汽轮机振动超限原因分析及解决办法

俞冠民

（杭州中能汽轮动力有限公司，杭州 310018）

汽轮机是一种部件繁多、系统复杂、安装要求高的旋转机械设备。汽轮机稳定、安全地长时间运行是最基本也是最重要的要求。而汽轮机运行中最容易出现异常的就是汽轮机振动问题。引起汽轮机振动超限的原因很多，笔者根据多年的汽轮机研发经验结合现场实际情况分析汇总引起振动超限的原因，并给出对应的解决办法。

1 汽轮机转子质量不平衡引起的振动超限及解决办法

汽轮机转子是高速旋转部件，转子质量的平衡性非常重要，据资料表明，汽轮机的大半故障都是因为转子不平衡引起的[1-2]。汽轮机转子不平衡最直接的体现就是汽轮机振动超限，而此类振动超限可根据振幅的变化趋势图分析引起的具体原因，如图1～3所示。

图1 原始不平衡引起的振动变化趋势图Fig.1 Trend chart of vibration caused by original imbalance

如出现图1 所示的汽轮机振动变化趋势，表示汽轮机运行初期振动就比较大，且随时间的变化，一直保持高值，可能是转子出厂时不平衡量较大引起的。解决办法是重做转子动平衡试验，在不平衡点添加平衡块并铆牢，直到符合国标或厂标。

图2 渐变不平衡引起的振动变化趋势图Fig.2 Trend chart of vibration caused by gradual imbalance

如出现图2 所示的汽轮机振动变化趋势，表示汽轮机初期振动不明显，但随着时间变化，振幅持续走高，可能是转子长时间运行导致转子出现污垢沉积不均匀或叶片、叶轮磨损导致的转子不平衡引起的。解决办法是定期检修，保持蒸汽清洁。对于已经出现污垢的则清理转子沉积的污垢，更换磨损严重的叶片、叶轮，重做转子动平衡试验。

图3 突变不平衡引起的振动变化趋势图Fig.3 Trend chart of vibration caused by sudden imbalance

如出现图3 所示的汽轮机振动变化趋势，表示在某个时间点振幅突然变大，且持续保持高值，可能是转子零部件或平衡块由于某种原因脱落导致的。解决办法是停机检修，查看脱落的位置及转子的损坏程度，维修或更换损坏的转子，清理流道异物。

2 轴承油膜振荡引起的振动超限及解决办法

油膜振荡是中小型发电汽轮机组经常出现的情况。一般一阶临界转速在工作转速内容易导致油膜振荡的发生[3]。产生油膜振荡的因素主要有：

（1）润滑油黏度。油的黏度越高，轴瓦的稳定性越低，越容易产生油膜振荡。

（2）轴瓦间隙。轴瓦间隙分侧隙和顶隙，侧隙和顶隙的比值越小，轴瓦越不稳定，越容易产生油膜振荡。

（3）轴承负载。机组运行时，转子受热不均导致的变形、转子浮起间隙、机组负荷变化过大等都会引起轴承负载的变化，导致油膜振荡。

针对以上原因产生的油膜振荡，一般可采用如下措施：

（1）开机时，油温低，可开启油站配置的电加热器加热油温至38℃以上，可降低油的黏度，减小转子运行时产生的油膜厚度，使得轴承稳定性提高。

（2）检查轴承的侧隙和顶隙，对于侧隙和顶隙比值小的可通过修磨轴承调整垫片或修刮出侧隙瓦面等措施，使得侧隙和顶隙比值增加，增加轴瓦的稳定性。

（3）开启顶轴油，提高轴承/油膜的径向刚度，可有效消除油膜振荡。

（4）更换稳定性更好的椭圆瓦，即增大侧隙和顶隙的比值。

3 汽轮机暖机不充分引起的振动超限及解决办法

汽轮机开机过程中,暖机是一个十分重要的过程。如果暖机不够充分，会导致以下问题：

（1）汽轮机上、下半汽缸温差过大，热应力过大，甚至汽缸变形，结果就是动、静径向间隙变化，存在干涉，进而导致振动超限停机。

（2）汽缸和转子间胀差过大，使得动、静轴向间隙减小，甚至干涉，进而导致振动超限停机。

对于由此产生的振动超限情况，首先必须充分认识到暖机不充分的危害，切忌升速和升负荷过快，必须按照汽轮机厂的开机规范，在低速进行一段时间暖机，观察上、下半汽缸的温度差，保持在40 ℃以内，不得超过50 ℃。汽轮机受热膨胀需要一个过程，所以观察的温差需要一定时间内都保持在合理范围内，并且无明显攀升迹象，才认为此阶段暖机完成。对于各个阶段的暖机，如低速暖机、高速暖机、低负荷暖机、高负荷暖机，都需要严格按规定要求执行。

4 汽轮机热膨胀不畅引起的振动超限及解决办法

汽轮机热膨胀一般也叫缸胀，对于一些中小汽轮机，缸胀并非一个重要的检测值，不设报警和停机值。但汽轮机运行时，缸胀不畅会导致机组中心偏离，进而引发振动超限而停机。对于汽缸热膨胀不畅原因分析如下[4-5]：

（1）轴承座润滑不良。一方面设计汽缸的台板油路弯道多且路线长，在向油槽注油时，润滑油受到的阻力较大，而且新注入的油很难将旧油推出到外，油槽里的润滑油流动不畅，容易导致润滑油结块，失去润滑效果；另一方面注油周期太长，导致旧油出现凝固，失去润滑效果。

（2）滑销系统出现问题。一种情况是滑销系统安装间隙过小，汽缸膨胀后造成滑销系统产生挤压，失去工作能力；另一种情况是安装时清洁工作不到位，导致滑动面存在铁屑、砂石、木屑等废弃物，使得滑销系统无法正常工作。

一般有以下几种常用解决办法：

（1）定期注油，清理油槽异物，清理轴承座和台板间存在的尘土或杂物；或更换自润滑和摩擦力小的台板。

（2）核查滑销系统中各个间隙，对于不满足要求的，通过研磨或其他措施，保证两者间隙满足要求，对滑动接触面还需要保证接触面积≥75%。

（3）涂擦耐高温的粉剂涂料，减小摩擦力。

5 汽轮机管道力过大引起的振动超限及解决办法

与汽轮机连接的有进汽管、排汽管、汽封管路、抽汽管等，对汽轮机正常运行有着重要影响，如果设计不当，管道对汽轮机的作用力超过了汽轮机实际所能承受范围，则机壳会发生变形、移位等[6]，进而影响定子和转子的同心和间隙，导致机组振动超限引起停 机。

管道力首先在设计上应符合标准规范允许值，目前NEMA SM23 是被引用最多的标准。该标准对管道力和力矩要求如式（1）、式（2）所示。

式中 Fr——单个管口上的合力，N；

Mr——单个管口上的合力矩，N ·m；

Dm—— 当量直径，mm。如管径≤200 mm，取Dm等于接管的公称直径；如管径＞200 mm，则Dm=（406.4+D）/3。

式中 Fc—— 所有管口合力到出口中心上的总合力，N；

Mc—— 所有管口合力矩到出口中心上的总合力矩，N·m；

Dc—— 各个管口面积之和等效当量圆直径，mm。如当量管径＞228.6 mm，则Dc=（457.3+Dc）/3。

其中，各个方向的分量应满足式（3）～（8）要求。

NEMA SM23 是推荐性标准，在设计管道时，完全符合该标准要求还有些困难，根据汽轮机本体的实际刚性和现场运行经验，可将该标准允许的力和力矩适当放大1.5～2 倍。

以上是汽轮机在设计时如何做到避免管道力过大，在现场开机运行时，需要首先检查管道的安装和走向是否符合图纸要求，支吊架的安装是否满足图纸要求，管道周围是否存在限位点，都可能导致管道膨胀不畅，排除施工和安装问题后，如果还存在管道力过大，需要检查是否管道设计本身存在问题，可通过对前汽缸猫爪位置、排缸座架位置做纵向打表测量，对比冷态和热态的数值。另外也可对猫爪和轴承座的纵向安装间隙通过塞尺测量，对比冷态和热态的数值。如存在明显的差值，可能就是因为管道力过大引起汽缸变形或顶起汽缸，导致动静间隙偏离正常值，最终引起振动超限。

对于因此导致振动超限的解决办法为重新设计管道走向，设计更加柔性的管道布置，在适当位置设置支架、吊架或限位架，形成有效支撑，避免汽轮机承受过大的管道力和力矩。

6 动静摩擦引起的振动超限及解决办法

汽轮机转动部件和静止部件之间因间隙消失发生动静摩擦导致振动超限，一般发生在新机组调试过程和机组大修后。动静摩擦又可细分为轴向动静摩擦和径向动静摩擦。

图4 动静间隙示意图Fig.4 Schematic diagram of the gap between the rotor and the stationary parts

轴向动静摩擦主要发生在机组起机时，由于机组暖机不充分引起的，解决办法可见本文第3 节。

径向动静摩擦造成的原因包括[8]：

（1）动静间隙在安装和检修时未达到设计要求。新机组或大修后的机组在调整汽封间隙时，为减少漏气，提高效率，将汽封间隙调整过小，机组冲转后会发生碰摩。

（2）转子和轴承不对中。转子和轴承对中偏差过大，使得转子发生倾斜，转动时动静间隙偏离设计间隙，造成碰摩。

解决办法：

径向摩擦时发出的声音一般是间断性的，振动会随着转速的升高而变大。可用听音棒对汽轮机不同位置分别监听，确认造成摩擦的位置。机组停机冷却后，开盖检查摩擦位置，重新调整间隙，使得间隙在图纸要求范围内。如间隙符合设计要求，则考虑不对中造成的问题，对转子和轴承重新找中。

7 转子支撑刚度降低引起的振动超限及解决办法

转子的支撑系统包括转子、油膜、轴承座、台板、基础、汽缸等部件。决定转子支撑系统刚度的因素主要包括：

（1）结构刚度。转子和支撑部件的材料、几何尺寸和形状。

（2）结合刚度。转子和支撑部件的结合情况。

结构刚度在设计制造阶段已经确定，正常情况不会存在问题。现场一般主要是因结合刚度的降低导致振动超限。主要原因有：

（1）支撑系统中连接螺栓松动。

（2）轴承座和座架之间接触不良。

（3）垫铁存在松动。

（4）轴承松动或磨损过大[9]。

转子支撑刚性降低不会立刻就导致振动超限，如果是长期运行时造成支撑刚性降低，振动曲线是一条爬坡曲线。如果是大修后造成支撑刚性降低，那对比大修前，振动数值会明显偏大，会在报警值附近。

解决办法是定期检查连接螺栓、垫铁是否松动。检修时对轴承磨损情况进行记录，对磨损过大的轴瓦进行更换。

8 结束语

在汽轮机现场运行过程中因振动导致的停机是很常见的，大部分出现的问题最终都体现在振动超限上，我们应该针对振动时出现的症状进行深入分析，找出振动超限的原因，才能快速给出解决办法。本文只提及一些常见的振动超限的情况，造成振动超限的还有其他原因，因此我们应该不断学习和积累经验，才能在出现问题时做到不慌不忙、沉着冷静地应对。总而言之，在实际运行中，汽轮机极易出现振动超限的情况，而影响汽轮机正常运行。对此，如何准确判断振动超限的原因，需要我们平时不断的学习和经验的积累。