浅析汽轮机振动的原因

浅析汽轮机振动的原因
摘要：我国电力产业发展最迅速的就是火力发电，火力发电是人们生活用电的最重要来源，是我国最主要的供电来源，所以，火电厂的维护需要对火电厂的发电设备进行定期检测和维修。

汽轮机的检测和维修是确保发电机正常运营非常重要的步骤。

火电厂汽轮机在正常的运行过程中受到很多因素的影响，特别是汽轮机异常振动，对于汽轮机的安全稳定运行有着非常重要的影响。

如果汽轮机出现异常振动预示着汽轮发电机在运转的过程中存在着安全隐患，预示着汽轮发电机组存在着故障，需要进行检修。

关键词：汽轮机；振动；原因
前言：在汽轮机运行过程中，振动可以说是非常重要的一个问题，也是导致很多故障发生的主要因素。

为了能够做好其振动情况的避免，尽量减小振动，就需要在把握问题发生原因的基础上做好防止措施的应用。

本文就汽轮机运行中的异常振动及防止措施进行一定的研究与分析。

1.汽轮机工作原理及优势
蒸汽是汽轮机的动力来源，其通过蒸汽机的热能能够获得机械能，而支持机械运动。

高效是人们广泛使用汽轮机的主要原因，与其它相等同的机器相比其所带来的单机功率更高，运行过程更加平稳。

但是由于在设备中存在着喷嘴和叶片等部件，因而其又具有较强的消耗性，经过长时间的运行后，汽轮机工作中也会出现一些故障，比如汽轮机振动。

汽轮机振动会对整个火电厂生产运行系统产生不良影响，为此，应当加强对汽轮机故障的检查，分析原因并且及时解决，避免对电力系统的运行造成影响。

2.关于振动故障
2.1火电厂汽轮机的振动
物体与相应平衡的位置相偏离后，相应的反复性连续运动的形式也会在相应位能和动能的基础上出现，这就是我们常说的振动。

在冲击力次数的影响下，我们将振动分为自激振动和强迫振动这两种形式，前者所形成的振动是在遭受一次冲击力以后形成的，后者振动是受到周期性力变化产生的。

我们通常根据频率、振幅、方向和相位等四个方面来描述振动。

在日常汽轮机的工作中振动大小即是振幅，常用两种形式表示，一种是单向，一种是双向。

在火电厂汽轮机的振动中，相对转子和信号最大值的某点相对位置便是相位。

汽轮机在每一秒钟的振动出现的次数即为频率。

我们通常将方向分为三个，分别是轴向、纵向和横向。

强迫振动的激振力和振幅大小成正相关，振动频率与激振力的频率相等；振动的相位和激振力的相位相关。

通常情况下，机组的振动在所难免，但振幅在可控值域内，就是安全的。

如果因为轴承支撑的刚度不够引起振动扩大的现象，本来合格的振动就会变成不合格的振动。

2.2振动给火电厂汽轮机带来的危害
振动是衡量整个火电厂机组安全、汽轮发电机组的检修质量和经济运行的重要指标。

整个机组的安全经济运行会因为汽轮机运行振动过大而遭受损害，在运行的过程中，汽轮机的振动较大，对各部件起连接作用的零件也会发生松动、脱落，难以保证机组的安全运行；过大的振动，加大动静部件和支撑零件的摩擦力度，加剧电刷和滑环的磨损，静子槽楔会因此而松动，磨损绝缘部件。

3.汽轮机振动原因及防治
3.1油膜震荡
（1）原因分析。

油膜震荡产生的主要原因是汽轮机的转子在运行过程中失
去正常运转的稳定性。

当转子正常运行时，其转轴是围绕着轴线转动的，而当转
子不能稳定运行时，转轴会围绕着平衡点涡动。

一旦半速涡动的速度和转子临界
转速一致，共振会放大半速涡动，就会出现激烈震荡。

当转速高于临界转速两倍
的时候，这种情况会成倍加剧，从而形成油膜震荡。

（2）故障处理。

通常对于油膜震荡的处理措施有以下几种：第一、将轴瓦
比压加大；第二、将瓦顶部间隙减小或者将轴瓦轴承合金的宽度加大；第三、缩
小轴颈与轴瓦的接触间隙，圆筒形轴瓦的顶部间隙为轴颈大于100mm时为轴颈
直径的1.5-2/1000。

两侧间隙为顶部间隙的一半，椭圆形轴瓦的顶部间隙为轴颈
大于100mm时为轴颈直径的1-1.5/1000，两侧间隙为轴颈直径的 1.5-2/1000；第
四、通过使用粘度较小的润滑油或提高油温的方式来减低润滑油的动力粘度；第
五、减少转子原有不平衡因素的比重。

3.2摩擦振动
（1）原因分析。

摩擦振动故障的产生要从对摩擦振动过程中的具体状态变
化出发进行分析。

通常在汽轮机运转的过程中，转子因受热而变形，进而导致出
现新的不平衡力。

同时，汽轮机组运转的环境十分复杂，一般都会在摩擦的过程中，整个振动的振幅和相位存在一定程度的波动，而这种波动出现的时间有一定
的持续性。

另外，当汽轮机内部部套及转子因受热而发生变形时，重摩擦的一边
会由于温度的升高而导致另一边出现轻摩擦，从而使转子的两边温度失衡而导致
受热不均的问题。

这些状况最终会使机组局部受热过高，令转子的局部结构受热
而发生变形，变形的转子会增加不平衡力，从而导致产生新的振动。

（2）故障处理。

在实际面对摩擦振动故障问题时，相关工作人员一般提倡
做好事前预防工作，有效避免摩擦振动的产生相比问题出现再解决提供很多便利。

通常在汽轮机组的日常维护过程中，维修人员会详细检查汽轮机组内部是否存在
过量的非正常运转摩擦声音，以便及时发现问题并请相关专业人员对其进行检修，一旦出现部件损坏过重的情况，也可以及时进行更换。

做好这些事前预防工作，
可以有效避免摩擦振动对汽轮机组运行的不良影响。

3.3汽流激振
（1）原因分析。

如果汽轮发电机组在运转过程中超负荷的话，轴振动程度
会不断升高。

如果减少工作负荷的话，就会出现振动程度降低的情况。

如果发电
机组工作的振动频率与某个转子的临界转速相同或者气流激振对转速有所影响的
情况，都会导致这些问题。

汽流激振的产生实际上是叶片在受力过程中遇到的气
流冲击不均衡而导致的。

（2）故障处理。

运行维护人员需要通过对汽轮机组一年及以上的振动记录
进行气流激振特征的具体分析来解决汽流激振故障。

运行维护人员需要以每次机
组振动的详细记录为基础，对机组满负荷工作下的数据进行详细的记录然后进行
具体的分析和处理，并将这些数据用曲线图的方式直观表现出来，然后观察和发
现曲线的变化规律。

通过这样具体的分析，可以有效确定汽轮机组的汽流激振的
状态变化，然后就可以有效避免汽流激振故障的产生和控制其出现频率。

一般来说，可以采用降低负荷变化率或合理控制汽流激振负荷范围两种方法来解决这一
故障问题。

3.4转子热弯曲
（1）原因分析。

机组转子热弯曲出现的原因有很多种，最常见的就是转子
由于自身热度引发的应力、在运行中汽缸存在着进水现象、汽缸中进入了冷空气
和汽缸之间动静摩擦、中心孔进油、发电机转子冷却存在着差异，这些原因都有
可能造成转子出现热变形。

转子的弯曲变化非常容易造成汽轮机组振动异常。

转
子的热弯曲可能是临时性的产生危害，也有可能是永久性的产生危害，这两种可
能性造成的危害有所不同，但是他们都是由于同转子质量偏心有关，因此，会引
发与质量偏心类似的旋转矢量激振力。

周弯曲能够使两端产生锥形运动，使轴向
产生巨大的工频振动。

在转轴发生弯曲的过程中，由于弯曲导致的弹力和转子不
平衡产生的离心相位不同，这两者间相互作用，抵消彼此的作用力，在某个转速
情况下，转轴的振动幅度会减小，形成了“凹谷”的相撞，这一点与转子不平衡导
致的动力特征存在着很大的不同。

当不平衡值比弯曲作用力的值大，振幅的减少
量在临界转速之下；当不平衡值比弯曲作用力的值小，振幅的减少量在临界转速
之上。

（2）故障处理。

针对转子热弯曲这一故障的解决措施是及时的更换新的转子，从而降低汽轮机组的异常振动，没有强烈的振动，不会出现相应强度的作用力，更加不会出现汽轮机异常振动的现象。

3.4膨胀不均
（1）原因分析。

如果汽轮机在运行当中受热不均匀、或者其膨胀过程受到
阻碍，则也可能导致振动情况的发生。

此时，汽轮机轴承的标高以及位置在发生
改变的情况下，就会使转子因位移发生对轴承的刚度进行减弱，并导致机械振动
情况发生。

该问题的主要原因有：第一，机组在启动过程中存在疏水补偿的情况，在实际运行中，部分疏水因受到水汽影响则出现了膨胀不均以及受热变形等情况，并在运行中出现摩擦振动问题；第二，其在运行以及冲转过程中因转子受热不均
而出现变形或者弯曲情况，并因此使润滑油油压同油温出现超出正常运行参数的
情况，在使两者膨胀情况不一致的情况下导致振动发生。

（2）故障处理。

对于膨胀不均情况来说，其主要是因加热或者受热过程中
产生阻碍而引起的，对此，就需要在对其正式应用之前做好一遍全面的检查，看
阻碍是否得到彻底的排除、管道通畅性是否良好等等，并注意在疏水时是否具有
疏水存在于机体或者管道当中，如果是，则需要及时对其进行清洗。

3.5其他故障处理
（1）金属汽缸温度与热压力间配置不协调情况，该类问题发生主要是因机
械设备使用时间过长，或者没有对参数进行正确设置引起的，并因此导致其出现
运转失灵情况。

在该种情况发生之后，需要及时做好设备的检查，看各部件是否
存在变形情况，在及时做好故障设备更换的同时实现运行参数的调整。

（2）动静摩擦，该类问题出现的原因主要是没有对汽轮机进行合理设计，
例如一味追求机组运行效率而将汽轮机通流间隙或径向汽封间隙设计或安装过小，在机组运行过程中产生轴向或径向摩擦从而造成设备损害，对此，就需要对效率
方面的要求进行适当的降低，通过对汽封齿等问题零部件的及时调整或更换处理
防止动静摩擦出现。

4.案例分析
4.1项目概况
某热电厂2号机组系亚临界、330MW汽轮发电机组，轴系如图1所示。

该
机组自2012年进行蜂窝汽封改造后，在每次启动过程（特别是冷态启动）中，
高中压转子在低负荷工况下出现大幅的振动波动，且常常超过振动保护值而跳机
（见图2），这给设备的安全、稳定运行带来较大的风险。

图2启动升负荷过程中，高中压转子振动等参数的趋势
4.2动静碰摩的溯源分析及处理
（1）依据汽缸膨胀不畅的故障机理进行振动处理
1）对滑销系统的安装间隙进行检查，发现前箱下部的滑销没有间隙，随后在前侧左、
右滑销分别加垫，把滑销间隙调整为0.10mm。

2）汽缸滑销及推拉装置的外观检查，并进行
加润滑脂处理，但实际注入油脂量十分有限。

3）检查与高中压缸相连的大口径管道，未发
现存在错位或憋劲的地方。

4）查询各抽汽温度均处于正常范围，各疏水正常，未发现缸体
被急剧加热或冷却。

（2）依据汽封部件变形的故障机理进行振动处理
1）在2012年6月，2号机组把迷宫汽封改造为蜂窝汽封后，就出现了高中压转子在低
负荷工况的振动波动故障。

相比于其他汽封，蜂窝汽封的显著特点就是良好的耐磨和密封特性，比如2003年10月，哈尔滨汽轮机厂在模拟试验机上试验结果就表明：蜂窝汽封耐磨损
性能为铁素体迷宫汽封的2.5倍；在相同汽封间隙和压差的条件下，蜂窝汽封比迷宫汽封平
均减小泄漏损失约30%～50%。

2）在冷态启动过程中，机组处于低负荷工况下、进入自密封前，高中压缸轴封供汽来源于辅汽联箱（即邻机的四级抽汽），温度都在350℃左右，而轴
封附近的缸壁温度此时还处于加热过程中，与排汽温度基本相符，大约260℃。

这表明在低
负荷工况下，由于汽轮机工艺设计的特点，轴封供汽与其附近高中压缸壁温度总会有90℃左
右的温差。

3）相比于迷宫汽封，2号机组高中压轴封采用蜂窝汽封后，由于轴封级间泄漏小，使得高温轴封供汽被堵在轴封套内，减少了轴向流动，与轴封体及其附近缸壁温差更为明显
和持久，继而引发了轴封体变形，同时在一定程度上会影响汽缸的膨胀。

4）迷宫汽封由于
存在环形腔室，工质的环向流动会产生自激扰动，当汽封间隙较小时，就容易出现汽流激振，而蜂窝汽封的蜂窝带结构会把类似于迷宫汽封的环形腔室割裂，减小了圆周方向的力，大大
减弱了汽流激振产生的可能性，这就使得蜂窝汽封的设计动静间隙更小5）高中压转子远离
一阶临界转速，处于二阶振型运行，而两端轴封恰好是振型曲线的高点，这就使得运行中更
容易在轴封处发生动静碰摩。

结束语：
振动故障会严重影响火力发电厂机组的正常运行。

通过分析发电厂汽轮机振动故障产生
的原因及排除方式，给出相应的改善措施。

振动故障是在正常运行的情况下难以避免的事情，我们只有通过有效的措施减少振动故障出现，降低火力发电厂振动故障的发生率。

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