淺析汽輪機振動的原因及危害

王勇

摘要：我國經濟的快速發展對我國電力供應提出了更高的要求。為了保障城市經濟的發展與居民用電的穩定，加強汽輪機組日常保養與維護，保障城市供電已經成為了火力發電廠維護部門的重要任務。汽輪機組作為發電廠重要組成部分其異常振動對于整個發電系統都有著重要的影響，文中就汽輪機異常振動的分析與排除進行了簡要的論述。

關鍵詞：汽輪機振動；原因；危害；措施

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

引言

隨著我國經濟的發展，人們對電力供應提出更高的要求。在熱電廠的生產中應用汽輪機，能夠保障城市經濟的發展和居民用電的穩定，而加強汽輪機的維修和保養成為保證火力發電廠維修部門的主要任務。汽輪機由于長時間的運作，會產生振動的故障，因此需要分析汽輪機產生異常振動的原因，采取相應的措施進行處理，從而確保機組的正常運行。

一、汽輪機的概述

熱電廠的汽輪機是可以把蒸汽熱能轉化成機械能的旋轉式的動力機械設備。汽輪機可以作為發電機機組使用，還可以作為壓縮機和風機的驅動裝置使用。汽輪機通常是由轉動部分和靜止部分構成，轉動的部分包括聯軸器、葉輪、主軸以及動葉片等，而靜止的部分主要包括氣缸、軸承、隔板、汽封以及靜葉柵等。由汽輪機配套使用的機械還有鍋爐、發電機、加熱器等裝置。汽輪機是在高溫和高壓的條件下運轉的，而且屬于精密類重型機械設備。汽輪機的工作原理是當來自鍋爐的蒸汽進入蒸汽機后，蒸汽會以此的進過機組的噴嘴和動葉，這樣蒸汽會把本身的熱能轉化為共汽輪機旋轉的機械能。和傳統的復式蒸汽機相比，汽輪機具有氣流轉速快、連續性好的優勢，因此汽輪機的輸出功率遠遠大于復式蒸汽機。

二、振動對機組安全運行的危害

（1）由振動產生不均勻的磨損造成轉子端部軸封損壞，使汽輪機平臺的空氣漏入低壓缸，影響機組的經濟性；高、中壓缸漏氣量加大，為達到機組負荷要求需開大調門這樣漏氣量會進一步增加形成惡性循環，最主要的是漏氣會使潤滑油系統漏入蒸汽，潤滑油帶水進而破壞油膜使振動進一步增加。間隙變小使靜葉隔板汽封損壞，級與級間的漏氣加大，這樣嚴重影響了機組經濟性。（2）造成動靜部分摩擦，使轉子局部受熱而發生熱彎曲使軸承振動急劇增加，這樣的振動常常會引起轉子永久性彎曲，滑銷系統各部件會加速磨損，這樣會影響機組的正常自由膨脹，從而引起嚴重的汽機事故。（3）造成軸瓦烏金磨損，本體部件緊固螺絲松脫或斷裂。轉動部件材料的疲勞強度降低，進一步造成動葉、轉子等部件破壞。（4）造成調速系統各油路接口松動脫開，危機遮斷器以及其他的保護會受到破壞，這樣調速系統不穩定，將會引起調速系統事故。（5）機組的振動對發電機勵磁部件的損壞，主要是振動時對勵磁刷的損壞，振動厲害時可能早能碳刷的脫落。

三、汽輪機組常見異常震動的分析

1、油膜震蕩

當熱電廠汽輪機在運轉時，轉子在軸承油墨上高速旋轉失去穩定性而造成的震蕩就是油膜自激震蕩。在汽輪機穩定運轉時，轉子是圍繞軸線旋轉的，而汽輪機失去平衡時，轉軸在圍繞軸線轉動的同時圍繞平衡點渦動。軸線的渦動頻率通常保持在轉子轉速的一半，因此成為半速渦動。在渦動轉速和轉子的臨界轉速相重合時，這樣半速渦動轉速就會被共振放大，從而表現為激勵的振動。油膜震蕩具有下列的特征：油膜震蕩發生后，振幅的增速比較快，這樣就會造成機組產生激勵的振動。在油膜震蕩時，振動的的主頻率是發電機的一階臨界轉速，而且隨著轉速的升高而改變。油膜震蕩時，通過仔細的觀察可以發生主軸的外露部分也在顫動。在油膜發生震蕩時，軸承的頂軸油壓也會發生劇烈的振動，因此軸承內部有金屬撞擊的聲音。對于油膜的震蕩可以采取下列的措施進行解決：增加軸瓦的比壓，而且減少軸瓦頂部的間隙，這樣可以有效地減少油膜的震蕩；還可以采取減小軸頸與軸瓦的接觸角，控制在300-400之間；降低潤滑劑的動力粘度；可以利用平衡的方法將轉子原有不平衡分量降得很少。

2、氣流激振

汽輪機的葉片由于受到不均衡的氣體的沖擊而產生氣流激振，而對于大型的機組，末級比較長，氣流在葉片的末端膨脹而造成流道的紊亂，從而造成了氣流的激振。另外，軸封也可能造成氣流激振的現象。在汽輪機機組的負荷超過一定的負荷點，軸振動就會增加，而負荷低于負荷點，振動就會減小。氣流激振的頻率小于或者等于高壓轉子的一階臨界轉速。氣流激振的部位通常發生在高壓轉子段。熱電廠可以針對汽輪機氣流激振的特征，通過長時間的記錄機組的振動數據，還有記錄機組滿負荷時的數據，整理數據和制作成成組的曲線，觀察曲線的變化情況，這樣才能夠進行故障的分析。在汽輪機的運作中，需要先確定汽輪機的工作狀態，然后采用減低負荷變化率以及避開產生氣流激振負載范圍的方式，減少氣流的激振。

3、安裝工藝水準不達標

汽輪機安裝工藝的精度好壞會對汽輪機振動產生直接的影響。需要根據安裝現場的要求來對軸承的強度、剛度和預緊力進行選擇，確保汽輪機中心的同心度，控制好各個零部件之間的間隙，間隙不能過大也不宜過小，過大則會導致零部件之間相互碰撞，過小則會導致各零部件之間相互接觸磨損。在汽輪機長期運行過程中，不僅零部件之間的會產生膨脹，而且連接銷系統也會存在這個問題，一旦潤滑油達不到潤滑的作用，則會導致機組變形的產生，從而引發振動故障。

4、汽輪機中心不正引起振動

（1）機組啟動過程，低、中、高速暖機時間不夠或升速過快，機組并網后加負荷過快，都會引起汽缸受熱膨脹不充分受熱不均勻，使機組滑銷系統工作不正常，汽缸自由膨脹不充分，造成汽輪機動、靜部分有偏差，汽輪機組出現不規則的移動，造成振動；（2）在機組運行期間，操作不當出現背壓升高現象，引起低壓缸排汽溫度升高，軸承座受熱過大而向上拱起，造成汽輪機組的中心不正，引起振動；（3）在機組安裝初期靠背輪安裝中心沒找準，這種情況下運行時會產生振動，且這樣的振動是隨機組負荷的增大而振動幅度增加；（4）過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度超過設備設計條件下運行，會讓汽輪機脹差增加，如高壓軸封向上拱起等，這樣會使機組中心線偏離超過允許規定范圍，造成機組振動。

5、轉子熱變形導致的機組異常振動

轉子熱變形引發的振動特征是一倍頻振幅的增加與轉子溫度和蒸汽參數有密切關系，大都發生在機組冷態啟機定速后帶負荷階段，此時轉子溫度逐漸升高，材質內應力釋放引起轉子熱變形，一倍頻振動增大，同時可能伴隨相位變化。由于引起了轉子彎曲變形而導致機組異常振動。轉子永久性彎曲和臨時性彎曲是兩種不同的故障，但其故障機理相同，都與轉子質量偏心類似，因而都會產生與質量偏心類似的旋轉矢量激振力與質心偏離不同之處在于軸彎曲會使兩端產生錐形運動，因而在軸向還會產生較大的工頻振動。另外，轉軸彎曲時，由于彎曲產生的彈力和轉子不平衡所產生的離心力相位不同，兩者之間相互作用會有所抵消，轉軸的振幅在某個轉速下會有所減小，即在某個轉速上，轉軸的振幅會產生一個“凹谷”，這點與不平衡轉子動力特性有所不同。當彎曲的作用小于不衡量時，振幅的減少發生在臨界轉速以下；當彎曲作用大于不平衡量時，振幅的減少就發生在臨界轉速以上。針對轉子熱變形的故障處理就是更換新的轉子以減低機組異常振動。沒有了振動力的產生機組也就不會出現異常振動。

6、發電機內部故障引起振動

發電機轉子繞組匝間短路，匝間短路會使一部分線圈失去作用，這樣磁場就會發生偏斜；匝間短路會使繞組發熱變形而引起振動；發電機轉子和定子之間的氣隙不均勻，這樣會使磁吸力不均勻產生振動，定子鐵芯的振動產生的局部共振會傳遞給軸瓦引起機組振動。汽輪機本體設備部件松動引起小幅度的振動。