汽轮发电机组自激振动故障及其原因简析

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　　自激振动

　　自激振动是由于系统自身的运动诱发的振动，其机理和特点与强迫振动有本质不同。汽轮发电机组自激振动包括轴承自激振动和汽流激振，前者由轴承的油膜力引起，后者由蒸汽力引起。

　　振动系统由于自身运动引发的振动称为自激振动。当系统失稳力大于阻尼力时，振动发散，称为振动系统失稳。

　　实际系统自激振动的振幅不会无限增大，其正阻尼和负阻尼都与振幅有关：在振幅增大过程中，正阻尼增大，负阻尼减小;当振幅达到一定值时，正负阻尼相等，此时振幅停止增长。

　　单轮盘转子的力系

　　对于转子系统而言，转子离心力与弹性恢复力在 连线上，阻尼力与失稳力与 垂直，两者方向相反。如果失稳力大于阻尼力，则系统失稳。

　　轴承自激振动

　　轴瓦自激振动是现场较常见的一种自激振动，它常常发生在机组启动升速过程中，特别是在超速时。当转子转速升到某一值时，转子突然发生涡动使 轴瓦振动增大，而且很快波及轴系各个轴瓦，使轴瓦失去稳定性，这个转速为失稳转速。

　　1. 轴瓦自激振动机理

　　汽轮机和发电机转子支承在滑动轴承上。转子转动时轴颈与轴瓦之间形成一层很薄的油膜，这层油膜避免了轴颈与轴瓦的直接接触。润滑油带走轴承中摩擦产生的热量，保证工作温度正常。

　　轴瓦自激振动分类

　　(1) 半速涡动
　　半速涡动是指转子轴颈在作高速运转的同时，还围绕轴颈某一平衡中心作公转运动。如果转子轴颈主要是由于油膜力的激励作用引起的涡动，则轴颈的涡动速度接近轴颈转速的一半，故称半速涡动。这种振动的振幅始终不大，而且在机组加速过程中，永远不会与转子的第一临界转速发生共振，因此对机组安全一般不会造成严重威胁。

　　(2) 油膜振荡
　　当轴颈转速升高到第一临界转速两倍的附近时，涡动频率与转子的第一临界回转频率重合，转子轴承系统会发生激烈共振，这种涡动就是变为油膜振荡，其特点是来势很猛，瞬时振幅突然升高，很快就会发生局部油膜破裂，引起轴颈与轴瓦之间的剧烈摩擦，结果会严重损坏轴承和转子。

　　轴瓦自激振动的原因

　　(1) 轴颈扰动过大
　　轴颈扰动过大，不是指转子暂态瞬间产生的扰动，而是指稳定的扰动，进一步说是指轴颈与轴瓦之间的相对振动，简称转轴振动。

　　(2) 转子热弯曲与转子永久弯曲
　　运行的机组中，产生热弯曲是一种较为常见的振动故障。如果轴瓦突然发生自激振动，而且与机组的有功负荷有着一定得对应关系，例如有功负荷增加越快，振动越剧烈，这种现象大部分是由于转子发生热弯曲所致。

　　(3) 轴承座刚度过大
　　增大轴承座的动刚度虽然能单纯减少轴瓦的振动，但是这会引起转轴相对振动的增大，对轴瓦稳定运行不利。

　　2. 轴承自激振动的诊断

　　自激振动的特征

　　当汽轮发电机组上发生的低频振动的频率接近转子转动频率的一半时，在绝大多数情况下，如不是蒸汽激振，就是油膜失稳。由于蒸汽激振一般发生在汽轮机高压转子的轴承上，并且对负荷或压力敏感，振动的重复性好，较易于判断。油膜振荡的频率与转子第一临界转速相近，而且一旦发生，不论转速升至多高，振荡的频率将始终保持为转子第一临界转速的频率，所以易于诊断。

　　a、振幅在瞬间突然增大

　　b、振动达到高位后仍不稳定

　　c、频率

　　d、振动的突发性

　　e、与负荷无关

　　f、异音

　　g、低频分量问题

　　分谐波共振、轴瓦自激振动、汽流激振的特性区分

　　3. 处理措施

　　描述轴承动态特性的一个综合指标是承载系数，又称为索马费尔德数 。

　　可以看出S越大，轴承的稳定性越高。

　　承载系数取决于比压、间隙比、润滑油黏度和轴颈转速这几个参数。比压和间隙比越大、润滑油黏度越小，则 越大，轴承的稳定性越高。

　　现场经常采用以下措施消除轴瓦的自激振动：

　　a、提高油温

　　b、调整中心

　　c、调整轴承顶隙

　　d、增加轴承比压

　　e、消除轴瓦的缺陷

　　f、调整平衡

　　g、轴承类型对稳定性的影响

　　汽流激振

　　汽流激振是由于汽流力引起的自激振动。为了提高机组效率，通常采用提高蒸汽参数的方法。这就产生了一种可以导致轴承失稳的激振力。汽流激振在高参数汽轮机上尤为突出，特别是高压转子。

　　1. 汽流激振的机理

　　作用在转子上的蒸汽激振力可分为静态力和动态力两类。静态力是指恒定的力，而动态力是交变的。这两类力都可以引起汽流激振。

　　(1) 静态力
　　采用喷嘴调节的汽轮机，蒸汽除了在转子调节级叶片上产生力偶而使转子旋转之外，还有一个作用于转子中心的力。因调节阀开启顺序的原因，可能使此力成为抬起转子的恒定力，从而减小转子的比压，使转子失稳。

　　(2) 动态力
　　汽轮机的转动部分与静止部分之间有一定的间隙，比保证运行时不发生动静摩擦。为了减小蒸汽的泄漏，汽轮机都装有汽封装置。在蒸汽通过汽封时，每通过一个汽封齿就产生一个次节流作用，蒸汽的压力随之降低。

　　2. 汽流激振的诊断

　　汽流激振特征

　　范围(或部位)特征：

　　      · 在运行、启机或停机过程中，某个轴承X，Y向振动值明显增大，高于正常运行振动值和相邻轴承振动值，则诊断该轴承所支撑的转子段发生了故障。

　　特性(或影响后果)特征：
　　
             · 振动频率为工作转速的一半，即属于半频。

　　      · 振动与负荷有关，有良好的再现性。


　　      · 低频振动有个一门槛值。


　　      · 与轴承自激振动的区别：发生的部位;与负荷的关系。

　　汽流激振的诊断方法和步骤：

　　a、振动类别和故障性质判断

　　b、汽流激振原因以及故障部位的诊断

　　造成机组激流激振的原因主要有以下几个方面：

　　      · 转子与汽缸同心度偏差大


　　      · 动叶与静叶(喷嘴)之间的轴向间隙过大


　　      · 气门开启顺序不合适


　　      · 轴瓦稳定性差


　　      · 转子不平衡

　　现场诊断机组汽流激振具体原因和部位步骤如下：

　　a、查看转子是否存在不平衡，如果存在首先消除转子不平衡

　　b、查看调节气门开启顺序，看是否存在单侧进汽的情况

　　c、查找转子中心，检查转子与汽缸同心度，看是否存在偏差过大的情况

　　d、调整动叶和静叶之间的轴向间隙

　　e、查看轴承型式，润滑油温度，轴承标高等影响轴瓦稳定性的因素

　　3. 处理措施

　　(1) 增加轴瓦比压
　　增加在轴瓦单位垂直投影面积上的轴承载荷，可以提高轴承工作的稳定性。在现场应用最多的方法是缩短轴瓦长度，降低长径比。

　　(2) 减小蒸汽静态力
　　蒸汽向上的静态力使轴承比压降低，可通过改变调节阀的开启顺序或开启重

　　叠度尽量减小这样的静态力。但要通过反复试验才能找到最佳的开启方式。

　　(3) 减小蒸汽激振力
　　蒸汽激振力与蒸汽密度和级前后压差成正比，这是汽流激振发生在大功率高参数汽轮机上的原因所在。激振力还与汽封的结构、长度、间隙的大小有关，且其随着径向间隙的增大而减小，随着轴向间隙的增大而增大。

　　(4) 减少轴瓦顶隙与扩大两侧间隙
　　这种措施就是增加轴承的椭圆度，提高轴瓦的稳定性，它比单纯提高轴瓦比压活减少长径比等其他措施有效。

　　(5) 降低润滑油的粘度
　　润滑油的粘度越大，油分子间的凝聚力也越大，轴颈旋转时所带动的油分子也越多，油膜厚度就越大，稳定性也越差。

　　(6) 增大上瓦的轴衬宽度
　　增大上瓦的轴衬宽度，以便形成油膜，可以提高上瓦的油膜力，增强轴瓦的稳定性。

　　来源：节选自东方电机有限公司《汽轮发电机组常见振动故障及原因分析》讲义