汽轮发电机组振动故障分析与预防

李伟强

（内蒙古岱海发电有限责任公司，内蒙古乌兰察布 013750）

0 引言

汽轮发电机组是发电厂中的关键设备，汽轮发电机组振动的大小直接关系到机组能否安全运行，也直接影响到机组的经济效益。汽轮发电机组的振动会引起无法定速、轴瓦损坏、转子弯曲、叶片断裂等严重后果，不仅经济损失巨大，也严重影响机组使用寿命，甚至是人身安全。引起汽轮机振动的原因有质量不平衡、动静摩擦、联轴器不对中、油膜失稳和汽流激振、中心孔进油等。

1 转子质量不平衡

汽轮机转子质量不平衡是汽轮机最常见的振动故障，占到振动故障的大多数。转子质量不平衡的主要原因有原始质量不平衡、转子热弯曲、转动部件飞脱或松动等。

（1）原始质量不平衡。汽轮机转子在加工和制造过程中，由于机加工精度不够、装配质量差或在检修时更换转动部件都可造成质量的不平衡。转子在出厂时厂家都会进行高速动平衡试验，所以原始的质量不平衡在制造环节出厂前已经消除。检修时更换转动部件后，应该在现场进行动平衡试验，以消除更换部件引起的质量不平衡。

（2）转子热弯曲。新装机组转子的热弯曲一般来自材料热应力，可以用动平衡的方法处理。有时运行原因，如润滑油温、密封油温、轴封供汽温度、氢气汽励端温差、汽缸内进水、汽缸进冷空气、动静摩擦等，也会导致热弯曲。只要转子不发生永久性变形，这类热弯曲是可以复原的。根据实际运行经验制定合理的运行规程，只要消除引起热弯曲的根源，工频振动大的现象就会消失。

（3）转动部件飞脱和松动。在运行过程中转动部件如叶片、围带、拉金、质量平衡块等发生飞脱或联轴器松动等，会造成突发性的振动，致使轴振振幅迅速增大、随后下降并稳定在固定的振幅和相位。在检修过程中，加强转动部件的检查是消除此类问题的关键。

2 动静摩擦

汽轮发电机组动静部分碰摩造成的转子振动较为复杂，会引起轴系失稳的故障，严重的还可能造成转子永久的塑性变形。产生动静摩擦的原因主要有以下4 个。

（1）转子轴振过大。轴振振幅一旦超过动静间隙的最小值就会发生碰磨，从而引起更大的振动。如果转子轴振较大则不能盲目升速，应找出原因，处理后再进行升速。

（2）动静间隙偏小。在设计或安装、检修过程中，动静间隙的调整偏小会造成热态下动静部分发生碰磨。在安装、检修过程要严格控制好动静间隙，尤其是易发生碰磨的隔板汽封、围带汽封、轴承挡油环、油挡等处，更要严格控制好动静间隙，确保不泄漏、不碰磨。

（3）汽缸变形。在汽缸受热不均、上下缸温差较大时，汽缸会发生弓背，变形超过一定值时（超过动静间隙）就会发生碰磨。做好汽缸的保温工作，控制好上、下缸温差，就可以避免汽缸的变形过大问题。

（4）机组膨胀不开，胀差超标。在启机过程中，由于滑销系统故障，机组膨胀不开，致使汽缸与转子的胀差超标、发生碰磨。机组启动过程中，应控制好汽缸胀差，不得盲目升速和升负荷。

3 联轴器不对中

汽轮发电机组的轴系找中工作至关重要，它贯穿于机组安装、检修的整个过程。联轴器对中工作能够确保机组在热态下整个轴系是一条光滑的曲线。联轴器不对中会在转子连接部位产生两倍频作用的弯矩和剪切力，相邻的轴承也将承受工频径向作用力，引起机组的振动。

在对联轴器对中时，要注意以下4 个方面的内容：

（1）所用量具应在有效期内且架设牢靠，盘动转子时要缓慢均匀，避免使百分表杆或临时卡子移位。

（2）记录数据时应在转子自由不受力状态下进行，盘动90°后读数前应放松钢丝绳，检查盘车销应能自由活动。

（3）盘车方向应与转子旋转方向一致，并且在盘车过程中转子应装设防窜动装置。

（4）测量结果至少进行两次，百分表对数应归位且两次结果应基本相同。

4 油膜失稳和汽流激振

当转子在轴瓦中转动时，在轴径与轴瓦之间的间隙中形成油膜，油膜的载荷力与外界载荷平衡，轴径处于平衡位置；当转子受到外来扰动时，轴承的油膜会被破坏从而使转子发生涡动。造成轴径运动不再稳定，油膜振荡就属于这种情况。油膜的振荡故障发生时，油膜经历了从破坏到建立的反复过程，轴颈和轴承不断发生碰磨，产生撞击，使转子的振动变大。增大轴颈在轴承中的偏心率、增大油膜的径向刚度、改变润滑油温可以减少油膜振荡的发生概率。

汽轮机的蒸汽间隙应是均匀对称而且无偏差的。由于转子热态弯曲、汽缸发生变形、汽流作用等，可能导致转子与静子的轴、径向间隙在对称位置会出现偏差。这种偏差将导致蒸汽产生一个作用于转子的涡动作用力，就是汽流激振。它可以分为两类：

（1）叶顶间隙的激振力。当汽轮机转子偏心时，转子和汽缸间的间隙沿周向不均匀，间隙的漏汽量会重新分布，小的间隙部位会产生大的推力，大的间隙处产生小的推力。就会产生一个垂直于转子中心位移的横向力，这个力会诱发转子涡动。该力的大小与这一级叶轮的功率成正比，与叶片的高度成反比。

（2）汽封产生的激振力。即由汽轮机的围带汽封、隔板汽封、轴端汽封产生的激振力。在高压级中，蒸汽在汽封处产生的激振力的大小，与汽封前蒸汽的参数（压力、温度）、汽封后蒸汽的参数（压力）、汽封间隙处的半径和进入汽封的蒸汽的周向速度成正比。汽封前蒸汽的参数越高，进入汽封的蒸汽的周向速度越大，蒸汽所产生的激振力越大。

5 转子结构刚度不足

汽轮机转子结构刚度不足是指机组支撑结构刚度过低，结构刚度包括转子支架、缸体、基础整个系统的刚度。刚度不足多发生于低压缸的非落地式轴承座上。轴承支撑刚度弱，使振动被放大或使转子临界转速降低，落入共振，其主要原因是设计阶段缺乏足够的刚度校核造成。另外，发电机的端盖轴承除了可能出现端盖的结构共振外，刚度设计不足也是产生振动的一方面原因。

6 转子中心孔进油

对于有中心孔的汽轮机转子来说，中心孔进油现象时有发生。进油的原因主要有两个：一是中心孔在探伤后没有及时清理内部残存的油；二是转子端部堵头不严，造成轴承箱内的油进入中心孔内。中心孔有油后会使转子出现振动问题，在振动特征上会出现工频振动增大的现象。

汽轮发电机组轴承振动的大小直接关系到机组能否安全经济运行，TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽轮机轴系的监测系统）可以对汽轮机轴系参数起到基本上的监测和保护作用，但TSI 在机组启机冲转、负荷变化，阀门切换、单/顺阀切换等工况时，对汽轮机振动的分析只停留在表面。内蒙古岱海发电有限责任公司的旋转机械诊断监测管理系统（Turbine Dignosis Managerment，TDM）能对机组运行过程中的数据进行深入分析，获取包括振动波形，频谱、转速、倍频的幅值和相位等故障特征等数据，提供波德图、频谱图、瀑布图、级联图、轴心轨迹等专业的数据及图谱，协助机组故障诊断专家了解机组运行的状态，从而解决机组运行中的实际问题。