汽轮机转子动静摩擦的故障原因分析及处理措施

张斌 刘文恺

摘要：某化工公司MTO装置两台压缩机组的汽轮机在单体试车过程中，出现振动值明显上升并引发连锁跳车，停机后转子抱死，解体后发现转子第四级叶轮与第五级隔板轴向密封磨损严重，本文就汽轮机转子动静摩擦、引起汽轮机胀差超标的原因进行分析，对汽轮机喷嘴间隙、转子轴向间隙进行调整。

关键词：动静摩擦  胀差  汽缸内外温差  轴向间隙  喷嘴间隙

一、故障概况

某化工公司MTO装置两台压缩机组的汽轮机为美国公司设计生产的SNV-8抽汽凝汽式汽轮机，利用挠性联轴节连接，该机组在第一次单体试车过程中，出现振动值明显上升并引发连锁跳车，停机后转子抱死，4小时后盘车回复正常，解体后发现转子第四级叶轮与第五级隔板轴向密封磨损严重。

二、原因分析

引起汽轮机转子动静相碰的主要原因有3点：转子轴向位移过大、汽轮机胀差超标、泊桑效应。

1.转子轴向位移分析

轴位移指的是轴的位移量，汽轮机运行过程中，由于蒸汽在叶轮中做功，以及隔板汽封间隙中的漏汽等原因，使叶轮前后的蒸汽压力有一个压降，這个压降造成汽轮机转子顺着蒸汽流动方向形成一个轴向的推力，从而产生轴向位移。如果轴向位移大于转子最小动静间隙，就会造成汽轮机动静相碰、摩擦，止推轴承温度升高、乌金烧毁，汽轮机振动增大。

汽轮机在试车过程中，止推轴承温度正常，解体后检查，止推轴承完好，无磨损、毛刺等痕迹，测量转子轴向位移0.38mm，小于转子最小动静间隙（喷嘴间隙）0.76mm - 0.965mm，故转子轴向位移过大不是本次引起汽轮机动静相碰的原因。

2.汽轮机胀差分析

2.1胀差指的是轴相对于汽缸的相对膨胀量，即转子与汽缸沿轴向膨胀的差值。汽轮机的转子膨胀大于汽缸膨胀的胀差值称为正胀差，汽缸膨胀大于转子膨胀时的胀差值称为负胀差。一般在开车过程中的胀差多为正胀差，停车过程中的胀差多为负胀差。

2.2转子与汽缸的胀差值，可由下式计算：

公式中： 为汽缸与转子的胀差值; 、 分别为转子和汽缸的金属热膨胀系数; 为机组初始温度值，一般取20℃; 、 分别为转子与汽缸的平均温度值; 、 转子和汽缸截面处至相对位置的长度，由于汽轮机转子自由膨胀的同时，还由推力盘带动转子的各个零件向高压侧膨胀，推力盘处的相对膨胀值为零，故选取推力盘处为相对位置。

为了使问题简单，取转子和汽缸的金属热膨胀系数相同，且初始温度相同。叶轮与隔板的平均温度分别是 、 ，叶轮与隔板的轴向间隙较小，可忽略不计，因此 ，所以转子与汽缸的温差值是影响转子与汽缸的胀差值的主要因素。

在机组开机过程中，由于转子相对汽缸来说很小，热容量小，温度变化快，膨胀速度快，所以汽轮机在设计时都会考虑胀差，给定一个安全的胀差标准，而如果暖机时间不够，蒸汽温度提升太快，转子与汽缸的温差、汽缸内外壁的温差以及汽缸上下缸的温差太大，都会引起转子与汽缸的温差增大，致使胀差超标，造成汽轮机动静相碰、摩擦。

机组跳车发生在高速暖机过程中，跳车时下缸的内外温差达到了106℃，超过了厂家给定的内外缸最大温差（指标75℃，最大不超过105℃），上下缸温差达42℃，接近厂家给定的上下缸最大温差（45℃），导致汽缸膨胀不均匀，转子与汽缸的温差增大，造成机组胀差超标，转子第四级叶轮与第五级隔板轴向密封相碰、摩擦，振动值上升并连锁跳车。

3、泊桑效应分析

转子高速旋转时受离心力的作用，使转子发生径向和轴向变形，大轴在离心力的作用下变粗变短，这种现象叫泊桑效应。

3.1由于转子相对于汽缸的死点为止推轴承，故转子在离心力作用下变短，会使得第四级叶轮与第五级隔板的轴向密封间隙增大，不会引起他们相碰、摩擦。

3.2此次跳车是发生在高速暖机过程中，转子速度变化不大，长度不会发生突发的剧烈变化。

故转子的泊桑效应不是此次故障的原因。

三、处理措施

1、转子、隔板修理

经过生产厂家的计算，将第四级叶轮动叶片及第五级隔板密封全部车削去，汽轮机的效率下降10%左右，但不影响该机组的正常使用。

2、开车曲线优化

由于此次故障的主要原因为内外缸温差过大，由仪表厂家对机组开车曲线进行了优化，主要有以下几个方面：

2.1暖机按修改后的曲线进行盘车暖机。温度可以控制缸体180-200℃左右（下缸体外缸温度），内外缸温差小于75℃，上下缸温差小于45℃（外壁与外壁比较，内壁与内壁比较）。

2.2启机暖机在600转进行暖机。但是此时要注意排气温度和缸体温差。排气温度要小于105℃。在排气温度和缸体温差允许的情况下，尽可能延长暖机时间，将缸体温度尽可能提高，直至缸体温度均衡，不能再继续升高。内外缸温差小于105℃。

2.3升速至1900转后，缸体温差会继续增大。内外缸温差不能超过105℃。排汽温度要小于105℃，如果这两个温差一旦有超出，可以通过降低转速和停机盘车进行降温和均衡温差，内外缸温差在50-70℃以后，排汽温度为80℃左右进行升速。如果持续超过这些温度，只能通过降速或停机盘车来进行降温和均衡温差。在排气温度和缸体温差允许的情况下，尽可能延长暖机时间，将缸体温度尽可能提高，直至缸体温度均衡，不能再继续升高。

2.4升速至3600转高速暖机后，缸体温差将迅速升高，此时排汽温度会逐渐降低，在温差超过100℃后，应迅速手动关闭TTV，强制调速阀全开降低转速来控制温差，如温差无法控制，将停机盘车进行均衡温差。内外缸温差不大于105℃，排缸温度105℃。在排气温度和缸体温差允许的情况下，尽可能延长暖机时间，将缸体温度满足升速要求。

2.5指标：

四、试车记录

检修结束后，机组采用中压蒸汽开机，一次开机成功，过程运行平稳，振动值在过临界时也未超过15um。

五、总结

石油化工行业接触的汽轮机种类很多，无论哪种形式，其工作原理基本相同。在稳定工况下，相对胀差值接近于零（如材料的热膨胀系数相等），相对胀差值变化最大的是在起、停工况和机组负荷剧烈变化时，控制好机组的内外缸温差、调整好动静间隙及轴向位移，保证转子与汽缸的胀差值在设计范围内，是避免汽轮机转子动静摩擦的有效方法。

参考文献

[1]SNV-8汽轮机操作说明书

[2]魏军、陈伯树，汽轮机机组胀差计算方法，《机械工程师》，2012年第5期

[3]王仲奇、秦仁，透平机械原理，[M].北京：机械工业出版社，1987

张斌，1988年8月 男，汉，陕西渭南，大学本科，助力工程师，研究方向：大型炼化设备安装、检修技术

刘文恺，1986年10月，男，汉，山东省烟台市，大学本科，工程 师，研究方向：石油化工转动设备检维修技术