转子材料缺陷引起的振动问题分析

汽轮发电机组转子材质缺陷引起的振动问题分析

0前言

锻件毛坯质量对于保证加工后的汽轮发电机组转子安全稳定运行极为重要。当制造厂出厂的转子材料存在明显的组织不均匀或残余内应力过大时，机组运行中就会发生转子热弯曲或永久弯曲，造成振动增大及波动，甚至振动超过限值引

起机组跳机，对机组的安全运行构成严重威胁。

目前国内生产的大型汽轮发电机组转子的锻件毛胚大多从日本、意大利等工业发达国家进口，还有一些由国内一重和二重提供。随着国内外合金钢冶炼技术和锻压技术的提高，总体而言这些进口及国内生产的转子锻件毛坯质量较好，但由于锻件设备生产周期短、质量控制不严等原因，仍有极个别的转子锻件毛坯材质出现质量问题。如果汽轮发电机组制造厂转子毛坯进货把关出现漏洞，或没有进行相关的退应力热处理试验时，这些问题锻件毛坯加工后的转子在运行中会出现不稳定振动问题，有时在现场无法处理，严重影响机组安全稳定运行，给发电用户造成很大的经济损失。

本文将着重对转子锻件毛坯缺陷引起的振动机理、振动特点进行阐述,并给出近年在国内电厂发生的三个与转子材质缺陷有关的振动分析和处理实例予以说明。

1材质缺陷转子引起的振动机理和特点

1.1转轴材质不均匀

转子材质不均匀是指转子锻件内部存在气隙、夹杂、鼓泡等因素形成转子径向纤维组织不均匀，使材料的物理特性存在各相异性。这类问题通常是在锻件生产和热处理过程中的缺陷引起的。在机组运行中当材质各项异性的转子受热以后，转轴将会产生不均匀的轴向或径向膨胀，引起转子出现热弯曲，即热态下转子的质心较冷态时发生变化，引起不平衡振动。

该不平衡振动的大小与转子的受热状态有直接的关系。由于汽轮机工作环境温度较高，如果转子材质存在组织不均匀缺陷，相比发电机转子，则弯曲量可能更大，对振动的影响也更显著。

这类材质缺陷问题引发的振动特点通常与大多数热弯曲转子呈现的一样，冷态（空载）振动不大，带负荷后，当转子温度达到一定数值后，振动开始爬升，严重时超过限值引发跳机。振动高位时立即停机惰走通过转子一阶临界转速时的振动较冷态启动时增大许多，低转速时转子晃度也比冷态启动时增大许多。当机组降负荷或解列后，转子温度降低，振动一般也随之减小，当然振动的较小与降负荷过程有一定的时间滞后。

1.2转轴残余内应力过大

转子毛坯在锻压过程中在其内部会产生很大的残余应力。通常情况下毛坯锻件应堆放在室外较长一段时间进行自然时效来释放内应力，或在恒温炉中进行去除应力的热处理试验，保证锻件内的残余内应力降至合理的水平，然后再对其进行机械加工制成转子成品。如果锻件毛坯的时效时间不够，或未进行去除应力的热处理试验及去除应力热处理试验工艺不当时，则该锻件毛坯加工后的转子残留的内应力在机组运行过程中将不断释放，造成转子发生永久弯曲进而引发强烈振动。

转子弯曲量大小与其残余内应力释放过程有关，造成振动的爬升与机组运行的时间及转子温度都有一定关系。通常情况下，工作转速下的振动随运行时间是逐渐爬升的，但当转轴弯曲量达到一定程度后，也会造成启、停机通过转子一阶临界转速时的振动显著增大。而且因转子在运行时内应力的释放需一段时间过程，在某个阶段转子弯曲产生的振动值可能已经超限引起机组跳机，故在现场很难根据振动数值大小确定转子残余内应力是否已经释放完毕。

不像材质不均匀转子在运行中产生的是转子热弯曲，其在冷态下振动一般都会逐渐恢复到原始值附近，如空载或冷态启动过一阶临界转速时振动基本保持不变，而残余内应力过大的转子在运行中产生的则是永久弯曲，会引起冷态和热态振动同时增大，包括启、停机通过临界转速时的振动。

当转子发生严重动静碰摩和进水等故障时，转轴可能也会出现永久弯曲，特别是高中压转子，在转轴上也会残留较大的内应力。该内应力是转轴摩擦、进水造成局部受热不均匀后轴的变形量超过材料的屈服极限下形成的，与毛坯锻件残留的内应力引起的弯曲有所不同，可以通过弯曲转子去应力热处理来进行二者的区分。根据相关资料，通过对因摩擦和进水引起的弯曲转子进行去应力处理，将消除部分内应力，通常最大弯曲部位的弯曲量会下降20％～30％，其弯曲下降量与材料特性、转子结构尺寸、回火温度等有关。而对因残余内应力过大引起的弯曲转子经过去除应力热处理后，弯曲量会出现一定程度的增大现象，增大量仍在该弯曲方向上。

2现场实例分析

2.1某330MW机组发电机转子因材质不均匀引起热弯曲造成的振动

２.１.１振动特点

该机组在2005年7月在新机试运过程中，当有功负荷超过180MW时，多次出现发电机轴承处轴振显著增大现象，前轴承处轴振由40µm左右增加到100µm以上，后轴承处轴振由80µm增加到120µm以上，最大超过150µm，引起机组跳机，无法进入168h试运。

从振动频谱看，振动基本都是基频分量。机组定速到带负荷初期，振动相位有一定变化，但负荷超过180MW后，相位则稳定在某一固定数值。振动与发电机冷氢温度大小基本没有关系。制造厂进行动态匝间短路试验，未发现异常。２.１.２振动诊断与处理过程

由于机组空载和带较小负荷运行时，发电机两轴承处轴振动较小，且冷态启动通过发电机一阶临界转速时振动很小，说明转子平衡状态较好。但大负荷工况运行后振动增加较快，且振动增大后，机组快速解列停机降速通过发电机临界转速时振动较冷态启动时有明显放大，表明转子发生了热不平衡。

因振动是在某个负荷以上才出现的，且振动与冷氢温度无关及发电机无短路现象，可以排除通常情况下的因局部短路造成的转子受热不均、冷却系统受堵导致转子冷却不均而引发发电机转子热弯曲的可能性，而不能排除的是转子内摩擦力不均和材质特性不均引起的热弯曲。因考虑到该发电机转子毛坯从日本进口，通常认为转子锻件材质不会出现问题，故当时把注意力主要放到转子内摩擦力不均方面。

2005年8月下旬转子第一次返制造厂进行检查。据制造厂介绍，该转子绕组端部端环与中心环之间在轴向应有的设计3mm的间隙实测基本为零，他们认为机组运行中随着负荷（有功、无功）的增大，转子电流增加，转子绕组受热后轴向膨胀受阻，膨胀力直接传递给护环，导致护环偏向，造成转子热不平衡，进而