4^_汽轮发电机组振动故障诊断及其对策

冶 金 动 力 METAL1．URGI( L POWER 2006年第6期 总第 118期 4撑汽轮发电机组振动故障诊断及其对策 胡 锋 (新钢钒股份有限公司热电厂 ，四川攀枝花，617062) 【摘 要】简要介绍了攀钢4I汽轮发电机组的振动事故，对产生的振动现象逐一进行。给出了油膜 涡动和油膜振荡是导致机组剧烈振动的原因，并提出了相应对策，以有效避免事故的发生。 【关键词】振动 ；油膜涡动 ；油膜振荡 【中图分类号】TK26 【文献标识码】B 【文章编号]1006—6764(2006)06-0044—03 Vibration Failure Diagnosis of Turbo Generator Set and Counte：rmeasures HU Feng (Ueat Power f 吣 Panzhihua New Steel-Vanadium Go．， 硅，Panzhihua,Siehuan 617062,删 ， 【Abstract】 The vibration failures of 4 turbo generator set of Panzhihua Iron&Steel Co．．Ltd．are briefly presented．Th e vibration causes are analyzed one by one．The causes are that whirling and surging of oil film result in violent vibration of the set． Th e related COUrt— termeasures are raised to avoid the failures． 【Key words】vibration；whirling of oil film；surging of oil film 1 概述 2006年4月9日7时9分，我厂 汽轮发电机 组定修后并网升负荷到 6 150 kW时， 瓦振动突 然增大，在降负荷过程中振动上升到最大，从 0．037 31 mm增加到0．170 98 mm，解列后振动仍 然没有彻底消除，继续降低转速到 2 500 r／min，7 时 15分振动值才恢复到 0．029 64 mm。机组在 2 500 dmin下运转3 h后再次并网升负荷，振动正 常。并接带上满负荷运行。 整个振动过程主要运行参数变化情况如表 1。 衰 1 机组振动过程的参数变化 2 机组振动的原因 异常振动经常发生在汽轮发电机组启动过程 中，它可分为强迫振动和自激振动。强迫振动是由外 界激振力引起的，对汽轮发电机而言，激振力主要是 机械激振力和电磁激振力；自激振动是振动系统通 过本身运动不断向自身馈送能量，自己激励自己。汽 轮发电机转子自激振动主要是油膜自激、间隙自激、 摩擦涡动等原因造成的。【 ] (1)机械激振力引起的强迫振动 由于转子的质心不在旋转中心线上。转子旋转 时就产生不平衡的离心力，使机组运行时发生振动。 转子质量中心线偏离旋转中心线。可能是由于冷态 时就存在静不平衡和动不平衡。也可能是运行中因 转子沿圆周受热不均，产生热弯曲所致。运行中的汽 轮机也有可能由于残余应力及材料不均匀．以致在 温度变化时振动增大。运行中出现动叶片和拉筋断 裂、动叶不均匀磨损、蒸汽中携带的盐分在叶片上不 均匀沉积等，都会使转子产生动静不平衡，引起振 维普资讯 http://www.cqvip.com 20o6年第 6期 总 第 118期 冶 金 动 力 METALLURGICAL P( ，ER 45 动。 发电机转子有效段的不均匀加热和不均匀冷却 也会引起转子的热不平衡，产生振动，主要有以下四 个原因：转子线圈中的匝问短路；转子线圈槽绝缘厚 度不均匀．温差不同；转子水冷时，冷却水沿各个平 行支路分布不均匀；在装配式转子中，在离心力和热 膨胀的影响下，铁芯与轴配合松动，使铁芯靠向轴的 一 侧．与铁 接触的一侧轴温高于远离铁芯的一侧， 产生振动。 由于动静摩擦．转子承受附加的不平衡力，也会 产生振动。 (2)电磁激振力引起的强迫振动 发电机转子线圈匝问短路。当发电机转子线圈 中大量的匝问短路集中出现在一个极上时，则磁通 量沿着定子内孑L圆周上的均匀分布可能受到极大歪 曲，这时会出现一个沿着电极的曲线方向把转子单 边地拉向定子去的力。这种振动的特点：励磁电流改 变，振动随之变化，如果切断励磁电流，振动即行消 失。 发电机转子与定子间隙的不均匀性而引起的发 电机转子的振动。当发电机转子在其自重作用下形 成静态扰曲，以及旋转时转子在轴承中浮起等原因， 使发电机转子轴线与定子内孔中心线之间总是存在 一 些移动，造成定子和转子之间的空气问隙在圆周 上分布不均匀，当转子在发电机定子中偏心旋转时， 就有周期性电磁力作用在转子上，引起振动。同样， 发电机定子铁芯在磁力作用下也会发生激烈振动。 (3)由于系统刚度的消弱而引起的强迫振动 “转子一支承”线性系统的刚度下降，一方面使系 统振幅增加，另一方面使系统的固有频率下降。系统 刚度不足产生的振动，其特点同于质量不平衡产生 的振动，但有时亦出现高次谐波，这主要是由于部件 裂纹处、直接破坏处存在着微小的冲击作用所致。 引起刚度降低的主要原因是：汽轮发电机组各支承 瓦、轴承座、基础框架等主要部件之问连接刚度减 弱：轴承座和基础台板之间脱开或出现问隙；在基础 承载元件中出现裂纹。 (4)轴承油膜振荡引起的振动 油膜振荡是使用滑动轴承的高速旋转机械出现 的一种剧烈振动现象。轴颈在轴承中旋转时，受到油 膜的作用，在外载荷作用下，轴颈中心相对于轴承中 心偏移一定的位置而运转，油膜的作用将使轴颈在 轴承中产生涡动。油膜一旦失去稳定，轴颈在轴承中 总是保持涡动，涡动随转速的升高而加剧，且基本为 转子转动速度的二分之一，称为“半速涡动”。当转速 升高到二倍于转子第一临界转速时。“半速涡动”与 转子一阶临界转速相遇，使转子振幅猛增，称为“油 膜振荡”。 油膜振荡有以下特点： 振动的波形突然发生变化，并且振动波形中除 5O Hz的正弦波外，还出现低频谐振。使振动波形发 生畸变；随着轴承振幅的突然增大，机组的声音也发 生异常。好像在抖动一样，在轴承附近往往可昕到 “咚咚”的金属撞击声；油膜振荡一旦发生后，涡动速 度将始终保持等于第一临界转速，而不再随转速的 升高而升高，这种共振状态能够在一较宽的转速变 动范围内保持，称为油膜的惯性效应。油膜振荡是不 能用提高转速的办法来消除的。 (5)转子间隙自激振荡 汽轮机转子与汽缸在动叶顶部和汽封处存在问 隙，蒸汽从这些问隙流过。当动叶顶部间隙内蒸汽在 圆周上泄漏不均匀或汽封间隙不规则使汽封进口I司 隙大于出口间隙时，导致蒸汽在动叶上产生一个不 平衡的切向力，其方向与转子的弯曲方向垂直。引起 自激振荡。间隙振荡一般在高压缸中发生，压力越 高，越容易发生。间隙振荡与负荷有关。当汽轮机达 到一定负荷时，突然发生剧烈振荡：负荷减小时，振 荡便突然消失，振动的频率与转子一阶临界转速相 同。 3 振动原因分析 图 1为汽轮机前轴承振动频谱图，图2为汽轮 机后轴承振动频谱图，图3为发电机汽机端振动频 谱图。 幅值 0．87 X=50 Y=O．655 1 频率 图1 汽轮机前轴承振动频谱图。 图2 汽轮机后轴承振动频谱图 维普资讯 http://www.cqvip.com 冶 金 动 力 M印1AI I I JllGIcAL PI 2OO6年第6期 总第 118期 图 3 发电机汽机端振动频谱图。 图1～3频谱图是在 3 000 kW负荷时测量的， 可以看出都出现了半频信号，说明发生了油膜涡动。 在负荷增加到6 000 kW的过程中，涡动恶化，振动 加剧．但在降负荷过程中涡动继续恶化，以致出现了 油膜振荡．不得不解列运行。2 瓦垂直最大振幅 3．996 mm／s，1 瓦垂直最大振幅0+655 1 mm／s，3 瓦 垂直最大振幅0．720 6 mm／s，即在3 000 kW负荷 时 瓦的垂直振幅就已经高出 1 瓦和 3 瓦5倍 多。 该机组解列后转速维持在 3 000 r／min时振动 仍然没有消除．随后降转至2 500 r／min振动才基 本消除。维持此转速运行 3 h后未做其他任何处理 继续升速，接带至满负荷，振动全部消除。从此过程 来看，完全可以排除机械激振力引起的强迫振动；由 于3 瓦振动变化小。也可以排除电磁激振力引起的 强迫振动：由于系统刚度在整个升速升负荷过程中 不变．同样可以排除由于刚度的消弱而引起的强迫 振动。振动在降低负荷后仍然没有及时消除，也可以 排除转子间隙自激振荡。由此可以判定，4 汽轮发电 机组2*瓦振动是由油膜振荡引起的．它符合油膜振 荡的几个条件：振动变化突然。降低负荷和转速后振 动仍然不能消除，符合油膜振荡的“惯性效应”。 4 对策 (1)提高轴承进油温度阁 油温对油膜振荡影响很大，当其它条件不变时， 油温高则油的粘度低，最小油膜厚度变小，轴承的工 作点、油膜刚度和阻尼系数都将发生变化。一般情况 下，油温高，最小油膜厚度小，偏心率大，轴承不易产 生油膜振荡。 汽轮发电机组在最大振动时 瓦回 油温度由61．98℃下降到6o．48℃，降低了1．5℃． 润滑油粘度增大，有利于油膜振荡的形成和发展，随 着油温升高到62．17℃上升了1．69℃时．振动恢复 正常。运行实践证明，机组正常运行时 瓦振动受 油温的影响也较大。 (2)调整各轴承标高，以增加 瓦负载圈 机组安装是在转子不旋转的情况下进行轴承中 心位置找正的，但在运行过程中，由于机组的热变 形，转子在油膜中浮起，以及真空度、地基下沉不均 匀等因素的影响，轴系对中情况将发生变化，即标高 产生起伏。所以在热态下轴承的负荷将重新分配．有 可能使个别轴承过载，个别轴承的负荷偏低。就本机 组而言，因基础浇注本身存在缺陷，运行时司机平台 振动大，极有可能存在 2 瓦负载偏低。导致油膜振 荡的产生。同时还可以缩短轴瓦工作段长度，减少长 径比，以增大比载荷。 (3)调整轴瓦间隙 轴瓦间隙影响轴承的稳定性．主要是由于影响 轴承运行的最小问隙，最小间隙是稳定工作的重要 依据。最小间隙越小，轴承工作越稳定。 (4)其它因素[41 根据国内外文献及试验说明，轴承紧力、支承座 和基础的刚度等都会对轴系稳定性产生影响。定性 地讲，支承刚度、阻尼增大稳定性提高，特别是增大 阻尼对提高稳定性有明显的作用。 5 结论 4 汽轮发电机组此次振动现象具有典型性，对 流体动力润滑的研究证明，轴颈在油膜上的稳定性 与轴承中的相对偏心率有关，偏心率越大，失稳转速 越高，当偏心率为 0．8时，在汽轮机正常转速变化范 围内轴颈在轴承中就不会发生油膜振荡。所以凡是 能增大轴颈偏心率的因素都有助于避免油膜振荡的 发生。从该机组正常运行时 瓦振动变化情况来 看，该瓦结构存在缺陷，即轴承间隙小，工作段过长， 其稳定性能受油温变化影响较大．因此建议更换 瓦，可有效消除油膜振荡。 [参 考 文 献】 【1】裘烈钧．大型汽轮机运行【M】．北京：水利电力出版社．1992．9． 【2】谢志江．设备状态监测与故障诊断技术[M】．重庆：重庆大学出版社． 1998．2． 【3】沈士一等．汽轮机原理[M】．北京：水利电力出版社．1991．6+ 【4】曲庆文等．油膜振荡的特征及判别方法【M】．西安：西北工业大学出 版社．2000．I 收稿 日期：2006-09-01 作者简介：胡~(1978一)，男。热能动力助理工程师 ．2001年6月毕 业于长沙理工大学动力工程系，现从事汽轮机组的运行维护与设备 管理等工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com