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汽轮机振动超限原因分析及解决办法

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：温磊

[导读] 摘要：通过多年的设计与运行经验，对汽轮机振动、轴向位移、气隙尺寸差、绝对热膨胀、转速等参数进行了详细的分析，从不同角度分析了引起汽轮机振动的原因，并提出了相应的解决办法。对转子质量平衡、油膜振动、不充分发热、热膨胀差、管道导电过大、动、静摩擦及刚性支承等问题引起的汽轮机振动进行了分析，提出了相应的解决方案，为汽轮机制造企业快速解决类似问题提供了参考。

        （内蒙古华伊卓资热电有限公司内蒙古乌兰察布市 012300）
        摘要：通过多年的设计与运行经验，对汽轮机振动、轴向位移、气隙尺寸差、绝对热膨胀、转速等参数进行了详细的分析，从不同角度分析了引起汽轮机振动的原因，并提出了相应的解决办法。对转子质量平衡、油膜振动、不充分发热、热膨胀差、管道导电过大、动、静摩擦及刚性支承等问题引起的汽轮机振动进行了分析，提出了相应的解决方案，为汽轮机制造企业快速解决类似问题提供了参考。
        关键词：汽轮机；振动超限；原因分析；解决办法
        汽轮机是一个部件多，系统复杂，安装量大的旋转机械装置，对其长期稳定安全运行的要求最为迫切。最常见的异常是汽轮机运行中的振动。造成振动超载的原因有很多。在总结多年汽轮机研制经验的基础上，结合实际情况，分析和总结了产生振动过载的原因，并提出了解决措施。
        1 汽轮机转子质量不平衡引起的振动超限及解决办法
        汽轮机转子是高速旋转部件，转子的平衡至关重要。数据表明，大部分汽轮机故障是由转子不平衡引起的，转子不平衡最直接的表现是汽轮机振动，可根据其振幅的变化趋势进行分析，如图1所示。

图1 原始不平衡引起的振动变化趋势图
在图1中可以看到。也就是说，汽轮机的振动在初始阶段相对较高，在改变时间后仍保持较高的值，这可能是由于转子在出厂时严重不平衡所致。方法是重复进行转子的动平衡测试，在不平衡点上加一个天平，用力旋转，直到达到国家或工厂的标准[1]。

        图2渐变不平衡引起的振动变化趋势图
        如图2所示，汽轮机振动波动，表示初始振动不明显，但随时间变化，由于转子长期运转或踏面轮磨损而引起的不均匀污垢沉积引起的振幅会进一步增大，解决方法是定期保养以保持蒸汽清洁。清理转子积灰，更换磨损严重的电铲、轮子，重复进行转子动平衡试验。
        如图3所示，当汽轮机出现振动扰动时，表明振幅在某一时刻突然增大，并且收到了由叶片下降或平衡重下降引起的高值。解决方法是停止维修，检查碰撞部位及转子损坏情况，修复或更换受损的转子，并清除流道中的异物。
        2轴承油膜振荡引起的振动超限及解决办法
        在中小型汽轮机中，油液振荡现象十分普遍。一般而言，第一临界转速容易引起工作转速下的油的摆动。其主要影响因素是：(1)润滑油的粘度较大；粘度越大，储油母线的稳定性越差，油膜越不稳定；（2）放料。储存自由度可分为侧向和顶部两种。侧向自由度与上述选择之比越小，轴承越不稳定，更易发生油膜振动；（3）储存加载期间，在机组运行过程中，由于转子受热不均匀，转子漂浮自由度大，单件负荷变化过大，导致机组变形。储油量的变化引起储油过程中油膜的振荡。对由以上原因引起的油膜振动，一般可采取以下措施：1)启动时油温低，开启油箱后电加热：将油温降到388451以上；降低油膜粘度，减小转子运转时产生的油膜厚度，提高轴承稳定性。2)检查轴承的侧向自由度和上端选择。若横向自由度与上比值较小，可采取研磨轴承控制密封或刮去横梁表面等措施，增加横向自由度与上比值，提高轴瓦稳定性。(3)通过开启杠杆油提高轴承径向刚度/油膜，可以有效地消除油膜振荡；（4）更换稳定的椭圆瓦，即增加横向自由度与上间隙之比[2]。

        图3 汽轮机振动变化趋势
        3 汽轮机暖机不充分引起的振动超限及解决办法
        加热是汽轮机起动时的一个重要过程。如不适当地加热，会引起以下问题：1)汽轮机上、下半缸温差过大，热负荷过大，甚至汽缸变形。因而，改变了动静径向自由度，引起了振动和干扰。汽缸与转子之间的胀差太大，使得动、静轴向间隙减小，甚至受到干扰，对于由此产生的冲击，必须充分认识到不充分加热所造成的损伤，避免过速和过载。将汽轮机低速加热一段时间，根据汽轮机系统的启动标准，观察上、下半缸之间的温差，在40℃以内，不超过50℃；汽轮机的热膨胀需要一个过程，因此，必须将观察到的温差测量值维持在一个合理的范围内，且无明显的上升迹象，假定预热阶段已经结束。在供暖的各个阶段，如低速暖机、高速暖机、低负荷暖机、高负荷暖机等，都要严格按规定操作。
        4汽轮机热膨胀不畅引起的振动超限及解决办法
        水轮机热胀也称为气缸膨胀。对中小型汽轮机来说，汽缸膨胀是无关紧要的检测值，因此不设报警和停机值。但是在汽轮机运行过程中，由于汽缸膨胀造成设备平均偏差，造成振动重叠、停机。造成汽缸热膨胀不良的原因是：
        （1）轴承座润滑不良。一是汽缸滚子的油循环曲线较多，周期较长，在注入油箱时阻力较大，新注入的油难以排出，旧油倒流，使得润滑油在油箱中无法顺畅流动，容易造成润滑不良；二是喷油周期较长，导致老油和润滑油凝结。
        （2）滑销控制系统存在问题。第一，滑销系统安装太小，油缸伸展，使滑销系统受压丧失工作能力；第二，安装过程中未进行适当的清洁，导致滑面上有废料、砂子、锯屑和其他杂物，引起滑销系统正常失效的方法通常有：1)定期注油，清理油井中的异物，清除存放地点与板材之间的灰尘和尘粒；或者更换自润滑低压板。2)检查螺栓系统照明情况。未达到要求的，应采取磨光等措施，以确保材料选择符合要求。滑动面的接触面积应大于75%；3）抗高温粉末涂料的使用可减少摩擦。
        5动静摩擦引起的振动超限及解决办法
        当新设备投入运行并进行大修时，汽轮机转动部分与静止部分之间的动、静摩擦通常会产生振动过载。动静摩擦可分为轴向动静摩擦和径向动静摩擦两种。

        图4动静间隙示意图
        轴的动静摩擦主要发生在设备启动时，这是由于设备加热不足所致。放射状的动静摩擦的原因是：
        (1)动静间隙与拍卖不符。降低气漏，提高新老机组汽封设置效率，若汽封设置过小，将导致脉冲启动后装置摩擦。
        （2）由于转子和轴承的不匹配，使得转子和轴承的方位偏移过大，造成转子倾斜，动静光偏离设计面，产生摩擦。
        解决办法:
        辐射摩擦产生的声音通常是不连续的，振动随转速的增加而增大。声音控制棒可以用来监测汽轮机的不同位置，确定冷却装置关闭后的摩擦位置，打开盖子检查摩擦位置，调整间隙，使其符合制图要求。如选型符合设计要求，应考虑故障问题，并对转子和轴承进行调整。
        6转子支撑刚度降低引起的振动超限及解决办法
        转子系统的支撑系统由转子，油箔，轴承，板，基础，汽缸等部分组成。影响转子系统刚度的主要因素如下：
        (1)结构的刚性。旋翼及支撑部件的材料几何及形状。
        （2）组合刚度。在设计制造中确定了转子和工件的组合结构刚度，一般情况下不存在问题。该方法是通过降低组合刚度来降低振动过载，其主要原因有：
        1)支承系统的连接螺栓松动。
        2）座椅与座椅骨架接触不良。
        3）熨斗松脱。
        4)散存或磨损过多。
        转子强度的降低不会立即引起振动。若为长时间运行，则振动曲线为爬升曲线。大修后支架刚度下降，振动值明显高于大修前，接近报警值。
        处理办法是定期检查连接螺钉和熨斗是否松动。保养期间，轴承磨损情况必须记录在案，更换磨损过度的轴承。
        结束语
        由于振动引起的停机在汽轮机运行现场十分普遍，其主要问题最终体现在振动超限上，应针对振动发生的症状进行深入分析，找出振动超限的原因，以便尽快解决。这篇文章只提到了一些常见的振动超限情况，这也是导致振动超限的另一个原因，所以我们应该不断地学习和积累经验，以便在遇到问题时能够不慌不忙，镇定自若。总之，在实际运行中，机组极易发生振动超限，从而影响机组正常运行。对于这种情况，如何准确判断振动超限的原因，需要我们平时不断地学习和积累经验。
        参考文献
        [1]俞冠民.汽轮机振动超限原因分析及解决办法[J].化工设备与管道,2020,57(2):47-50.
        [2]杨洋,闫远超.汽轮机高中压轴承振动变化率超限的原因分析[J].电世界,2020,61(4):9-11.