汽轮机间歇性振动原因分析

引进型330MW 机组间歇性振动问题的诊断及处理
王微 马俊杰 钱文新
（国华准格尔发电有限责任公司 内蒙古 010300）
[摘 要] 国华准格尔电厂1号机组，自2002年4月25日168H 投产以来，＃3瓦轴振动一直偏大（75um 左右），在进入10月份以来3号轴承频繁出现间歇性振动现象，最大峰值曾达116um ，严重影响机组的正常稳定运行。

通过对机组轴系振动在线监测和数据分析讨论，制定了处理方案，现场实施后取得良好效果。

[关键词] 汽轮机 振动 碰摩 诊断 处理
1、 概述
国华准格尔电厂1号汽轮机是北京汽轮电机厂引进法国ALSTOM 公司技术生产的330MW 亚临界、一次中间再热、冲动、凝汽式N330-17.75/540/540型汽轮机，配以北京重型电机厂生产的TA255-46型发电机。

汽轮机为单轴、三缸设计，高压缸、中压缸和双排汽低压缸。

每根转子使用两个椭圆瓦轴承支撑，机组轴系示意如图1所示。

图1 汽轮发电机组轴系示意
轴系各转子临界转速见表1
表1 轴系及各转子临界转速值 （r/min ）
该机组投产于2002年4月25日，自168H 投产以来中压缸3号、4号轴承振动幅值偏高，已接近ALSTOM 长期运行标准值76μm 。

自进入10月始，中压转子前部3号轴承处频繁发生间歇性振动，振幅最大达116μm （轴振为双振幅），振动的发生与工况变化关系不大，持续时间长短不一，之后自行恢复正常。

这也是引进型330MW 机组普遍存在的振动现象，且主要集中在中压转子的3号轴承处。

机组在运行期间曾从调整方式上做了大量的工作，如控制增减负荷的速率、由部分进汽改全周进汽方式，降真空等，但最终都未收到明显效果。

后期振动越来越频繁且幅值变化较大，为了避免出现更大的波动，而将机组负荷基本稳定在200MW 左右运行。

2002年12月2日利用停机机会，通过与会有关专家和工程技术人员对在线监测的数据进行了综合分析，认为引起＃3瓦振动的主要原因是碰磨问题。

并制定了相应的对策，利用停机机会在现场得以实施。

机组于2002年12月14日启动后，在不同工况下，各瓦振动均在合格范围，3号轴承的间歇性振动得以消除。

2、 振动测试情况
故障的诊断是采用美国本特利DSI 缓冲输出接西安热工研究院振动在线检测系统，进行振动测试的。

从波形频谱图可看出（见图2），振动的分量主要是以工频为主，振动幅值出现突发变化的同时，其相位也随着变化，且＃3轴承与＃4轴承振动呈交替变化。

图2 波形频谱图
（1）升速过程：见图3
图3 升速波德图
由升速波德图可看出转速与振动之间的大小关系，转子存在的原始一阶不平衡量较小。

（2）降速过程：见图4
图4：降速波德图
从降速波德图可看出转子存在的热弯曲较小。

（3）定速和带负荷＃3瓦振动情况：见列表2和附图5
表2 ＃3轴承幅值及相位单位：微米/度
通频基频相位定速71 63 147
带负荷112 103 185
图5 带负荷下振动及相位变化
从列表数据及图中曲线可明显的看出振动及相位的变化情况，其振动峰值变化约40微米，相位变化在30度左右。

（4）与运行参数和时间的关系：
振动的发生与运行调门开度有一定的关系，即调门的波动直接影响到振动波峰的突现；与再热汽温的变化也有较大关系，即再热汽温变化幅度大将会引起振动增加。

振动时间长短不一，短的约5－10分钟；长的约30分钟左右。

根据以上监测数据的分析判断，中压转子存在的原始一阶不平衡量及热弯曲较小。

机组的振动可能是中缸内部动静间隙某一侧间隙偏小，已接近了危险边缘，受汽流扰动和缸体膨胀影响而产生了瞬间碰摩振动。

3、碰摩引起振动的机理分析
汽轮机转子在转动过程中由于不平衡等原因，其转轴中心O′会偏离静止的几何中心O，当OO′达到轴承的半径间隙时，两者将发生碰摩。

这时转子上的碰摩点A受到一个径向作用力N和一个逆转向的切向摩擦力f作用（如图6），
图6 转子动静碰摩时受到的切向摩擦力
如果转子在它的转动的一周中始终与静子保持接触，是全周碰摩；一周中只有部分弧段接触，是部分碰摩。

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，也可以是全周接触。

部分碰磨在静子上只有部分弧段接触。

转子的部分碰摩含有三种物理现象：碰撞、摩擦以及转子刚度的改变。

由于转子作周期性的碰撞，使得在由不平衡质量引起的强迫同步响应的基础上叠加一个自由振动响应和一个由碰撞力决定周期振动，这个自由振动的频率是转子的固有频率，是整个振动响应的主要成分。

刚度的变化可以从运动方程中得到一个含有转速之半分频成分的通解。

这就是说，碰摩转子的响应中应该含有次同步、同步和超同步谐波的谱线。

实际碰摩的响应受到碰摩发生的轴向位置、冲击的锐度、结构对不同频率振动的传递特性等因素的影响，使得各频谱成分在实际信号中复杂化。

不同的情况次同步和超同步会呈现不同的量值。

从＃3轴承的振动趋势及频谱图分析情况看，振动应该属于轻微部分碰摩，次同步和超同步谐波并不能观察到。

4、振动故障诊断
4.1原因分析：
由＃3轴瓦振动发生时的波形频谱、升降速和趋势图，再结合机组在定速及带负荷时的参数变化情况看，＃3轴承振动特点为：振动发生时，幅值与相位同时变化，相邻中压转子的＃4支持轴承呈现相反的振动变化，在涨负荷时有时受气流扰动明显，振动持续时间长短不一。

这种现象表明机组的中缸内部某处发生了动静碰摩。

且应发生在缸内间隙较小处，即中缸的前汽封处。

这从检修时一系列间隙的检查中发现，右侧间隙偏小得到了证实。

4.2检修中问题的发现及分析：
4.2.1中缸前轴端汽封间隙经检查，实测（塞尺测量）右侧间隙偏小约在0.2mm左右（见表3：中缸轴端汽封间隙），说明机组正常运行时动静间隙偏小，由于机组是逆时针旋转，受油膜作用转子要向右上方平移约0.10mm左右，因此转子的运转已处在危险边缘，极易产生碰摩。

表3：中缸轴端前汽封间隙单位：mm
4.2.2、中缸前立销间隙超标，实测间隙为0.15－0.18mm，且测量（塞尺塞得）得间隙在左侧，说明机组正常运行中缸是贴死立销的右侧运行的，这与机组负荷为303MW时，中缸前猫抓左右架表观察汽缸膨胀情况的数据记录是一致的（数据见表4）。

说明汽缸是向一侧膨胀的（左侧膨胀，右侧收缩），收缩量最大为0.03mm左右。

这时已经偏小的间隙再遇到缸体向左收缩，稍有气流扰动就会在中缸的右侧发生动静碰摩。

4.2.3、通过安装测量环对中压缸动静径向间隙检查：发现测量数据右侧的值也偏小，这与上述的检查结果是一致的。

由于测量时缸温不在室温下，只能通过数据的趋势来判断机组的动静间隙，说明机组可能在右侧发生了碰摩。

测量数据见表5
表5 中缸前测量环径向数值单位：mm
4.2.4、揭轴承箱盖发现，＃2、＃3瓦轴承箱外油挡齿与轴颈有轻微摩擦痕迹，实测#3瓦油挡
间隙右侧偏小，且部分油挡齿被磨平（数据见表6），说明油挡与轴颈运行时也发生过摩擦。

表6 油挡间隙单位：mm
4.2.5、检查转子在轴承中的对中情况较好，＃2、＃3轴瓦两侧间隙稍有不均，轴瓦紧力在要
求范围（数据见表7）。

说明轴瓦不存在问题，可排除引起振动的原因。

表7：轴瓦间隙 单位：mm
右侧，设计间隙较小前汽封处。

5、振动处理及结果
5.1振动处理过程：
5.1.1 中缸前立销间隙调整：
由于中缸前立销间隙超标及实测中缸前轴端汽封间隙右侧偏小（小于设计值）的现状，在结合中缸测量环动静监测数据的趋势看，决定对中缸前侧右移0.20mm 。

具体通过调整立销两侧垫片厚度，将中缸向右移动了0.20mm ，保证了中压转子与轴端汽封的动静间隙趋于设计值。

5.1.2油挡间隙处理：
考虑到各油挡间隙右侧偏小的现状和机组正常运行轴系受油膜作用向右上方移动的特点，将＃2、＃3轴承箱外油挡齿进行了修刮，保证了间隙在合格范围内。

5.2振动处理效果：
停机检修后，于2002年12月14日机组正常启动，在各种工况下，各轴承振动均在合格范围。

中压转子3号、4号轴承振动平稳，幅值较小(见处理前后波形频谱图7、图8)；从在线振动监测系统中也可看出，3号、4号轴承振动与相位变化曲线平缓（见处理前后通频相位图9、图10）。

至此，机组频繁出现的间歇振动现象得以解决。

图7：振动处理前波形、频谱图
位 置
现场实测 标 准 检 修 后 #2轴瓦
侧隙左
0.4 1.03-1.128 0.4 侧隙右 0.35 10.3-1.128 0.35 顶隙 0.235 0.31-0.428 0.235 紧力 0.02 0.02-0.03 0.02 #3轴瓦
侧隙左
0.40 1.03-1.128 0.40 侧隙右 0.35 10.3-1.128 0.35 顶隙 0.26 0.31-0.428 0.26 紧力
0.04
0.02-0.03
0.04
图8：振动处理后波形、频谱图
图9：处理前＃3瓦通频相位变化
图10：处理后＃3瓦通频相位变化
6、结论及意见
6．1.ALSTOM机组为了适应中压缸快速启动的特点，轴向通流间隙设计的都比较大，但为了保证汽轮机效率，径向通流间隙设计的又较小，如果安装、调试或运行操作不当，极易发生动静部分径向摩擦。

准电1号机02年10月始3号轴承处频繁发生的间歇振动就属于这种动静发生碰磨造成的。

由于振动发生时机组都是运行在3000rpm，高于转子的一阶临界转速。

依据力学理论，在这一转速发生摩擦振动，摩擦高位滞后质量偏心方向的角度为钝角，使摩擦产生的变形具有抵消原始不平衡的趋向，或者说摩擦产生的变形具有退开摩擦趋向。

所以，当发生比较轻微的摩擦后，
振动会有所增加，经过一段时间，动静部分又会自动分离，使得振动水平又逐渐降低。

现场实际情况与理论分析是相符合的。

02年12月停机检修后，由于外部检查判断的正确性，调整间隙合适，致使3号轴承处频繁发生的间歇振动迄今为止再也没有发生。

6.2.从停机检测结果来看，中压缸立销两端面平行度较差及运行后间隙超标，对运行机组＃3轴承振动影响较为显著。

此次间歇振动的主要原因就是中缸轴端前汽封间隙右侧偏小而产生了碰摩；
6.3考虑到从外部无法准确判断中缸内部径向间隙得准确变化量，只对缸体做了少量的调整，在以后长时间的运行中还需进一步观察振动是否会发生波动。

要做准确的调整还需日后大修揭缸完成。

6.4机组中压缸＃3、＃4瓦轴振动从投产至现在整体振幅较高，待有机会需对中压转子返厂作高速动平衡处理，从而来降低整体振动水平，确保机组在更高标准运行。

参考文献
1 梁立德火电厂热力设备检修工艺学。

水力电力出版社1995
2 陆颂元汽轮发电机组振动。

中国电力出版社1999.4
3 施维新引进型300MW机组轴系振动特性测试和分析。

中国电力出版社1998.4。