探討從安裝及運(yùn)行角度談汽輪發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)原因

秦遼亮

（中國(guó)電建集團(tuán)河北工程有限公司，河北 石家莊 050021）

汽輪發(fā)電機(jī)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，不可避免的會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，如果只是細(xì)微的振動(dòng)，通常不會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行造成影響?？墒?，如果振動(dòng)幅度超出了一定標(biāo)準(zhǔn)，汽輪發(fā)電機(jī)組的一些零部件就很可能因振動(dòng)而遭到破壞。當(dāng)零部件損壞后，零件之間也會(huì)產(chǎn)生異常摩擦和振動(dòng)，在惡性循環(huán)中進(jìn)一步危害設(shè)備性能。

1 汽輪發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

汽輪發(fā)電機(jī)主要由轉(zhuǎn)動(dòng)部分、靜止部分兩大結(jié)構(gòu)組成，轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括連軸承葉輪主軸與運(yùn)動(dòng)葉片；靜止部分主要指的是軸承隔板汽封。在高溫、高壓環(huán)境下，轉(zhuǎn)動(dòng)部分會(huì)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這也是汽輪發(fā)電機(jī)的工作模式。汽輪發(fā)電機(jī)還包括發(fā)電機(jī)鍋爐凝氣裝置等配套裝置，是一種兼并型的重型機(jī)械設(shè)備。由于是在高溫、高壓下運(yùn)行，因此汽輪發(fā)電機(jī)的功率要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的往復(fù)式蒸汽機(jī)。安全是設(shè)備運(yùn)行的首要原則，在連續(xù)性的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，單位面積所產(chǎn)生的蒸汽流量極大，一旦發(fā)生運(yùn)行故障，就會(huì)泄露蒸汽溫度與壓力，特別是大功率的汽輪發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的熱效率極高，正因如此，研究汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性、耐用性、可靠性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽輪發(fā)電機(jī)的性能已經(jīng)有了極大改善，如何維護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行成為各大電廠日常工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 汽輪發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)的原因分析

2.1 安裝原因

安裝過(guò)程中，如果操作不規(guī)范，安裝流程錯(cuò)誤，就很容易埋下安全隱患，汽輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)，一方面與安裝質(zhì)量有關(guān)，另一方面也與基礎(chǔ)或者管道有關(guān)。比如轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量不平衡，機(jī)組中各轉(zhuǎn)子沒(méi)有很好的對(duì)中，受熱部件在安裝時(shí)沒(méi)有預(yù)留出熱膨脹的空間，軸承和軸瓦的安裝間隙不合理，部分機(jī)件的配合尺寸不合乎要求，軸承座中瓦殼沒(méi)有良好固定，以及軸瓦巴氏合金出現(xiàn)龜裂和脫層，機(jī)組基礎(chǔ)不符合安裝要求等。

2.2 軸承座的安裝

除了嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)安裝以外，還要保證軸承座的幾何中心與軸頸的承力中心相互重合。否則，汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，軸承座的底面和基礎(chǔ)面很容易貼合不緊而產(chǎn)生軸向振動(dòng)。除此之外，還應(yīng)嚴(yán)格參考圖紙中的數(shù)據(jù)參數(shù)明確汽輪機(jī)和兩端軸承的標(biāo)高，合理分配負(fù)荷，以免機(jī)組發(fā)生自激振動(dòng)。如果兩端的軸承負(fù)荷沒(méi)有合理分配，那么負(fù)荷較大的一端，軸瓦鎢金溫度會(huì)更高，很容易因此而產(chǎn)生碾瓦現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組的異常振動(dòng)。

2.3 低壓缸排汽口和凝汽器頸部的安裝

工作人員需要把百分表設(shè)置在汽封洼窩處和低壓缸的四個(gè)支撐腳部位，用來(lái)保證施工過(guò)程中不會(huì)被外力影響，避免低壓缸在外力作用下而變形，最終導(dǎo)致機(jī)組中心偏移而發(fā)生振動(dòng)。

2.4 汽缸和缸內(nèi)部件的中心找正

工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)與相關(guān)規(guī)范施工，保持缸體中心和隔板中心的一致、轉(zhuǎn)子中心和轉(zhuǎn)扳中心的一致，不然就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜間隙不均勻，汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，蒸汽會(huì)不均勻的泄露在圓周上，導(dǎo)致間隙的自激振動(dòng)。動(dòng)靜部分的中心如何嚴(yán)重超標(biāo)，也很容易引發(fā)動(dòng)靜的相互摩擦，造成轉(zhuǎn)子熱彎曲、運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定等各種問(wèn)題，最終出現(xiàn)強(qiáng)迫振動(dòng)現(xiàn)象。

2.5 軸系的安裝

水平擺放轉(zhuǎn)子時(shí)，可能會(huì)受到轉(zhuǎn)子自重的影響而產(chǎn)生靜撓曲，所以安裝完各機(jī)組的轉(zhuǎn)子后，還會(huì)把轉(zhuǎn)子的重心線連接在一個(gè)光滑、連續(xù)的曲線上，從而維持各軸承的負(fù)荷一致。以此為基礎(chǔ)來(lái)連接整個(gè)轉(zhuǎn)子，才能維持轉(zhuǎn)子運(yùn)行的良好穩(wěn)定性。明確轉(zhuǎn)子揚(yáng)度后，還要確定汽輪發(fā)電機(jī)的縱向水平，最后確定各個(gè)軸承的負(fù)荷、軸向力、轉(zhuǎn)子受力以及轉(zhuǎn)速。聯(lián)軸器和軸頸要保持重心，用連接螺栓使二者對(duì)稱，保證轉(zhuǎn)子即使在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，仍能避免軸系同心度、平直度不符合標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的振動(dòng)激振力，有效避免機(jī)組的異常振動(dòng)。

2.6 軸承的安裝

目前很多汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸采用的都是可傾瓦式，不僅穩(wěn)定性良好，而且還能有效防止油膜的異常振動(dòng)。采用可傾瓦式的軸承安裝，能夠維持可傾瓦的自由擺動(dòng)，既可以提高支撐柔性，又能吸收轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)能量，從而達(dá)到理想的減振效果。安裝軸承時(shí)，支撐軸承的軸承蓋和軸瓦之間要維持合理的緊力，支撐軸承的墊塊，必須要達(dá)到可以承受軸承重量的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也要具備承受轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所形成的離心力的能力。安裝時(shí)應(yīng)保證墊塊的均勻承重，避免出現(xiàn)強(qiáng)烈的異常振動(dòng)。

2.7 滑銷系統(tǒng)的間隙調(diào)整

汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，缸體會(huì)在高溫高壓的作用下產(chǎn)生熱膨脹，為了避免這一現(xiàn)象，需要將滑銷設(shè)計(jì)在缸體上，從而引導(dǎo)汽輪發(fā)電機(jī)組按照既定方向自由的膨脹與收縮。工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)安裝，預(yù)留出銷槽間隙，保證滑動(dòng)面的光滑與平整。

2.8 空氣間隙與磁力中心的安裝

當(dāng)電力經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致大電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間出現(xiàn)不均勻的氣隙，造成因電磁性能不良而引起的機(jī)組異常振動(dòng)。

3 運(yùn)行原因

汽輪發(fā)電機(jī)的錯(cuò)誤運(yùn)行操作、過(guò)度損傷和磨損都會(huì)引起異常振動(dòng)，比如蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、變速器齒輪軸、聯(lián)軸器上的一些轉(zhuǎn)動(dòng)零件出現(xiàn)變形、脫落、松弛、腐蝕、移動(dòng)；更換回轉(zhuǎn)體零件但有沒(méi)有做好平衡，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)體重心位置發(fā)生變化，輪子原本的平衡狀態(tài)被打破；啟動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)之前，沒(méi)有進(jìn)行均勻預(yù)熱造成機(jī)殼變形，機(jī)組內(nèi)部的靜止部件間隙不一致；機(jī)組運(yùn)行的轉(zhuǎn)速太接近實(shí)際的臨界轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生共振；管路和機(jī)組的連接不符合要求；汽缸內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和汽封偏心，蒸汽出現(xiàn)自激振蕩而引發(fā)異常振動(dòng)。

（1）啟動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)時(shí)，如果暖機(jī)時(shí)間不足、負(fù)荷過(guò)大、升速過(guò)快，則汽缸很容易出現(xiàn)不均勻受熱膨脹的現(xiàn)象，導(dǎo)致滑銷系統(tǒng)的異常運(yùn)行，還會(huì)造成汽缸對(duì)轉(zhuǎn)子的偏斜，汽輪發(fā)電機(jī)組由此出現(xiàn)異常位移和振動(dòng)。

（2）汽輪發(fā)電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，如果進(jìn)入冷氣、冷水，則汽缸會(huì)因?yàn)橥蝗恍缘睦鋮s而發(fā)生拱背變形，造成轉(zhuǎn)子的摩擦。在高溫狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子一旦遇到冷水和冷氣，下半部便會(huì)冷卻，引起表面收縮，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的彎曲和變形，汽輪發(fā)電機(jī)因此出現(xiàn)異常振動(dòng)。

（3）如果汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)入了蒸汽（水）就會(huì)產(chǎn)生水沖擊，增加轉(zhuǎn)子軸向推力以及不平衡的扭力，轉(zhuǎn)子會(huì)因此產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。

（4）如果汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、靜子之間的間隙不均勻，或者出現(xiàn)線圈短路故障，也會(huì)引起機(jī)組的異常振動(dòng)。

（5）汽輪電機(jī)組運(yùn)行時(shí)如果出現(xiàn)真空下降，低壓缸的排氣溫度就會(huì)上升，后承軸受熱，破壞機(jī)組，因此出現(xiàn)異常振動(dòng)。

（6）如果汽輪發(fā)電機(jī)組的進(jìn)汽溫度突破了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就很容易造成汽缸的嚴(yán)重變形，機(jī)組中心的移動(dòng)也會(huì)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，引起異常振動(dòng)。

（7）如果油膜遭到破壞或者失去穩(wěn)定性，則軸瓦鎢金就會(huì)被燒毀，因受熱而引起軸頸彎曲，導(dǎo)致異常振動(dòng)。

4 汽輪發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)的危害性

（1）造成發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子損壞，勵(lì)磁機(jī)整流子出現(xiàn)不均勻的磨損，橢圓度太大，導(dǎo)致電刷冒火。

（2）轉(zhuǎn)子和汽封環(huán)之間產(chǎn)生摩擦，造成損壞，汽封間隙變大，加重了蒸汽耗損，轉(zhuǎn)子的軸向推力變大，推力軸瓦的溫度迅速上升，導(dǎo)致?lián)p壞。如果轉(zhuǎn)軸部位產(chǎn)生摩擦，還會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲，軸與軸承的振動(dòng)幅度會(huì)更大。

（3）汽輪發(fā)電機(jī)嚴(yán)重振動(dòng)，直接影響了保護(hù)儀表，甚至還會(huì)促使保護(hù)儀表出現(xiàn)誤動(dòng)作，導(dǎo)致停機(jī)。

（4）滑銷系統(tǒng)的磨損會(huì)造成機(jī)組膨脹、失常。

（5）會(huì)增大部分零件的動(dòng)應(yīng)力，導(dǎo)致零件因過(guò)度疲勞而損壞，尤其容易造成軸瓦鎢金破碎。

（6）異常振動(dòng)會(huì)發(fā)出很大噪音，影響工作人員的狀態(tài)。

（7）發(fā)電機(jī)定子與線圈的異常振動(dòng)會(huì)讓鐵芯溫度過(guò)高而損壞，導(dǎo)致繞組和繞組之間出現(xiàn)對(duì)地短路。

正是因?yàn)槠啺l(fā)電機(jī)異常振動(dòng)具有較大的危害性，所以及時(shí)排查、維修故障，保證汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行十分重要。汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程涉及到汽體三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，能量先從熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再?gòu)膭?dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。零部件的體積較大、數(shù)量較多，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因也比較復(fù)雜，像臺(tái)板接觸不良、軸承座松動(dòng)等故障是肉眼可見的；而轉(zhuǎn)子熱彎曲、轉(zhuǎn)子不平衡、系統(tǒng)共振等故障很可能多次探查也無(wú)法發(fā)現(xiàn)。即使是直觀可見的異常振動(dòng)，也未必能通過(guò)一次性的解體尋找而發(fā)現(xiàn)，所以故障的排查具有一定難度，只能通過(guò)演繹推理，將故障特點(diǎn)作為基礎(chǔ)，結(jié)合異常振動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，或者通過(guò)逐個(gè)排除法來(lái)判斷異常振動(dòng)的性質(zhì)、故障發(fā)生原因和故障部件。

5 汽輪發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)分類與檢測(cè)方法

5.1 振動(dòng)分類

每一種振源的振動(dòng)特點(diǎn)都具有多重反映，以轉(zhuǎn)子不平衡這一簡(jiǎn)單的振動(dòng)故障為例，在升速過(guò)程中，轉(zhuǎn)子可以產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，也可以產(chǎn)生微弱振動(dòng)。不同振源所引起的振動(dòng)特點(diǎn)可以是相同的，比如轉(zhuǎn)子嚴(yán)重不平衡，就會(huì)造成過(guò)大的基頻振動(dòng)。還有支撐的剛度不足、平直度偏差、軸系連接同心度等故障，同時(shí)是基頻振動(dòng)過(guò)強(qiáng)。因此，振動(dòng)故障和震動(dòng)特征之間并非 是相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而是多重交叉的關(guān)系。

要想在各種各樣的異常振動(dòng)故障中通過(guò)振動(dòng)特征來(lái)明確故障顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此要探究一種振動(dòng)分類方法，讓振動(dòng)故障源不產(chǎn)生交叉，振源所引起的各種振動(dòng)故障也不交叉，才能更準(zhǔn)確的辨識(shí)和診斷故障?？梢愿鶕?jù)異常振動(dòng)的性質(zhì)，通過(guò)振動(dòng)頻率或者不同頻率下的振動(dòng)分量可以將振動(dòng)故障分為普通強(qiáng)迫振動(dòng)、電磁振動(dòng)、拍振、汽流激振、隨機(jī)振動(dòng)、軸瓦自激振動(dòng)、參數(shù)震動(dòng)、汽流激振、摩擦渦動(dòng)、高次諧波共振、分諧波共振等幾種性質(zhì)。

每一種異常振動(dòng)故障又包括兩方面的故障原因：一是激振力、二是支承動(dòng)剛度。在異常振動(dòng)較大的情況下，怎樣確認(rèn)、排除故障原因，是在振動(dòng)分類后進(jìn)行故障診斷的首要工作。實(shí)踐表明，通過(guò)檢測(cè)軸承座動(dòng)剛度能夠快速的明確故障。

5.2 承軸座動(dòng)剛度檢測(cè)方法

部件表現(xiàn)出的振幅和作用和部件的激振力成正比，和動(dòng)剛度則成反比?？梢杂霉奖硎荆?/p>

公式1：A=P/Kd

A代表振幅、P代表激振力、Kd代表部件的動(dòng)剛度。

公式2：Kd=KC/μ

KC表示靜剛度、μ表示動(dòng)態(tài)放大系數(shù)。

通過(guò)A=P/KC/μd公式可知，與軸承座動(dòng)剛度相關(guān)的因素有共振放大、靜剛度、動(dòng)態(tài)下的連接剛度。三個(gè)因素的檢測(cè)方法如下。

5.3 共振放大

（1）轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)：轉(zhuǎn)速上升，軸承振幅變大，表示存在共振。改變轉(zhuǎn)速時(shí)，如果軸承的振幅無(wú)明顯變化，可排除共振。

（2）軸承頂部振幅和基礎(chǔ)振幅的比值：在軸承座落在基礎(chǔ)上的情況下，共振時(shí)的振幅取決于轉(zhuǎn)速，同時(shí)軸承座頂部的振幅也非常接近基礎(chǔ)，甚至基礎(chǔ)振幅比軸承振幅更大。

5.4 靜剛度

（1）和同型號(hào)的機(jī)組比較。

（2）和類似的機(jī)組比較。

（3）通過(guò)加重試驗(yàn)檢測(cè)不平衡響應(yīng)。

5.5 連接剛度

發(fā)電機(jī)的后軸承座和臺(tái)板之間如果有絕緣墊，差別振動(dòng)應(yīng)＜7μm，差別振動(dòng)越大，表示故障越嚴(yán)重。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)組設(shè)備中任何零部件出現(xiàn)故障，都可能引發(fā)嚴(yán)重事故，異常振動(dòng)故障除了與安裝、運(yùn)行有關(guān)之外，進(jìn)汽參數(shù)、油溫、油質(zhì)、疏水等因素也可能引起汽輪發(fā)電機(jī)的異常振動(dòng)，只有明確異常振動(dòng)的具體原因，從源頭上解決問(wèn)題，才能保證汽輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。