汽轮机组现场动静碰磨故障的振动特征及分析诊断方法

汽轮机组现场动静碰磨故障的振动特征及分析诊断方法

杨国栋曲文波李光磊

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司哈尔滨150046）

摘要：汽轮发电机组动静部件碰磨是当前大型机组现场常见重要故障。碰撞的原因涉及到多方面:设计通流间隙过小、膨胀系统不合理;制造加工超差、大件原材料热处理不适当;现场安装轴系标高、扬度、对轮对中、高差、张口不合格或设计部分提供的要求不正确;运行参数控制不当;检修缺陷等。碰磨故障内在机制复杂,振动特征较之其它故障呈现多样性和不确定性,随碰磨的类型、程度和阶段差异很大;还往往受到外部环境影响,如测点类别、测量分析仪器采样率、分辨率等。基于此，本文主要对汽轮机组现场动静碰磨故障的振动特征及诊断方法进行分析探讨。

关键词：汽轮机组；现场动静；碰磨故障；振动特征；诊断方法

1、前言

汽轮发电机组动静部件之间碰摩是日常运行中常见故障，转子碰摩会产生复杂的振动情况，而对转子碰摩的研究大多基于理论和实验室数据，由于现场振动特征具有多样化，振动起因多元化，因此实际机组的碰摩情况远比模拟实验复杂的多。转子碰摩故障若不及时发现并处理可能会造成严重后果，例如转轴的永久弯曲，更严重的可能会造成整个轴系毁坏，因此对碰摩故障进行准确判断分析，及时正确处理转子碰摩故障，可有效提高机组的运行安全性。

2、机组动静碰摩原因及振动特性

2.1机组动静碰摩原因

汽轮机动静碰摩通常发生在隔板汽封、叶片围带汽封以及轴端汽封，同时也有可能发生在轴承油挡、挡汽片部位，以下列出了动静碰摩的常见原因。

a.机组径向碰摩的常见原因一般分为以下几种情况：动静间隙太小；转动轴承振动过大；转子与轴承对中不好；缸体或轴承座的跑偏、弯曲或变形。

b.机组轴向碰摩的常见原因一般分为以下几种情况：推力轴承损坏以及轴向力不平衡；隔板材料问题；轴向位移及胀差控制效果差。

2.2机组动静碰摩机理及振动特征

通常情况下，机组动静部位的碰摩为局部碰摩，这样由于转子高速旋转会使摩擦部位产生高温，这时转轴表面受热不均发生转子热弯曲变形，从而引起新的质量不平衡。由于在未发生碰摩故障时，振动高点滞后于不平衡量一个角度，碰摩发生后高点产生高温使其发生形变，结果在其反方向产生新不平衡量，这个不平衡量与原有不平衡量合成新平衡量后产生一个逆转角度，这个逆转角度是基本不变的，也就是高点相对于新不平衡量点的滞后角度不变，这使得在碰摩故障中相位呈周期性变化。摩擦振动是非线性振动，会使振动频率中出现高频和低频成分。转子与静止件碰摩还会使转子发生横向自由振动，其振动频率与转子涡动频率一致，是碰摩过程中的主要频率；同时转子在旋转过程中会绕转子中心点振动，其运动轨迹就是轴心轨迹，当动静碰摩发生时轴心轨迹会也随转子涡动而发生涡动。动静碰摩的振动特征：振幅主要以1倍频为主，伴随高频或低频出现；同时相位出现周期性变化；轴心轨迹发生涡动。

3、动静碰摩故障易发部位及处理措施

3.1机组经常发生碰摩的部位

动静碰摩所表现出的振动特征与碰摩位置、碰摩状态、造成原因以及汽轮机组工况等都有关系。常见的碰摩位置是油挡、轴端汽封等部位。机组不同部位所发生的碰摩一般表现出不同的振动特征，在此对一些容易发生动静碰摩部位的振动情况进行介绍。

a.转子与固定油挡的碰摩。当转子振动很大，或者油挡间隙调整的太小时，会出现转子与固定油挡接触从而引发碰摩的情况。

b.转子与端部汽封的碰摩。高、中压转子在机组启动或是中速暖机过程中容易发生碰摩故障。

c.发电机转子与密封瓦的碰摩。

d.转子与浮动油挡的碰摩。由浮动油挡引起的振动常表现出轴承振动迅速攀升，后又逐渐减小，振动周期不稳定等情况。

e.转子与碳刷的碰摩。机组运行过程中，发电机的滑环与碳刷以及励磁机整流子与碳刷时刻保持接触，二者之间会出现连续摩擦。

3.2动静碰摩故障识别及处理措施

3.2.1故障识别

汽轮机组动静碰摩有多种征兆，现场对于碰摩故障的识别一般都是通过这些征兆来判断的，振动信号的特征同外界因素有密切联系，所以采用哪些征兆来识别碰摩故障就显得尤为重要。对于径向碰摩故障的识别一般可以通过分析振动数据来判断，现有的诊断方法主要是根据振幅、相位、频谱和轴心轨迹特征进行判断，一般径向碰摩会发生振幅波动及相位持续变化，同时轴心轨迹也会发生涡动。针对轴向碰摩一般是通过检测轴向位移以及胀差两个振动指标来判断。现场动静碰摩主要判别依据有：转速不变情况下，振幅缓慢变化，主要为1倍频变量，同时相位不断改变；轻微碰摩时不会出现高频增大的现象，当出现严重碰摩现象时，2倍频、3倍频成分明显增大；碰摩主要发生在定速暖机、带负荷以及升速过程中，其主要根据定转速工况下的振幅、相位变化情况来进行判断。

3.2.2处理措施

a.有效控制轴的振动，在确保安全运行的基础上进行“磨合”。

b.启动过程中发生碰摩时，当转速在临界转速以下时不能强行升速，应打闸停机进行盘车，振动正常后再启动。当转速在临界转速以上时，在可控振动转速上定速，磨合一段时间后再升速。

c.若带负荷过程中有碰摩情况出现，正常振动范围内可以密切观察振动情况，以磨出合适间隙。

d.若振动持续增大，应降低负荷或者停机。

e.开启顶轴油泵，以减小密封瓦与转子壳体之间出现的摩擦振动。

4、实例分析

4.1机组概况

某电厂机组为CN300/220-16.7/0.3/537/537型冲动式、亚临界、中间再热、两缸两排汽、抽汽凝汽式汽轮机，额定功率为330MW，主蒸汽压力为16.7MPa，主蒸汽温度为537℃，再热蒸汽压力为3.047MPa，再热蒸汽温度为537℃。发电机为QFSN-300-2-20B型水－氢－氢冷发电机，采用静态励磁。汽轮发电机组轴系由高中压转子（HIP）、低压转子（LP）、发电机转子（GEN）及集电环转子（E）组成，各转子之间均采用刚性联接。轴系由7个轴承支撑，汽轮机两个转子为双支承方式，发电机与集电环采用三支承，高中压转子的1号瓦、2号瓦为可倾瓦、落地式，低压转子的3号瓦、4号瓦为圆筒瓦，坐落在排汽缸上，发电机的5号瓦和6号瓦为端盖式椭圆瓦。试验采用美国本特利公司生产的ADREFORWINDOWS208DAIU8通道振动数据采集分析系统进行测试与分析。

4.2机组振动情况分析及处理措施

启动时对机组进行了振动测试，通过测试发现：机组3号、4号轴承振动呈周期性变化，其频谱和轴心轨迹也出现一定规律性。机组3号轴承X方向和4号轴承X方向振动都呈周期性波动，波动周期为8h左右，在一个变化周期内3号轴承X方向振动幅值在35～50um，相位在60°范围内变化；而同一个周期内4号轴承X方向振动变化幅值为85～120um，相位变化范围为360°。怀疑3号、4号轴承位置发生碰摩故障。

分析原因为转子在3号、4号轴承位置受到碰摩，在直径方向上受热不均匀引起热弯曲，产生旋转性不平衡。当转子热弯曲产生的不平衡量与转子不平衡量完全重合时，呈现的振动最大；相反，呈现的振动最小。由于碰摩状态近似恒定和持续的存在，碰摩产生的热弯曲所引起的不平衡量基本稳定；4号轴承X方向振动相位在360°内变化，3号轴承X方向振动相位变化范围仅为60°，说明在4号轴承处碰摩产生的振动要大于其原来的振动，在3号轴承处碰摩产生的振动小于其原始振动；3号轴承的动刚度远高于4号轴承，因此4号轴承的不平衡响应高于3号轴承，所以该处的碰摩较3号轴承处会产生更为显著的振动。而浮动油挡作为轴瓦的外油挡，一般情况下少量的漏油在转子与浮动环之间形成油膜，但是在个别情况下由于漏油量较小，不能满足油膜的正常形成，造成转子与油挡摩擦。由于该机组发电机为氢冷，未安装密封瓦，基本可以确定为轴瓦油挡与转子碰摩。

停机调整浮动环与转子间隙，适当增加漏油量后，重新启机其振动恢复正常。

5、结语

碰磨振动信号是机组振动故障中最为复杂的一种,它具有多种征兆,与碰磨条件密切相关的不稳定特征,并有混沌性质的不确定性。在机组碰磨时,振幅缓慢变化,相位也可能同时出现规律性变化。

参考文献：

[1]施维新.振动故障诊断原理及发展[J].中国电力，2008，03:48-52.

[2]张学延.汽轮发电机组振动判断[M].北京:中国电力出版社，2008

作者简介：杨国栋（1987-），男，工程师，现从事汽轮机轴系研发和振动处理工作