汽轮机转子动静碰摩理论分析及判别特征

等 ＋宰＋ ｍＯ Ｏ ） ０ （） ｃ ＝ｅ２Ｓ ￡ Ｆ ． （ 一 １ Ｊ Ｃ
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式 中 ：为 当量阻 尼 ； 当量 质 量 ： 当量 刚度 ； ｃ Ｍ为 Ｋ为 ∞ 为 圆盘 旋 转 角 速度 ；为 圆 盘质 量偏 心 的偏 心 距 ；１ ｇ ／ １
为 圆盘 质量 。
通过推导可得转子系统的一 阶临界转速为∞ ＝
或 略大 于一半 的临界转 速 时 出现峰 值 。 ２２ 动 静碰 摩 时汽轮 机 的影 响 ． 当转 子 发 生 动 静 碰摩 时 ，会 出现 轴 系 刚度 变
汽轮机组正 常运行时的振动信号 时域波形 为
正 弦波 （ 通 强 迫 振 动 ） 当发 生 碰 摩 后 ， 障振 动 普 ， 故 波 形 必然 会 发生 改 变 ， 当碰 摩 较 为严 重 时从 波形 上 能够 明显看 到 削波现 象
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Ｙ Ｎ ＪＵ ＹＵ Ｆ Ｎ Ａ Ｉ Ｅ
汽轮机转孑动瞥碰 摩理 论 析 及半Ｉ Ｉ 剁特征
李 明 ， 向龙 曹 艳 秦 晓伟 王永庆ｔ 贾 ， ， ，
（． １ 陕西电力科学研 究院， 陕西 西安 ７０ ５ ； ． １０ ４ ２大唐彬长发 电有限责任公司， 陕西 彬长 ７ ３０ ） １６２
所示
２ 动静碰摩机理分析
２１ 动 静碰摩 时振动 特性 的影 响 ．
实 际 中运 行 的 汽 轮 机 组 发 生 动 静 碰 摩 可 以 简
化 为如 图 １ 示 的模 型 。 所
子
定 于
图２ 转子碰摩产生的摩擦力
（） ２ 碰撞 效应
由 于 转 子 发 生 动 静 碰 摩 时 会 产 生 １ 相 当 于 个
由式（） ２可知， 转速 、 ＋１ｇ时， 最 ＝１ ： ｏ ＡＩ ２ Ａ．
Ｖ
大 。从实 际测 试 中可 以看 出振 动 中二倍 工频 分量 明
显增 大 ，也 就 是说 在 动静 碰摩 时 ， 在 转速 接 近 。
３ 碰摩 时故障振动特征
３１ 碰 摩故 障波形特 征 ．
静碰摩故障的几率居所有汽轮机组振动故 障的前 列。所 以， 必须对动静碰摩 的振动故 障进行详细 的
分析 判 断 和研究 ， 大 可能减 少 重大 事 故 的发生 ｌ 最 ｌ ｌ 。
发生动静碰摩故障。 （ ） 中情况较差 。汽轮机组转子的各个轴承 ３对 标高不佳 、 汽轮机转子本身扬度发生变化 ， 都会导致
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系 增 加 了 １ 或 数个 支 点 ， 态 刚度 增 加 ， 有 可能 个 动 则
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（） ２
使 转 子 的 正 常Ｔ 作 转 速 接 近 临界 转 速 而 导 致 振 动
失稳
式 中 ： 为涡 动角 速度 。
、 ＿ （ 为 圆盘 总 刚度 ）一 旦 发生 动静 碰 摩 ， １ ／ ｎ １ ， 图 中
圆盘 的 临界 转 速 会 升 高 ． 且 碰 摩 时 ， 并 圆盘 振 动 中 二倍 工 频 的振 幅和工 频振 动 的幅值 之 比为 ：
Ａ 源自文库２
—
复 杂 ， 主 要 与 边 界 约 束 条 件 有 关 ， 与 汽 轮机 转 其 也 子 的连接 方 式有 关 。一旦 发 生碰 摩 ， 就好 像 整个 轴
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化、 碰撞和摩擦３ 种物理现象。
（ ） 擦 效应 １摩
动静碰摩会在转子上产生附加 的扭矩 ， 使转子
３２ 碰摩故 障频谱特征 － 由 于发生 动 静 碰摩 会 产 生 脉 冲碰 撞 的 激振 力 ．
研 究 与 分 析
Ｙ Ｎ Ｏ Ｕ ＹＵ Ｆ Ｎ Ｘ Ａ Ｉ Ｅ
可 能会 激 发 出整 个动 静 系统 的 固有频 率 ， 么碰 摩 那
一
发 生就 马上 消失 ， 即间隙被 磨大 。所 以可 以看 出 ， （） ２ 动静 间 隙不 足 。因设 计 缺 陷 ， 是 安 装 、 或 检
转子 的动 静碰摩 故 障只是 后 发性故 障 。 修 的原 因 。 动静 间 隙调整不 符 合规定 ， 而导 致机 组 从
产 生大 的永 久性 弯 曲 。 目前 ， 轮 发 电机 组 发生 动 汽
图 １ 转 子 动 静碰 摩 简 化 模 型
脉 冲 的激 振 力 ，这 个 激 振 力 会 改 变 汽 轮 机 组 的振 动 形 态 ， 轮机 转 子 一 承 系统 的各 阶 固有 频 率 都 汽 轴 有 可 能 被 这 个 脉 冲激 振 力 激 发 出来 ，所 以此 时发 生 动 静 碰 摩 的 振 动频 谱 是 由工频 分 量 为 主 的旋 转 激 振 力 造 成 的强 迫 振 动 和 碰 摩 产 生 的 冲击 脉 冲激 振 力 造成 的 自由振 动 叠加 而 成 的 ， 使振 动 的高 频分 量增加。 碰 撞在 转 子上产 生较 大 的法 向力 和切 向力 。碰 摩 点 限制 了转子 运 动 ，从 而 使振 动 波 形 发生 畸变 ， 波 形 上 出现削 波现象 。 （ ） 系刚度 变 化效应 ３轴
流通 部分 动 静 间 隙消失 ， 即转 子 与 定 子之 间 间隙 消 失 ， 而导致 机组 发 生动静 碰摩 故 障 。 从 （） ４ 静止 部分 变形 。运 行 时间很 长 的老机 组 ， 汽 缸 可能 发生永 久 变形 ： 启动 过程 中暖机不 当 ， 上下 汽 缸 温度 不 均 匀 ， 造成 汽 缸 临 时变 形 。这些 变 形 都会 导 致转 子 的通 流 部 分 间 隙消 失 ， 机 组发 生 动 静 碰 使
由 于汽 轮 发 电 机 组 整 个 轴 系 的动 态 刚度 比较
当汽 轮发 电机组 发 生 动 静碰 摩 的时 候 ， 止部 静 分会 对 网盘 产 生 １ 个 的推 力 ，根 据牛 顿第 三 定律 ，
圆盘对 静 止部 分 必 然也 会 产 生 １ 力 。推导 出该 个 圆盘 的运 动方 程 为 ：
轴 心 运 动 轨 迹 会 因为 只有 １ 碰 撞 点 而 出现 ８ 形 个 字
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Ｄｙ ｍ ｉ ｂｂｉ ｆＴｕ ｂｉ ｔ ｒ ｎａ ｃ Ｒｕ ｎｇ ｏ ｒ ｎｅ Ｒｏ ｏ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ：ｓａｉ ｎｄ ｄ ａ ｉ ｕ ｂｉ ｄｓ ｔｔｃ ａ ｙｎ ｍ ｃ ｒ ｂ ｎｇ，ｆ ｕｔｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ，ｓ ｎｓｔ ｅ ｐａ ａ ｅｅ ｓ ａ ｌ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｅ ｉｉ ｒｍ ｔｒ ｖ
因有 以下 几点 ：
０ 引 言
大 型 旋转 动 力 机 械如 汽 轮发 电机 组 ． 实 际运 在 行 过程 中 ， 了提 高热 力经 济 ｌ ， 静 子与转 子之 为 生能 其 间 的间 隙被设 计 和 安装 得 越来 越 小 ， 而 使 动 静碰 从 摩 故 障发 生 率大 幅 提 高 ， 尤其 在 动 静碰 摩 过 程 中积
累的 弹性 变形 势 能越 来 越 大 ， 后甚 至 会 导 致 大轴 最
（） １汽轮机组本身振动较大。不论汽轮机组本
身振 动是 何原 因 ， 一旦振 动 幅值超 过某 个 限制 （ 一般 说来 是机 组转 子和 静子 之 间最小值 ）都必 然会 引起 ， 动静 碰摩 故 障 ， 时碰摩 反应 十分 剧烈 ， 有 而有 时 碰摩
故障时振动频谱可 出现非常丰富的特征内容。故障 信号中既有１ 、Ｘ、Ｘ ４ 分量 ， Ｘ ２ ３ 、Ｘ 也有可能出现大于 ５ 高频分 量 ， ｘ的 同时 还 有 （－ ．９ｆ、． 和 （．１ ０ ０３ ） ０５ ｒ ０５ ～
。
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～
一
—：
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一
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０９ ）的低频 成 分 。同 时 ，振动 还会 随时 问发 生 变 ．９ 化， 且快 慢不 定 。 ３３ 碰摩 故障 轴心 轨迹 的特征 ． 当转 动 部分 和 静 止部 分 发 生单 点 局 部 碰摩 时 ，
究 与 分 析
摩 ， 其 在 启 动 过 临 界转 速 的过 程 中 ， 可 能 造 成 尤 很 大轴 弯 曲事故 。
产生 扭转 振动 。而且 ， 动静部 分之 间 的摩擦 ， 必然 会 磨 损 动 静 部 分 的零 部 件 ， 响 机组 效 率 ， 少 机 组 影 减 使用 寿命 。 此外 ． 动静 碰 摩 使转 子 、 子 局 部 过热 ， 而产 定 从 生 转 子热 弯 曲 、 子热 变形 。在 动静 碰 摩 的位 置会 定 出现切 向方 向 的摩擦 力 ， 子 的正 向进 动 在 碰摩 产 转 生 的摩 擦 力作 用 下 ， 变 为反 向进 动 ， 转 受力 图如 图 ２
１ 动静碰摩 原 因分析
汽轮 机 组 的动 静 碰摩 最 易 出 现在 以下 位 置 ： 油 挡、 隔板 汽封 、 汽轮 机前后 轴封 以及 发 电机前 后 的密 封 瓦 等 。从 目前 实际 现 的碰 摩故 障来 看 ， 主要 原
Ｙ ＮＪＵＹＵＦ Ｎ Ｘｌ 研 Ａ Ｉ Ｅ