火力发电厂汽轮机异常振动原因及解决措施研究

朱强强

（国能（泉州）热电有限公司，泉州 362804）

1 汽轮机振动的相关概述

1.1 汽轮机振动的概念

汽轮机振动指汽轮机的轴承等零件偏离其固定位置，导致机器内部产生的势能与动能不平衡而引起的无效运动。汽轮机振动过大会影响机油系统和冷凝器的正常运作，严重时会损坏转子，甚至会诱发火灾等安全事故。汽轮机的异常振动程度可以从相位、频率、方向以及振幅等方面进行描述[1]。

1.2 汽轮机振动的危害

随着加工技术的发展和生产要求的提高，市场对设备内部零件精度的要求越来越严格。对于机械设备来说，内部零件的运行状态关系整个设备的运作。运行状态能够反映设备是否存在故障，若某个零部件存在异常，则可能会引发一系列设备故障。因此，观察机器的振动情况是检查设备是否正常运行的一种手段。

根据既往经验，汽轮机振动的危害集中体现在4 个方面。第一，异常振动会降低汽轮机的加热性能。汽轮机的加热性能与其蒸汽的产出体积相关，一旦汽轮机发生振动，可能增大汽轮机的气封间隙，从而影响其蒸汽产出体积，降低加热性能。第二，汽轮机异常振动会损坏动静部件和支撑部件。汽轮机的异常振动会使得动、静部件之间产生摩擦，导致轴端密封件、叶片、车轮等出现磨损，严重时甚至会使轴发生断裂。第三，异常振动会缩短连接组件的使用寿命。汽轮机异常振动会引起轴承、主油泵及其他部位的共振，使连接螺钉松动、基础螺栓破裂，进而导致机组瘫痪。第四，异常振动会引发系统多类故障。汽轮机振动异常会导致系统出现各方面故障问题，如调速系统故障、设备连接异常等，影响整个系统的正常运行[2]。

2 汽轮机异常振动原因分析

2.1 转子与静子之间的碰摩

汽轮机转子与静子之间的碰摩会引起异常振动，主要原因是质量不平衡、转子弯曲或轴系失稳等。当振动幅度超过动静间隙值时，转子可能与静止部位发生碰摩。而动静间隙过小或消失，通常可能由上下缸温差过大、汽缸与法兰温差过大、轴瓦乌金磨损或烧瓦、安装或检修时轴封间隙调整不当、汽缸膨胀偏斜、汽封壳体变形、汽轮机相对胀差过大、主蒸汽管道及各抽汽管道进水、轴承箱出现严重卡涩等导致。这些因素可能导致轴向通流间隙减小，从而使转子与静子发生碰摩。此外，如果零件出现老化、磨损等情况，则转子在高速运转中也可能出现偏移。这种偏移严重时会导致转子与静子产生碰摩。转子与静子间碰摩受力，如图1 所示。

图1 转子与静子间碰摩受力图

摩擦切向力Fn和法向力Ft可表示为

式中：z为转子位移；δ为转子与静子间的距离；Kc为静子刚度；f为两者之间的动摩擦系数。

根据转子中心在x轴与y轴上的偏移量求出z，即

坐标系中，Fn与Ft的关系可以表示为

由于sinα=y/z和cosα=x/z，则有

2.2 转子质量不均衡

80%的汽轮机振动故障是由汽轮机转子质量不平衡引起的。这种不平衡通常会导致质量中心与圆心发生偏移，从而使转子转动产生的离心力发生周期性变化，进而引发一种周期性振动。设F为离心力，其与转子旋转角速度w、偏心距离e、转子偏心质量m的关系可以表示为

转子质量不平衡的原因较为复杂。原始不平衡、转动中出现部件飞脱或松动、转子发生热弯曲等情况，都可能导致其出现质量不平衡问题。其中，原始不平衡是最常见的诱因，是加工制造或者部件更换过程中存在的问题。这种不平衡引发的振动通常较为稳定，不会过多受机组参数和启动方式的影响，也不存在与升速或带负荷的时间延续方面的直接关联。

2.3 相邻转子之间发生偏移

相邻转子之间发生偏移会导致转子不对中，而偏移情况的不同导致其可能存在平行不对中、角度不对中、组合不对中3 种情况，如图2 所示。

图2 相邻转子之间发生偏移的3 种情况

2.4 转子裂纹

转子裂纹会导致转子在低速下的晃度增大。这种变化可以从两方面进行比较，分别为与以往晃度的比较和停机时的晃度与启动时的晃度比较。在进行这种比较时，最好用晃度的转频值（1×的幅值和相位）比较，通过相位判断弯曲的方向。转子裂纹会增大转子的振动。这种变化可以从工作转速的振动和临界转速的振动两方面进行比较。转子裂纹引起的振动变化在经过一阶临界转速时的表现更明显。此外，转子裂纹会由于转子刚度不对称引起2×振动。转子存在裂纹时，视其挠度方向使横向裂纹张开（受拉力情况）或闭合（受压力情况）。转轴在裂纹张开时刚度小，闭合时刚度大，使转子的刚度呈现非线性，出现高次谐波（2×、3×、4×…）振动，表现为振动随负荷而增大。

转子裂纹的产生原因主要包括交变应力和应力集中。交变应力可以使材料疲劳断裂，转子上存在2 种类型的交变应力，分别为横向振动引起的弯曲变形使转子出现应力和正常运转时旋转机械的转子产生稳定的扭转应力。但是，在故障状态（甩负荷、短路、非同步并网等），转子将产生交变扭矩，从而出现交变的剪切应力。应力集中经常发生在转子被削弱的地方，如轴的阶梯部位、键槽、孔（叶轮的平衡孔、转子内孔）、螺纹以及装配处的间隙等。所有紧固在转子上的零件在紧固表面会形成一个潜在的应力集中区域。

3 火力发电厂汽轮机异常振动的诊断与解决措施

3.1 转子与静子之间碰摩的诊断与解决

汽轮机转子与静子之间的碰摩引起的异常振动，可以通过8 种方法进行诊断和处理。第一，观察振动波形和频谱。异常振动通常表现为在频谱中出现高频分量，波形出现“削顶”现象。通过观察振动波形和频谱，可以初步判断是否存在碰摩。第二，分析振动特征。碰摩引起的振动特征包括振动幅值随转速升高而增大、振动相位随转速升高而变化以及振动频率与转子固有频率相近等。分析振动特征，可以进一步判断是否存在碰摩。第三，检查动静间隙。检查动静间隙的大小，可以判断是否存在间隙过小或消失的情况。如果发现间隙过小或消失，需要及时采取措施进行调整。第四，检查转轴振动。检查转轴的振动情况，可以判断是否存在质量不平衡、转子弯曲或轴系失稳等问题。如果发现转轴振动过大，需要及时采取措施进行处理。第五，检查轴承箱。检查轴承箱的工作情况，可以判断是否存在轴承磨损、烧瓦等问题。如果发现轴承箱存在异常，需要及时采取措施进行处理。第六，调整轴封间隙。如果发现轴封间隙过小或消失，可以调整轴封间隙来解决问题。调整轴封间隙时需要注意不要过大或过小，以免影响转子的正常工作。第七，控制温差。如果发现温差过大，可以控制温差来解决问题。控制温差时不要过度冷却或加热，以免影响系统的正常工作。第八，加强轴承箱维护。加强轴承箱的维护工作，可以减少轴承磨损、烧瓦等问题的发生。加强轴承箱维护时要注意定期更换润滑油、清洗轴承等[3-5]。

3.2 转子质量不均衡的诊断与解决

针对汽轮机转子质量不均衡问题，实践中需要及时诊断、及时处理。第一，观察振动特征。质量不均衡引起的振动特征包括振动稳定、振幅和相位受机组参数影响不大、与升速或带负荷的时间延续没有直接关联、不受启动方式的影响等。观察振动特征，可以初步判断是否存在质量不平衡问题。第二，进行动平衡试验。进行动平衡试验，可以确定转子是否存在质量不平衡问题，并找出不平衡量的位置和大小。在进行动平衡试验时，需要注意选择合适的平衡转速和平衡方法，以保证试验结果的准确性。第三，检查转动部件。检查转动部件的工作情况，可以判断是否存在部件飞脱或松动等问题。如果发现转动部件存在问题，需要及时采取措施进行处理。第四，检查转子热弯曲。检查转子的热弯曲情况，可以判断是否存在由于热弯曲引起的质量不平衡问题。如果发现转子存在热弯曲问题，需要及时采取措施进行处理。第五，控制转动部件的飞脱和松动。采取加固措施、更换损坏部件等方法，可以控制转动部件的飞脱和松动。第六，提高制造和检修质量。在制造和检修过程中，需要加强对转动部件的检查和检测，确保其工作正常。

3.3 相邻间转子偏移的诊断与解决

相邻间转子偏移导致的转子不对中，在实践中可通过观察振动特征、进行对中检查、分析频谱特征等方式进行诊断。其中：观察振动幅值、频率、相位等振动特征，可以初步判断是否存在转子不对中问题；检查对中转子的轴线和轴承、联轴器等部件的位置，可以确定是否存在不对中问题；采用频谱分析仪分析振动信号，可以确定不对中引起的振动频率和幅值，从而判断是否存在转子不对中问题。

该问题的日常预防和解决方法主要有4 个方面。第一，调整轴承和联轴器等部件的位置。通过调整轴承和联轴器等部件的位置，可以使转子的轴线与轴承、联轴器等部件的中心线重合，从而消除不对中问题。日常调整时，可以采用千分表等工具进行检测和调整。第二，更换轴承和联轴器等部件。如果轴承和联轴器等部件磨损严重或损坏，需要更换新的部件，但需要注意确保新部件的尺寸和精度符合要求，以免出现新的不对中问题。第三，加强基础支撑。基础支撑不牢固或沉降不均，会导致转子不对中问题。因此，实践中可以采用加固基础、更换支撑部件等方法来加强基础支撑。第四，采用柔性联轴器。柔性联轴器可以补偿一定的不对中量，从而减轻不对中问题引起的振动和磨损等问题。实践中可以选择合适型号和规格的柔性联轴器，确保其补偿能力符合要求。

3.4 转子裂纹的诊断与解决

转子裂纹通常会使转子的刚度下降，导致整体刚度不对称。而在转子实际转速达到临界转速时，会呈现出以2×振动为主的振动模式。具体特征如图3所示。

图3 转子裂纹特征

对于转子裂纹的处理，应根据裂纹的不同情况采用不同的措施。对于转子外表面发生的微小裂纹，可以采用打磨处理。当裂纹深度小于0.5 mm 时，可以直接用砂布打磨；当裂纹深度为0.5 ～3.0 mm 时，可用砂布打磨后再用抛光机抛光。对于较大的裂纹，可以采用补焊的方法进行处理。补焊时应采用与转子材料相同的焊条，并按照相应的焊接工艺进行操作。补焊后应进行热处理，以消除焊接应力。如果转子裂纹比较严重无法采用补焊的方法进行处理，可以考虑更换转子。更换转子时需要注意新转子的材料、尺寸和精度等参数与原转子相同。

4 结语

汽轮机异常故障振动存在较大危害，所以必须了解其异常振动的原因，以便采取有效的诊断和解决措施。随着自动化控制技术的发展，该技术为汽轮机的异常振动诊断带来了新的思路。火电厂要进一步加大对汽轮机异常振动诊断研究的投入，缩短异常处理时间，避免二次故障。为了提高振动诊断的正确率，企业要加强技术人员培训，升级检测设备。