空冷汽輪機(jī)機(jī)組振動大的原因分析

江向東，王曉建

1 概述

印度某余熱電站空冷汽輪機(jī)機(jī)組在投產(chǎn)運(yùn)行后，2號軸承處存在軸振異?，F(xiàn)象，其特征如下：

（1）機(jī)組每次啟動，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，2號軸承處的軸振幅隨時(shí)間延長而逐漸增大。

經(jīng)調(diào)整試驗(yàn)，松開后汽缸右側(cè)臺板的聯(lián)系螺栓，汽缸座架與臺板隨之出現(xiàn)間隙，2號軸承的軸振幅相應(yīng)減小。運(yùn)行中，測量后汽缸右側(cè)與臺板的間隙，其最大局部間隙為2.2mm。這表明，機(jī)組一直處于后汽缸在左側(cè)單獨(dú)支撐、右側(cè)接觸面一部分懸空的狀態(tài)下運(yùn)行。

機(jī)組停運(yùn)后，后汽缸右側(cè)與臺板接觸面的間隙隨著溫度下降而逐漸減小至消除。

（2）機(jī)組升負(fù)荷過程中，2號軸承處的軸振幅逐漸上升，在接近額定負(fù)荷6MW時(shí)，振幅加速上升，瞬間超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（DL 5190.3-2012，電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范第3部分：汽輪發(fā)電機(jī)組。見附錄H，大型汽輪發(fā)電機(jī)組軸振參考標(biāo)準(zhǔn)，雙振幅＜125μm，為合格值）。

經(jīng)多次改變工況運(yùn)行證明，每次接近額定負(fù)荷時(shí)，2號軸承都會出現(xiàn)軸振動異常。機(jī)組降負(fù)荷時(shí)，振幅即隨之減小。

因條件限制，不能測試機(jī)組的軸振頻率及相位。表1是不同負(fù)荷下各軸承處軸振動值的隨機(jī)記錄。

2 機(jī)組參數(shù)、結(jié)構(gòu)及排汽管道的布置

2.1 機(jī)組的參數(shù)和結(jié)構(gòu)

額定負(fù)荷6MW，進(jìn)汽參數(shù)：溫度325℃，壓強(qiáng)1.25MPa（絕）；排汽參數(shù)：壓強(qiáng)0.022MPa（絕）。

2號和3號軸承布置在中間軸承座上，軸承座為獨(dú)立的落地式軸承座。前汽缸兩側(cè)通過貓爪結(jié)構(gòu)搭在前軸承座上，后汽缸兩側(cè)通過后座架，架在左右側(cè)后臺板上。整個(gè)前、后軸承座和汽缸臺板全部布置在整個(gè)底板上。

表1 各軸承沿X、Y兩方向的軸振動值（單位μm，雙振幅）

采用向上的排汽管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，引排汽出汽機(jī)房至空冷凝汽器。

機(jī)組設(shè)備部分為國內(nèi)制造。其他如排汽管道系統(tǒng)，包括補(bǔ)償器、支架和空冷凝汽器，全部為印度當(dāng)?shù)貜S家設(shè)計(jì)和制造。

2.2 排汽管道的布置

（1）排汽管道結(jié)構(gòu)和布置如圖1所示，排汽管道規(guī)格為DN1 600mm。從發(fā)電機(jī)向汽輪機(jī)看，在排汽中心線右側(cè)約3.31m處，僅設(shè)有一個(gè)固定支架。在水平布置的波形補(bǔ)償器左側(cè)，未設(shè)任何形式的支架。

圖1 印度某空冷汽輪機(jī)機(jī)組（6MW）排汽管道布置

（2）機(jī)組排汽管道至固定支架區(qū)間，在水平和垂直位置，各布置一個(gè)小拉桿軸橫向型的波形補(bǔ)償器。補(bǔ)償器為6（3+3）波。每個(gè)補(bǔ)償器上各有4個(gè)雙頭螺紋拉桿。在補(bǔ)償器的拉伸和壓縮方向，全部采用雙頭螺紋拉桿及螺母緊固。

3 機(jī)組振動故障的影響因素分析

3.1 振動故障的影響因素排查

根據(jù)機(jī)組實(shí)際的振動特征，比較、分析、逐個(gè)排查引起機(jī)組振動故障的全部因素，找出故障的真正原因，這稱為故障診斷的正向推理方法。

根據(jù)上述機(jī)組振動的特征，可以較容易排除的影響因素有：

（1）接近額定負(fù)荷時(shí)，振幅的增加對應(yīng)負(fù)荷的增加。轉(zhuǎn)速不變，說明這不是因轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系中心偏差、聯(lián)軸器松動等引起的普通強(qiáng)迫類振動。

（2）振幅波動持續(xù)時(shí)間較短，未出現(xiàn)突變和發(fā)散。說明這不是由于動靜摩擦引起的非定常強(qiáng)迫類振動，也不是因油膜震蕩和汽流激振等引起的自激類振動。

（3）振幅與轉(zhuǎn)子溫度無關(guān)，說明這不是因汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲等引起的非定常類強(qiáng)迫振動。負(fù)荷增加時(shí)，振幅的增大不是突變，說明也不是因電磁力等引起的電磁激振類振動。

（4）接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，振幅不是急劇增大。說明這不是因共振等引起的普通強(qiáng)迫類振動。

3.2 振動故障的影響因素分析

如上所述，機(jī)組振幅增大的兩個(gè)特征，一是機(jī)組定速后，振幅逐漸增大。這時(shí)需經(jīng)過調(diào)整聯(lián)系螺栓間隙才能維持正常的運(yùn)行；二是當(dāng)負(fù)荷增加，即水蒸氣流量增加時(shí)，對應(yīng)振幅逐漸增大。顯然，汽缸的熱膨脹值也在增加。分析認(rèn)為，這與汽缸熱膨脹不暢引起的非定常強(qiáng)迫類振動有關(guān)。造成振動故障的主要影響因素如下：

3.2.1 滑銷系統(tǒng)卡澀

滑銷系統(tǒng)的作用是既要使氣缸熱膨脹通暢，又要對膨脹導(dǎo)向，以保證動靜部分間隙穩(wěn)定。由汽缸結(jié)構(gòu)可知，前汽缸通過兩側(cè)的貓爪搭在前軸承座上，前軸承座下與前臺板設(shè)有縱銷。后汽缸通過兩側(cè)的后座架搭在后臺板上，座架與臺板設(shè)有橫銷。汽缸受熱時(shí)，是以后汽缸的橫銷為基準(zhǔn)，前汽缸通過貓爪向前推動前軸承座前移來釋放熱應(yīng)力。顯然，如果出現(xiàn)阻礙因素，影響了正常滑動，汽缸的熱應(yīng)力得不到釋放，就會出現(xiàn)彈性位移和變形。目前機(jī)組停運(yùn)至冷態(tài)后，后汽缸右側(cè)與臺板接觸面的間隙尚可隨著溫度下降逐漸減小至消除，但如果這種異常現(xiàn)象長期存在，汽缸則會出現(xiàn)永久變形，即與轉(zhuǎn)子的相對位置出現(xiàn)永久變化，不會恢復(fù)至正常的相對位置。

根據(jù)有關(guān)資料，氣缸熱膨脹不暢將導(dǎo)致軸承座剛度降低。其原因是，汽缸的重量通過前軸承座作用在臺板上，熱膨脹時(shí)，軸承座與臺板之間產(chǎn)生很大的摩擦力。若膨脹受阻，推力不能克服摩擦力，則汽缸貓爪著力點(diǎn)對軸承座以滑動面為支點(diǎn)產(chǎn)生彎矩。這一作用力會使前軸承座發(fā)生傾斜，與臺板接觸面出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致軸承座連接剛度降低。

軸承座剛度的降低，會使軸振和軸承座振動都增大，同時(shí)還會使振動不穩(wěn)定。簡述如下：

振幅A與作用在部件上的激振力P、動態(tài)放大系數(shù)μ成正比，與部件動剛度Kd、部件靜剛度Kc成反比，用公式表示，即

式中，激振力P和轉(zhuǎn)子各項(xiàng)不平衡力等有關(guān)，動態(tài)放大系數(shù)μ和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及自振頻率有關(guān)，部件動剛度Kd和軸瓦與軸頸的油膜有關(guān)，這三項(xiàng)在機(jī)組上始終存在，在這里與振幅增大無關(guān)。靜剛度Kc表示部件產(chǎn)生單位位移所需的靜力。由式（1）可知，靜剛度Kc減小，則振幅A會相應(yīng)增大。

因本機(jī)組的汽缸是處于單側(cè)支撐運(yùn)行狀態(tài)，所以左右兩側(cè)汽缸貓爪傳遞的推拉力不同，從而使軸承座在不同推拉力的作用下，出現(xiàn)圍繞軸承座下縱銷中心線為原點(diǎn)位移的偏轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致縱銷與銷槽咬合，增大了汽缸膨脹時(shí)的摩擦力，造成膨脹不暢。

膨脹不暢除了導(dǎo)致軸承座剛度降低外，還會引起機(jī)組各軸承座之間的相互位置發(fā)生變動，出現(xiàn)各軸承的熱態(tài)不對中，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子中心變動，從而影響整個(gè)軸系的穩(wěn)定性。

同時(shí)，由于汽缸的位移，即轉(zhuǎn)子相對于汽缸發(fā)生偏移，也會危及安全運(yùn)行。

3.2.2 排汽管道系統(tǒng)設(shè)置不合理

排汽管道系統(tǒng)設(shè)置對機(jī)組膨脹有較大影響。汽缸膨脹不暢和管道系統(tǒng)的不合理設(shè)置有關(guān)。

（1）排汽管道固定支架的設(shè)置不正確

如圖1所示，從發(fā)電機(jī)向汽輪機(jī)看，在排汽中心線右側(cè)約3.31m處，設(shè)有固定支架。此設(shè)置會嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的熱膨脹。

如上所述，汽缸支撐在前軸承座和后臺板上，以滑動接觸面的位移來消除熱應(yīng)力。所有與汽輪機(jī)連接的熱力管道，不應(yīng)采用固定支架的設(shè)置方法，可以參照國內(nèi)機(jī)組熱力管道的設(shè)計(jì)。

（2）波形補(bǔ)償器的使用方式錯誤

波形補(bǔ)償器的作用是，依靠波形管壁熱脹或冷縮的彈性變形，來補(bǔ)償機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)，由于排汽溫度變化而導(dǎo)致的排汽管道熱脹或冷縮的熱應(yīng)力影響。

小拉桿軸橫向型補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)的作用是，在吸收橫向位移的同時(shí)還吸收軸向位移。

運(yùn)行時(shí)，波形補(bǔ)償器的雙頭螺紋拉桿，在拉伸和壓縮方向全部用螺母緊固，完全限制了補(bǔ)償器的彈性變形。

國內(nèi)補(bǔ)償器廠家要求，此類型補(bǔ)償器的螺紋拉桿不允許承受內(nèi)壓推力。安裝后務(wù)必將螺母松開并離開耳板一段距離。若實(shí)際補(bǔ)償量大于設(shè)計(jì)值，則必須在安裝后拆除螺紋拉桿。補(bǔ)償器的所有活動部件，不得被外部構(gòu)件卡死或限制其活動部位正常工作。

現(xiàn)場的空冷凝汽器系統(tǒng)廠家要求，補(bǔ)償器螺紋拉桿不允許松開，必須在拉緊狀態(tài)運(yùn)行。因此，在這種使用方式下，波形補(bǔ)償器實(shí)際上并沒有起到任何補(bǔ)償作用。

4 機(jī)組振動故障的處理

由上述影響因素分析，振動故障明顯是汽缸熱膨脹不暢等問題所造成的，若帶著故障長期運(yùn)行，將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和汽缸的動靜部分摩擦、振幅突變和發(fā)散，使故障的處理更為困難，造成更嚴(yán)重的損害。故障處理應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行：

圖2 阿聯(lián)酋某空冷汽輪機(jī)機(jī)組（4.5MW）排汽管道布置

4.1 消除滑銷系統(tǒng)卡澀

修整前軸承座與臺板接觸面，使其接觸和受力均勻，徹底清理縱向銷槽內(nèi)的鐵垢和表面銹蝕，重新調(diào)整縱銷的配合間隙。

4.2 修改排汽管道支架設(shè)計(jì)

（1）將排汽管道的固定支架改為滑動（或彈簧）支架。

（2）在水平布置的波形補(bǔ)償器左側(cè)增加一個(gè)滑動（或彈簧）支架。

支架安裝時(shí)，不可對補(bǔ)償器施加外力，同時(shí)應(yīng)檢查排汽管道系統(tǒng)，消除所有影響膨脹的固定點(diǎn)。

4.3 調(diào)整排汽管道的波形補(bǔ)償器

松開雙頭螺紋拉桿兩側(cè)的螺母，保證運(yùn)行中的波形補(bǔ)償器，不再承受熱膨脹的內(nèi)壓推力。

機(jī)組運(yùn)行中，經(jīng)松開垂直布置的波形補(bǔ)償器的螺紋拉桿進(jìn)行試驗(yàn)，2號軸承的軸振幅即有明顯下降。運(yùn)行一段時(shí)間后，測量后汽缸右側(cè)與臺板的間隙，其最大局部間隙由原來約2.2mm降至約1.1mm。臺板間隙的恢復(fù)說明，只有正確使用波形補(bǔ)償器，才能對熱膨脹真正起到補(bǔ)償作用。

機(jī)組停機(jī)，松開水平位置補(bǔ)償器的拉緊螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，補(bǔ)償器波形附近在重力作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的向機(jī)組側(cè)彎曲低頭現(xiàn)象。這類附加外力導(dǎo)致的變形，補(bǔ)償器是不能承受的。國內(nèi)設(shè)備廠家要求，在補(bǔ)償器上不能有重力加載。補(bǔ)償器與管道的安裝應(yīng)連接平直，不允許強(qiáng)行對接。

如圖1所示，補(bǔ)償器的左側(cè)管道應(yīng)設(shè)置滑動支架，用支架承受重力作用的彎曲應(yīng)力，再松開補(bǔ)償器的拉緊螺栓。

5 幾點(diǎn)體會

5.1 同類型機(jī)組排汽管道的設(shè)計(jì)參考

阿聯(lián)酋某空冷汽輪機(jī)機(jī)組排汽管道的結(jié)構(gòu)如圖2所示，排汽管道規(guī)格為DN1400mm。從發(fā)電機(jī)向汽輪機(jī)看，在排汽中心線左側(cè)距排汽中心線3.75m處，右側(cè)距排汽中心線2.6m處，各有一個(gè)彈簧支架。

機(jī)組排汽管道的水平位置，設(shè)置了一個(gè)橫向大拉桿型的波形補(bǔ)償器，補(bǔ)償器為9（3×3）波。補(bǔ)償器上沿軸向有4個(gè)雙頭螺紋大拉桿。橫向大拉桿型補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)的作用是吸收管系任意平面內(nèi)的橫向位移，同時(shí)大拉桿還能承受內(nèi)壓推力。

排汽管道系統(tǒng)的布置、部件均由國內(nèi)設(shè)備廠家設(shè)計(jì)制造。

在排汽中心線的兩側(cè)，水平布置的波形補(bǔ)償器設(shè)置了兩個(gè)彈簧支架。在汽機(jī)房外的水平管道上設(shè)置的滑動支架也比較合理，從而保證了排汽管道橫向和軸向的膨脹，機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)良好。

經(jīng)對上述同類型機(jī)組的設(shè)計(jì)選型比較可見，4.5MW機(jī)組排汽管道規(guī)格為DN1 400mm，波形補(bǔ)償器的支架等設(shè)計(jì)效果明顯優(yōu)于上述6MW機(jī)組排汽管道規(guī)格DN1 600mm支架的設(shè)計(jì)效果，比較波形補(bǔ)償器橫向補(bǔ)償量的最大值，4.5MW機(jī)組也數(shù)倍優(yōu)于上述6MW機(jī)組。這說明兩機(jī)組的空冷凝汽器廠家對波形補(bǔ)償器疲勞壽命的選取有很大差異。

顯然，國內(nèi)空冷凝汽器廠家對補(bǔ)償器的選擇更為重視。

5.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)對印度某余熱電站機(jī)組振動故障的分析及試驗(yàn)處理，得到了處理同類型機(jī)組故障的經(jīng)驗(yàn)。

通過參考類似機(jī)組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)表明，上述機(jī)組的部分選型和設(shè)計(jì)有差錯，機(jī)組系統(tǒng)不允許有任何影響膨脹的固定部位。在機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，務(wù)必要注意造成機(jī)組故障的影響因素，堅(jiān)持正確的設(shè)計(jì)理念，對系統(tǒng)的重要部分，一定要有設(shè)計(jì)選型的決定權(quán)。