维持在一个中等、超限的振幅水平上。

（5）汽流激振属于自激振动，而自激振动属于周期振动，周期振动一定是离散谱，所以汽流激振的频谱一定是离散谱，且形成涡动力的位置大部分位于高压前2-3级叶片顶部和高压轴封处。

3 汽流激振的处理方法

汽流激振发生的根本原因是汽流力的作用，汽封、顶隙、叶轮-扩压器间隙产生的汽流激振力作用在转子上导致低频涡动。实际中还有另一种情况，进汽口汽流力作用使转子轴颈相对轴承产生偏移发生油膜失稳，同样表现为转子做以临界转速为准的低频涡动，但严格地讲，将这类失稳归属于汽流激振是不正确的，因为真正激起转子低频涡动的是油膜力，它应该属于油膜失稳。

这两类失稳同与汽流有关，处理方法有同有别。相同之处是轴承都是要重点考虑的对象，虽然间隙汽流激振和轴承没有直接关系，但对转子-轴承-密封这样一个整体系统来说，在存在间隙激振力的条件下，转子是否能起振，作为能够向转子提供阻尼的唯一部件的轴承起到十分关键的作用，如果轴承油膜能够提供足够的阻尼，即使汽封处存在一定强度的间隙激振力，转子也不会发生涡动;相反，如果油膜不能够提供一定的阻尼，较弱的汽流激振力也会造成转子失稳。

处理这两类失稳的不同之处在于对间隙激振，重点方向是确定激振部位。消除或减小间隙激振力，增大轴承油膜阻尼力为辅。对汽流使轴颈偏移发生的油膜失稳，主要方向是消除偏移[3]。

从现场实际，具体处理可以考虑采取下列措施：

（1）增大激振力部位的密封间隙，以牺牲热效率换取激振力的减小。实施这项措施的关键是事前必须准确确定激振部位。

（2）改变调门开启次序，从而改变作用在转子上的汽流作用力方向。通常是使汽流对转子产生向下的作用力，以增大轴颈在轴承中的偏心率。

（3）提高轴承稳定性裕度，用增加油膜阻尼力的方法来抑制汽流激振力，具体如下：

a.提升或降低相关轴承标高。

b.改变轴承几何形状。

c.增加油膜的径向刚度。对360°滑动轴承，可利用增加流体静态压力来提高稳定性，流体静态压力高能直接提高油膜径向刚度并改善转子的稳定性。实践中，可以采用提高轴承进油压力的方法。

（4）采用合适的汽封类型。蜂窝汽封现在已经比较成熟，常被用做高压转子轴封。相较于梳齿汽封，它容易产生蒸汽紊流，对周向连续旋流形成干扰。

（5）可倾瓦轴承由不连续的各段构成，几乎不可能产生周向连续旋流。利用可倾瓦轴承原理，将汽封开轴向槽，可以有效地抑制汽流激振。

（6）利用反涡旋技术，逆转向注入蒸汽流，干扰汽流的周向运动，从而提高失稳转速界限。这种技术对设备不会造成负面危害，因而被积极推荐使用，成为消除密封间隙失稳的主要手段。2005年上海交通大学与上海汽轮机厂共同研制了这种汽封，目前国内已经出现所谓的反向旋流汽封，而且应用到现场实际中使用效果极佳，所以目前为止消除汽流激振只有反向旋流汽封一种最为有效[3]。

（7）提高润滑油温。

4 汽流激振与随机振动、轴瓦自激振动的区别

（1）激振力。汽流激振由蒸汽力引起，油膜振荡和油膜涡动由轴承油膜力引起。

（2）与负荷关系。汽流激振的发生与负荷有关，而油膜振荡或油膜涡动的振动与负荷无直接关系，改变负荷这类轴承自激振動不会消失。

（3）发生部位。汽流激振发生在高参数机的高压转子上，低压转子和发电机转子不会发生汽流激振，如发生自激振动肯定属于油膜振荡或油膜涡动的自激振动。

（4）与转速关系。转子工作转速高于一阶临界转速的2倍时才能发生油膜振荡，否则发生的只能是油膜涡动。汽流激振只与负荷有关与转速无关。

（5）异音。发生油膜振荡或油膜涡动时，轴径在轴承间隙里剧烈抖动，轴承箱往往会发生“咚咚”声音，而汽流激振没有。

（6）振动再现性。汽流激振与负荷有着良好的再现性，而油膜振荡和油膜涡动没有良好的再现性。

5 结束语

汽轮发电机组的汽流激振故障，它是工作介质（蒸汽）诱发的激振力，在高热力参数的汽轮机上表现较为突出。运行经验表明，现代大型汽轮机的高压转子很容易发生汽流激振，本文从汽流激振产生的机理、诊断特点、处理方法以及汽流激振与随机振动、轴承自激振动的区别等方面，对其做了全方位的总结，以便指导现场实际的消振工作，由于汽流激振的产生机理较为复杂，对其研究尚处于初始阶段，这就需要广大振动工作者继续努力，将现场实际消振过程和理论分析相结合，不断来完善对于汽流激振的认识和理解，以便更好地解决实际生产问题。

参考文献：

[1]陆颂元，吴峥峰.汽轮发电机组振动故障诊断及案例[M].北京：中国电力出版社，2016.

[2]郭宝仁，常浩.汽轮发电机组振动诊断技术问答[M].北京：中国电力出版社，2016.

[3]施维新，石静波.汽轮机组振动及事故[M].北京：中国电力出版社，2016.