汽轮机振动及事故处理

碰摩发生的机理
• 全周碰摩
碰摩的种类
• 转子在它转动的一周中始终与静子保持接触。
• 发生全周碰摩的静子在360°周向都要接触，转子可以是只有 部分弧段接触，也可以是全局接触。
• 部分碰摩
• 开机过程中，上下缸温差过大，造成缸体弯曲变形，是碰摩弯轴的主 要运行原因之一。
碰摩的后果：
• 轻的： • 汽封磨损→汽封漏汽量增大→降低汽轮机效率
• 重的： • 叶片断裂、主轴的部位：
• 隔板汽封 • 叶片围带汽封 • 轴端汽封 • 各轴承的油挡部位 • 发电机的径向碰摩通常发生在密封瓦处
• 碰摩使转子产生非常复杂的振动，是转子系统发生失稳的一个重要原 因，轻者使得机组出现强烈振动，严重的可以造成转轴永久性弯曲， 甚至整个轴系毁坏。
• 对碰摩的故障特征，进行了许多研究，但是，这些研究结果和实际情 况还有距离，因为相同的特征对应着许多其它的故障。
• 碰摩的诊断是目前具有一定难度的主要振动故障。
常见振动故障的诊断
• 下面介绍机组常见振动故障特征、判断方法。
• 质量不平衡 • 转子的弯曲 • 动静碰摩 • 油膜失稳和汽流激振 • 结构共振 • 结构刚度不足 • 联轴器不对中 • 裂纹转子 • 转子中心孔进油 • 转子截面刚度不对称
质量不平衡
• 转子质量不平衡是汽轮发电机组最常见的振动故 障，它约占了故障总数的80％。随着制造厂加工 、装配精度以及电厂检修质量的不断提高，这类 故障的发生率正在逐渐减少。即使如此，质量不 平衡目前仍是现场机组振动的主要故障。
1X
振动突增，相位突变到定值，伴随声响
衡块）飞脱
5 转轴不对中 6 联轮器松动 7 动静碰摩 8 油膜涡动 9 油膜振荡
1X、2X 1X 、2X等 1X、整分数、倍频 0.35~0.5X
fcril
高的2X或3X振幅，1/2临界转速有2X共振峰，“8”字形轨迹 与负荷有关 内环或外环轨迹，振幅、相让缓慢旋转；或根幅逐渐增加
• 运行中加强对机组振动的监视，及早发现动静摩擦。
• 在第一临界转速以下汽轮机轴承振动达到0.04mm时，必须打闸停机 ，不得盲目升速或降速暖机。
• 起动前必须认真检查主轴的晃度、上下缸温差及冲转参数， 在冲转条件不具备情况下，严禁起动。
动静碰摩
• 汽轮发电机组转动部件与静止部件的碰摩是运行中常见故障。随着现 代机组动静间隙变小，碰摩的可能性随之增加。
汽轮发电机组振动故障特征汇总表(续)
序号
故障名称
14 转子中心孔进油
15 转轴截面刚度不对称
16 轴承座刚度不对称
17 轴承磨损
18 轴承座松动
19 瓦差松动，紧力不足
20 瓦体球面接触不良
21 叶轮松动
22 轴承供油不足
23 匝间短路
24 冷却通道堵塞
25 磁力不对中
26 密封瓦碰摩
频谱特征 1X、0.8X～0.9X
a = (A1-A0)/Pt = (140 mm∠269°- 97 mm∠277°)/ 781g∠135° = 0.0589(mm/g) ∠116.9°
• 计算最终加重量： P = 1646.9g∠340° • 加重后的结果： A = 17 mm∠121°
转子的弯曲
转子热弯曲
• 转子热弯曲引起的质量不平衡的主要特征是工频振动随时间的 变化。
• 永久性弯曲是设备事故，使设备不能投入运行，必须进行直轴处理，将会造成很大的 经济损失
转子永久性弯曲产生的原因：
• 动静摩擦→转子径向局部过热膨胀→弯曲
• 当转速低于第一临界转速时，主轴的弯曲方向和转子不平衡离心力的作用方 向基本一致，往往产生愈摩愈弯、愈弯愈厚的恶性循环，以致使主轴产生永 久性弯曲。
• 每年全国都会有几台大机组发生动静碰摩而出现大振动，但在处理过程中 却往往要走弯路。需要进行多次开机，平衡加重或支撑加固，为此延误数 周已是常事。最终开缸检查，方发现汽封或通流部分已严重摩擦。
机组碰摩原因(1)
• 机组动静碰摩通常有下列起因： • 转轴振动过大。 • 不管何种起因，大振动下的转轴振幅一旦大到动静间隙值，都可能与静止部 位发生碰摩。因此，碰摩常常是中间过程，而非根本原因。 • 由于不对中等原因使轴颈处于极端的位置，整个转子偏斜。 • 非转动部件的不对中或翘曲也会导致碰摩。
• 随机组参数的提高和高参数下运行时间的延续，工频振幅逐渐增大， 相位也随之缓慢变化，一定时间后这种变化趋缓，最终基本不变。
• 存在热弯曲的转子降速过程的振幅，尤其是过临界转速时的振 幅，要比转子温度低启机升速时的振幅大。
• 两种情况下的波特图可以用来判断是否存在热弯曲。为此有时需要安 排专门的试验，机组不采用滑参数停机的方式，较快地减负荷，以观 察转子温度高的情况下降速过程的幅频特性，和冷态启机时进行比对 。
汽轮发电机组振动故障特征汇总表
序号
故障名称
1 原始质量不平衡
频谱特征 1X
其它特征 振幅、相位随转速变化，随时间不变，轴心轨迹呈椭圆轨迹或圆轨迹
2 转子原始弯曲
1X
低转速下转轴原始晃度大，临界转速附近振动略减小
3 转子热弯曲
1X
振幅、相位随时间缓慢变化到一定值，转子冷却后状况恢复
4 转动部件（叶片、平
现场动平衡加重实例——影响系
数法
• 某200MW机组大修后启动，3000 rpm时3瓦垂直方向振动约100mm，决 定进行动平衡
• 平衡计算过程如下：
• 原始振动：A0 = 97 mm∠277° • 在接长轴试加重：Pt = 781g∠135° • 再次启机3000rpm，测：A1 = 140 mm∠269° • 计算影响系数
2X 2X 1X、次同步 1X 1X、分频、1/2X 1X和其他 1X 1X 1X、2X 1X 2X 1X、2X
其它特征 与启动次数有关，随定速、带负荷时间而逐渐增大 1/2临界转速有2X振动峰 垂直、水平振动差别大 1X、1/2X、1.5X高 与基础振动差别大 可能出现和差振动或拍振 振幅不稳定 相位不稳定，但恢复性好 瓦温、回油温度过高 和励磁电流有关 与风压、时间有关 随有功增大 振幅逐渐增大
原始不平衡
• 原始质量不平衡指的是转子开始转动之前在转子上已经存在的不平衡 。它们通常是在加工制造过程中产生的，或是在检修时更换转动部件 造成的。
• 这种不平衡的特点：
• 除振幅和相位的常规特征外，它的最显著特征是“稳定”，这个稳定是指 在一定的转速下振动特征稳定，振幅和相位受机组参数影响不大，与升速 时或带负荷的时间延续没有直接的关联，也不受启动方式的影响。
• 另外，套装转子在装配时，由于偏斜，蹩劲也会造成主轴弯曲
防止主轴弯曲的措施：
• 汽轮机安装时，必须考虑热状态变化，合理调整动静间隙， 以保证在正常运行工况下不会发生动静摩擦。
• 汽缸应具有良好的保温条件，保证在正常起动和停机过程中 不产生过大的上下部温差。
• 主蒸汽、再热蒸汽及抽汽管道必须有完善的疏水系统。在停 机后注意切断与公用系统相连的各种水源，严防汽缸进水。
• 停机后，汽缸、转子金属温度较高，汽缸内任何意外原因进冷水，也会 造成主轴弯曲
• 进水后，汽缸产生拱背变形，盘车被迫停止 • 静止的高温转子下半部被水浸泡，当上下温差达到150~200℃时，就会造成
主轴永久性弯曲。
• 转子的原材料存在过大的残余内应力，在较高的温度下经过一段时间的 运行后，内应力逐渐得到释放，从而使转子产生弯曲变形。
• 飞脱时产生的工频振动是突发性的，在数秒钟内以某一瓦振或轴振为 主，振幅迅速增大到一个固定值，相位也同时会出现一个固定的变化 。相邻轴承振动也会增大，但变化的量值不及前者大。这种故障一般 发生在机组带有某一负荷的情况。
• 发生松动的部件可能有护环、转子线圈、槽楔、联轴器等。
• 部件松动所造成的工频振动大的情况可以发生在升速、定速或带负荷 过程。有的情况下大振动会变小，出现波动现象。
• 处理手段：低速动平衡，高速动平衡。
转子不平衡（Rotor Imbalance）
Mass centerline Shaft centerline
Static imbalance
Mass centerline
Shaft centerline Coupled imbalance
9
质量不平衡的一般特征
低频的出现与转速有关
在一定转速出现，突发性的大振动，频率为转子第一临界转速，大于 1X振幅
10 汽流激振
fcril
与负荷密切相关，突发性的大振动，频率为转子第一临界转速，改变
负荷即消失
11 结构共振 12 结构刚度不足 13 转子裂纹
1X、分数、倍频 1X
1X、2X
存在明显的共振蜂，与转速有关 与转速有关，瓦振轴报接近 降速过1/2临界转速有2X振动峰，随时间逐渐增大
第三章 汽轮机几种典型运行事故
汽轮机常见故障
• 机组振动 • 油系统着火
• 水冲击 • 超速
机组振动故障
机组振动故障的现场处理要 求
• 近几十年国内有关单位对机组振动故障处理的历史和经验教 训说明，对振动故障的定性一般并不困难，但在确定故障的 具体原因时，由于对造成故障的机理分析有分歧，使得误判 时有发生。因此，机组振动故障的诊断除需要现场经验外， 还应该掌握一定的基础理论和科学的分析能力，这样才能快 捷地找出故障的确切原因，提出正确的根治措施，而不致盲 目地一概采用现场高速动平衡的方法，使得表面上振动有所 减小，实际上没有根治，机组经过一段时间的运行或检修后 ，振动重复出现。
机组碰摩原因(2)
• 动静间隙不足
• 有时是设计上的缺陷所造成的。也经常是安装、检修的原因，动静间 隙调整不符合规定所致。
• 动静间隙是受多种因素影响的。如:
• 真空、凝汽器灌水、缸温等， • 即便在开缸状态下调整好，扣缸后的上下间隙也要变化
• 缸体跑偏、弯曲或变形
• 机组高压转子前汽封比较长，启机中参数掌握不当容易造成这个部位 发生碰摩，进而造成大轴塑性弯曲。全国大约有近30台机组发生过这 样的故障。
• 最关键的特征是：稳定的工频振动在整个信号 中占主要成分。
• 工频振幅为主的状况应该是稳定的，这包括：
• 各次启机； • 升降速过程； • 不同的工况，如负荷、真空、油温、氢压、励磁电
流等。
• 工频振动的相位同时也是稳定的。 • 第二个主要依据是这种状况的重复性。
转子质量不平衡的分类特征
• 汽轮发电机组转子的质量不平衡产生的原因有三个： • 原始不平衡； • 转动过程中的部件飞脱、松动; • 转子的热弯曲。 原始不平衡是主要原因。
平衡质量块飞脱的一个案例
• 某电厂的200MW机组大修后启机，3、4号轴承振动大进行动 平衡，接长轴联轴器加重1600g，用两个M14的螺钉固定， 升速到2600rpm时，3号轴承附近发出一声响声，振动增大 ，立即停机，发现平衡块飞脱。2600rpm平衡块飞前，3号 轴振为 179mm∠14°，瓦振为 41mm∠69°，飞后3号轴振 为 220mm∠60°，瓦振为 47 mm∠118°，平衡块飞脱使得 轴振和瓦振相位变化约60°，轴振振幅增加40mm，瓦振振 幅增加 6mm。
• 具体所测的数据中，在同一转速，工况相差不大时，振幅波动约20％，相 位在10°~20°范围内变化的工频振动均可以视为是稳定的。
• 对于新机组，原始不平衡在第一次升速就会显现出来，在对转子进行 任何处理之前的升降速振动数据中，特征重复性很好。
转动部件飞脱和松动
• 汽轮发电机组振动发生转动部件飞脱可能有叶片、围带、拉金 以及平衡质量块；
• 一旦转子温度降低，转子的弯曲会很快恢复。因此，测试必须 在转子弯曲没有完全恢复前进行。
转子热弯曲产生的原因
• 新机转子的热弯曲一般来自材质热应力。这种热弯曲状态是 固有的、可重复的，因而可以用平衡的方法处理。
• 有时运行原因也会导致热弯曲。如：汽缸进水、进冷空气、 动静碰摩等。只要没有使转子发生永久塑性变形，这类热弯 曲都是可以恢复的，引起热弯曲的根源消除后，工频振动大 的现象也会随之自行消失。
• 发电机转子也常会因为通风道堵塞引起转子一测温度高于对 面一侧，转子发生类似于一阶振型的弯曲，它自然对一阶振 动影响最大，表现最明显应该在过一阶临界转速时的工频振 动增大。
转子永久性弯曲
• 当转子最大内应力超过材料的屈服极限，使转子局部产生塑性变形，当外力和热应力 消除后，变形不能消失，称为：塑性弯曲，也称永久性弯曲