汽轮机组振动专题介绍

汽机人2018-04-15 16:33:31

1. 常用的振动测量参数

常用的振动测量参数有振幅、振动速度(振速)、振动加速度。 对应单位表示为:mm、mm/s、mm/s²。 


振幅是表象,定义为在波动或振动中距离平衡位置或静止位置的最大位移。振幅在数值上等于最大位移的大小。振幅是标量,单位用米或厘米表示。它描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱。系统振动中最大动态位移,称为振幅。 在下图中,位移y表示波的振幅。振动速度反映的是振动能量的大小,振动加速度则表征的是转子激振力的大小程度。

λ=wavelength,y=amplitude


2. 位移、速度、加速度三者的区别

位移、速度、加速度都是振动测量的度量参数。就概念而言,位移的测量能够直接反映轴承/固定螺栓和其它固定件上的应力状况。例如:通过分析汽轮机上滑动轴承的位移,可以知道其轴承内轴杆的位置和摩擦情况。速度反映轴承及其它相关结构所承受的疲劳应力。而这正是导致旋转设备故障的重要原因。加速度则反映设备内部各种力的综合作用。

表达上三者均为正弦曲线,分别有90度,180度的相位差。现场应用上,对于低速设备(转速小于1000rpm)来说,位移是最好的测量方法。而那些加速度很小,其位移较大的设备,一般采用折衷的方法,即采用速度测量,对于高速度或高频设备,有时尽管位移很小,速度也适中,但其加速度却可能很高的设备采用加速度测量是非常重要的手段。


3. 现场的一般选用原则

振动位移:与频率f无关,特别适合低频振动(<10Hz))选用,一般用于低转速机械的振动评定。


振动速度:速度V=Xω,与频率f成正比,通常推荐选用,一般用于中速转动机械(或中频振动(10~1000Hz))的振动评定。


振动加速度:A==Xω²,与频率成正比,特别适合高频振动选用,一般用于高速转动机械(或高频振动(>1000Hz))的振动评定。


其中:

工程上对于大多数机器来说,最佳诊断参数是速度(速度的有效值),因为它是反映诊断强度的理想参数,表征的是振动的能量;所以国际上许多振动诊断标准都是采用速度有效值作为判别参数。振幅相同的设备,它的振动状态可能不同,所以引入了振速。加速度是用的峰值,表征振动中冲击力的大小。


4. 振动速度与位移换算



其中:Sp-p为振动位移峰峰值,Vf:振动速度,A:振动幅值,f:振动频率,n:转子转速。

 

f=50Hz时,振动速度与振动位移对应值见下表:

表1 振动速度与振动位移对应值

5. 汽轮机组轴承振动标准


(1) 附属机械轴承振动标准

表2 附属机械轴承振动标准

(2) 机组轴振动标准

国产200MW及以下机组,一般以测轴承为准,如测轴振动制造厂家无规定时,可参照下表执行。 

表3 大型汽轮发电机组轴振参考标准(双振幅,um)

(3) 轴承振动标准

表4 轴承振动标准(双振幅,mm)

(4) ISO-3945振动标准

表5 ISO-3945振动标准

(5) IEC振动标准

表6 国际电工委员会IEC振动标准(双振幅,um)


6、汽轮机振动原因的危害


汽轮机组结构非常复杂,其振动值的大小会直接影响汽轮机的安全运行。当振动超过某一限值时,轻者噪音增大,影响转子及其零部件的使用寿命;重者动静部分发生摩擦,损坏零部件,甚至造成整台机组毁坏,严重影响安全生产稳定运行。 

汽轮振动异常可能引起的危害和严重后果如下: 
1
、机组部件连接处松动,地脚螺丝松动断裂; 
2、机座(台板)二次浇灌松动,基础产生裂缝; 
3、汽轮机叶片应力过高而疲劳折断; 
4、危机保安器发生误动作; 
5、通流部分的轴封装置发生摩擦或磨损,严重时可能因此引起主轴的弯曲; 
6、滑销磨损,滑销严重磨损时,还会影响机组的正常热膨胀,从而进一步引起更严重的事故;7、轴瓦乌金破裂,紧固螺钉松脱、断裂; 
8、转子护环松弛磨损,芯环破损,电气绝缘磨破,一直造成接地或短路; 


7. 汽轮机振动原因机理分析


(一)设计原因 
轴承选型不合理,造成轴承工作稳定性差,因此产生油膜振荡引起汽轮机组的振动;结构设计刚度不够,产生不平衡或支撑力刚度变化从而引起振动;随热态负荷的增加、各轴瓦振动急剧爬升也可能引起汽轮机组振动。以上都是设计考虑不当所造成。

(二)制造原因 
1、转子不平衡产生的振动;2、联轴器的加工不精确;3、转子制造缺陷产生的振动;4、其他原因。 
(三)安装和检修原因 
1、轴承标高不合理;2、转子中心不正:1.转子与汽缸或静子的同心度;2.轴系连接的同心度和平直度;3.轴承标高;3、轴承特性;4、滑销系统;5、摩擦引起振动;6、转子结垢;7、转子中心孔。 
(四)运行原因 
机组的振动除了与上面的因素有关外,还与机组的运行状况存在很大的关系。 
1、机组膨胀;2、汽缸的上下温差过大;3、真空下降;4、轴封供汽带水;5、轴承润滑;6、断叶片。

7.1  转子质量不平衡引起的振动

转子上的装配部件在机械加工时,内孔与转子中心不同心,或部件质量对转动中心不对称;转子上的叶片、拉金断落或不对称磨损;转子锻件在加工及处理过程中有过大的残余变形,引起转子永久性挠曲;在检修时,在转子上进行拆装叶轮和叶片、更换联轴器零件、更换发电机线圈、车削转子轴颈或直轴等工作,都有可能造成转子质量不平衡。

转子质量不平衡是汽轮机振动异常的最主要原因,70%以上的异常振动是转子质量不平衡引起的,其特点是,振幅与不平衡质量成正比,振动频率等于转子的振动频率,波形为正弦波,振幅及相位始终保持常数,而与负荷无关。

这类振动只需要找好平衡即可解决。由于其发生概率高,解决方便,在汽轮机组发生振动时,应成为首要分析对象。

7.2  转子弯曲

转子弯曲引起的振动,由于弯曲的原因不同,各自振动的变现特点也不同。当转子产生永久弯曲而引起振动时,其特点与质量不平衡时的振动情况相同,在通过临界转速时振动幅值特别明显地增大;在汽轮机启动、停机过程中,由于加热或冷却不均匀而引起的弹性热弯曲也会引起振动。可以通过停机重启或降低转速,延长暖机时间等方法,待转子温度均匀后,热弯曲消除,即可消除振动。但是,当弯曲造成汽轮机动静部分摩擦时,如果摩擦力很大,将进一步破坏转子的平衡,使摩擦增大,形成恶性循环,振动波形紊乱,应迅速停机,否则由于局部过热可能造成转子永久弯曲;用有缺陷的材料来锻造转子,具有热不稳定性。这种转子随着被加热而出现弹性热挠性变形。由于热不稳定性而引起汽轮机振动,其幅值与负荷成正比,振幅变化在时间上与负荷变化滞后1-3小时。滞后时间取决于转子结构、质量和蒸汽参数;转子装配时,可能由于叶轮与轴的配合不良、键在键槽中歪斜等原因产生挠性变形,引起汽轮机振动。这种振动常常因为多次启停,造成配合削弱,振幅与相位随之变化。

如果转子由于温度不均匀或装配问题造成弯曲,可通过停机重启、降低转速、延长暖机时间、重新装配等方法恢复的,转子可继续使用。如果转子由于各种原因已经产生了永久性弯曲,只有更换转子才能消除振动。所以,在转子制造时的材料监督、装配时的安装精度以及启停机时的转速控制都应尤为重视,避免造成转子永久性弯曲,影响正常生产。

7.3  中心不正

一种是转子轴线中心不在一条直线上。产生这种问题的原因除找中心的质量不好之外,还可能是汽缸热膨胀受阻、蒸汽管道热膨胀补偿不足。对于核电厂汽轮机的挠性转轴,两轴线不同心会使联轴器的磨损加速,表面摩擦系数增大,导致挠性联轴器无法起到补偿调节的作用。另一种是汽轮机与发电机两个转子之间联轴器中心偏差过大或联轴器有缺陷。对于用挠性联轴器连接的转子,当联轴器有缺陷不能对中心自动调整时,可能发生振动。当联轴器耦合原件之间正常啮合被破坏,从而导致传递扭矩在联轴器周上分布不均匀时,也会发生振动。中心不正的振动特点是波形呈正弦波,振动的频率等于转子的转速,与机组的工况无关。由于转子柔度与轴承油膜的弹性影响,只有靠近有缺陷联轴器的轴承才会出现明显的振动。相邻的两个轴的振动相位相反。

针对中心不正引起的振动解决方法主要靠检修和安装调试时的细心工作,从而保证汽轮机组的正常工作。

7.4  油膜自激振荡

油膜自激振荡是汽轮机发电机转子在轴承油膜上高速旋转时,丧失动力稳定性的结果。其特点是振荡主频约等于发电机的一阶临界转速,且不随转速变化而变化。

当汽轮机组发生油膜振荡时,应增加轴瓦比压,方法是缩短轴瓦长度,即减小长径比,或调整联轴器中心,保证热态时各轴瓦负荷分配均匀。

7.5  汽流激振

汽流激振有两个主要特征:一,出现较大值的低频分量;二,振动受运行参数影响明显,且增大呈突发性。其主要原因是由于叶片受到不均衡的汽流冲击。对于大型机组,由于末级较长,汽体在叶片末端膨胀所产生的紊流也可能造成汽流激振。同时,轴封也可能发生气流激振现象。

针对汽轮机组气流激振的特点,其故障分析要通过长时间的记录机组的振动数据,做成成组的曲线,观察曲线的变化趋势和范围。通过改变升降负荷速率,观察曲线的变化情况,最终有目的的改变汽轮机不同负荷时的高压调速汽门的重叠特性,消除汽流激振。也就是,确定机组产生汽流激振的工作状态,采用降低负荷变化率和避开气流激振的负荷范围的方式来避免汽流激振的产生。

7.6  轴承的轴向振动

在测量汽轮机组振动过程中,也会发现轴承轴向振动过大的现象。其振动特点是频率与转速相同,轴向振动的幅值与转子的挠曲程度成正比,而各轴承的振动相位取决于转子挠曲弹性线的形状:在一阶临界转速附近,两个轴承的轴向振动相位相反;在二阶临界转速附近,两个轴承的轴向振动相位则相同。由于情况比较特殊,将轴向振动归为一种振动现象。其主要原因有三种:一、弯曲的转子在旋转时,轴颈产生偏转,轴颈在轴瓦内的油膜承力中心沿轴向随转速发生周期性变化,从而引起轴承座轴向振动;二、轴瓦受力中心与轴承座几何中心不重合;三、轴承座不稳固。挠性转子在旋转时,将会使轴瓦及轴承座做相应的偏转,但轴承无法追随轴颈的偏转只能形成轴向振动。

针对前两种振动原因的解决方法,前文中都有提到,在此不做复述。对于轴承座不稳固而引起的振动,做到及时发现,及时加固即可解决。

8、汽轮机振动的防护措施

(一)设计制造方面 
在汽轮机组未进入现场安装之前时,业主方应委托正规的监理公司对设计制造全过程进行跟踪监督,尽可能将设计制造缺陷减小为零。 

(二)安装检修方面 
汽轮机组安装、检修过程的控制是减少机组振动最为重要的手段。每一个工序如果不认真加以控制,都有可能增加机组产生振动的因素。故此,笔者认为,在安装、检修过程采用有效措施方法对以下几个环节加以控制,就能够尽可能地减少汽轮机振动影响因素。 
1、联轴器装配;2、控制好轴承轴径水平;3、轴系对中;4、轴承研磨;5、垫铁及滑销系统安装;6、确立转子中心的办法;7、动静部分间隙控制;8、其他。 

(三)运行维护方面 
1、监视措施 
汽轮机应当装设轴承振动测量装置和大轴振动测量装置,用于监视机组的振动情况,当振动超过允许值时,应当发出声光报警信号,以提醒运行人员注意,及时采取相应措施,以免造成事故。 

2、保护措施 
机组应装设振动保护装置,当振动超过极限值时,发出脉冲信号去驱动保护控制电路,自动关闭主汽门,实行紧急停机,保护机组安全。 

3、汽轮机组运行中振动的处理办法 
1.如机组负荷、参数变化大引起振动,应尽快稳定机组负荷、参数,同时注意汽轮机胀差、上下缸温差变化。 
2.检查润滑油温、油压及各轴承温度是否正常,否则调整油温、油压,使其正常。 
3.就地倾听被拖动机组组内部声音。 
4.检查汽轮机上、下缸温差,若温差大于42℃,按汽机进水处理。 
5.如因被拖动机组引起振动,应降低机组负荷,查明原因。 
6.检查胀差、轴向位移、绝对膨胀。 
7.若机组振动值超标,立即手动脱扣汽机,按紧急停机处理。 
8.运行及停运机组时,严格按照规程操作,发现异常现象,及时处理。

END

汽机人整理