大型汽轮机摩擦振动的故障特征分析

大型汽轮机摩擦振动的故障特征分析


王咏梅


（湖南省电力试验研究所，湖南长沙410007）

　

    摘　要　大型汽轮发电机组大修后首次开机或并网带负荷过程中，有的机组由于汽轮机内部发生动静摩擦使大轴产生临时热弯曲，导致轴振动不断增加，机组不能稳定运行。针对机组的具体情况，结合实例对故障原因进行了分析，并采取了相应的处理措施。
    关键词　汽轮机　摩擦振动　故障特征

0　前　言　　
　　大型汽轮发电机组效率高，但隔板弯曲、不对中、汽缸变形或跑偏、管道作用力和轴承标高变化等原因，很容易使径向间隙消失，导致汽轮机内部发生动静摩擦。轻则使机组出现强烈振动，严重时可能造成大轴永久弯曲，甚至整个轴系损毁。近几年来，机组大修后第一次开机或带负荷过程中，华能岳阳电厂2号机、湘潭电厂2号机和金竹山电厂4号机就曾经发生过因汽轮机产生动静摩擦致使振动增大而不能正常运行的情况。

1　华能岳阳电厂2号机振动　　
　　该汽轮机型号为N362．5－16．7／537／537，是英国GEC公司制造的三缸两排汽凝汽式机组，高、中、低压转子分别由2个落地式轴承支撑。
　　机组于1991年11月投入运行，1999年5月第1次大修后，前3次开机都因带负荷过程中轴振动1x不断增加（最高达185μm以上）而不得不停机。
1．1　转速3 000 r／min时，除1x为94μm外其余振动都很小。机组带负荷过程中，随着时间增加轴振动1x的幅值和相位呈准周期性变化，周期约2～3 h，且振动峰值一次比一次大，到停机前已达194μm，与此同时，高、中压转子轴振动其他测点的变化趋势都与之相同（见图1、表1）。




1．2　升速过程中，轴振动1x最大为114μm，其他　　均小于90μm，停机降速时，高中压转子轴振动与开机时相比大幅度增加，特别是高压转子最大振动分别达278～291μm，中压转子轴振动也有不同程度的增加，4x最大为170μm（如表2）。



1．3　根据带负荷过程中轴振动幅值和相位的周期性变化及停机时高压转子过临界轴振动的显著增加，可以判断机组运行时汽轮机高压缸内存在动静摩擦，转子产生的热变形增加了新的干扰力，从而使轴振动增加，并影响到中压转子。
　　大修中，检查发现高压下缸靠近2号轴承侧底部有摩擦痕迹，但未对通流间隙作大的调整。由于机组热膨胀、变形或抽汽管道作用等都有可能改变汽缸内部原来已调整好的径向间隙，使其变得不均匀而发生动静摩擦。
1．4　为消除高压汽缸内的动静摩擦，根据大修检查情况，将高压缸猫爪下4个垫块的厚度减薄0．10 mm，使高压缸整体高度降低，从而相应增加转子与汽缸下部的径向间隙。机组并网带负荷运行一段时间后，轴振动1x逐渐地稳定在100μm以内，对负荷变化也没有前几次敏感。说明汽轮机内部虽还有摩擦，但已大大减轻，机组可以带满负荷运行。
2　湘潭电厂2号机振动　　
　　该汽轮机型号为N300－16．7／537／537－4（高中压合缸），是东方汽轮机厂制造的亚临界中间再热、双缸双排汽凝汽式机组。轴系有高中压转子、低压转子、发电机转子和励磁机转子，汽轮机1，2号轴承为落地式，3，4号瓦座落在排汽缸上。
2．1　该机于1998年下半年完成整套启动调试，运行1年多以后，2000年4～6月进行第1次检查性大修。大修后开机升速过程中轴振动最大为66μm，转速3 000 r／min，汽轮机轴振动最大仅53．7μm。并网带低负荷（＜56 MW）时，汽轮机振动不稳定，呈准周期性变化，时间约3 h，振动振幅和相位变化范围如表3。





2．2　并网后第1日0∶00～7∶40负荷稳定在180MW左右，从2∶15开始汽轮机振动慢慢发生变化，1号轴振动幅值和相位变化不大、2号轴振动幅值增加，3号、4号轴振动幅值减小、相位角增加，尤其是4X相位变化达430°；7∶05开始，汽轮机低压转子轴振动快速增加，20 min内3X，4X分别达170μm，195μm，降负荷到110 MW左右振动开始减小，9∶00以后机组振动才稳定到正常值（图2）。
2．3　第2日5∶00左右，2台给水泵小汽机同时运行，大汽轮机轴振动又快速增加，30 min内3X，4X分别达107μm，178μm，相位分别增加110°，179°，同时高中压转子轴振动也有所增加。保留1台小汽机运行，停另一台小汽机以后，主机的振动又很快降低到原来的水平。
　　根据机组结构和振动变化时间分析，另一台小汽机投退对主机振动影响主要是凝汽器真空变化的结果。投入另一台小汽机以后真空提高，大气压力使低压缸体变形，导致低压通流径向间隙消失，发生动静摩擦并使转子产生热弯曲。真空变化试验时，启动1台真空泵，真空仅提高2 kPa，汽轮机轴振动会立即增加，而真空泵停运以后马上恢复正常。
2．4　从机组带负荷后多次出现的异常振动分析可知，发生了动静碰摩，且故障位置在低压缸内。说明机组带负荷后，低压缸的变形或位移相当大，经过多次摩擦，原来接触的地方已经磨出些许间隙，但在某些运行参数改变时，动静部分间隙有可能又消失了，从而再次产生碰摩使机组振动发生变化。
3　金竹山电厂4号机振动　　
　　金竹山电厂4号机原为上海汽轮机厂制造的N125－135／550／550型超高压、中间再热、双缸双排汽凝汽式汽轮机。2000年由东方汽轮机厂采用多项先进技术对该机进行了技术改造，更换了汽轮机转子、叶片和隔板以及高中压汽缸，改造完成后，于2000年10月上旬进行了启动调试。
3．1　在第3、第10次开机升速过程中，因为高中压转子轴振动增大到260μm，使机组保护动作，停机降速过程中，高中压转子轴承振动最大为141μm，盘车时测量晃度值达0．22 mm。很显然，启动过程中高中压缸内部已经发生了动静摩擦，使高中压转子产生热变形。
3．2　由于高中压轴封间隙很小，第3次开机前因为动平衡加重时间较长的影响，汽轮机转子存在一定的临时热弯曲，第10次开机时高中压缸上、下温差较大，汽缸存在热变形；它们都将使径向间隙减小甚至消失，导致动静部分发生碰磨。在前2次加负荷到100 MW左右时，1号轴振动增大到110～120μm，相位角增加30～40°，也是高中压汽缸内发生轻微的摩擦所致。
4　摩擦振动的故障特征
4．1　由于转子热弯曲将产生新的不平衡力，因此振动信号的主频仍为工频，但是由于受到冲击和一些非线性因数的影响，可能会出现少量分频、倍频和高频分量，有时波形存在“削顶”现象。
4．2　发生摩擦时，振动的幅值和相位都具有波动特性，波动持续时间可能比较长。摩擦严重时，幅值和相位不再波动，振幅会急剧增大。
4．3　降速过临界时的振动一般较正常升速时大，停机后转子静止时，测量大轴的晃度比原始值明显增加。
5　摩擦振动机理　　
　　对汽轮机转子来讲，摩擦可以产生抖动、涡动等现象，但实际有影响的主要是转子热弯曲。动静摩擦时圆周上各点的摩擦程度是不同的，由于重摩擦侧温度高于轻摩擦侧，导致转子径向截面上温度不均匀，局部加热造成转子热弯曲，产生一个新的不平衡力作用到转子上引起振动。
5．1　转速低于临界转速时的摩擦振动



　　在图3中，转子原来的不平衡为OA，振动高点为H，由于滞后角小于90°，振动高点H是摩擦重点，该点温度高于对面一侧，受热弯曲的影响在此方向产生一个热不平衡OH，OH与OA合成为一个新的不平衡OA1。OA1较原不平衡OA逆转了一个角度并且大于OA，造成动静摩擦进一步加剧，形成恶性循环，转子弯曲越来越大，如不及时处理，很可能造成大轴弯曲事故，金竹山4号机摩擦振动就属于这种情况。
5．2　工作转速时的摩擦振动
　　目前，汽轮发电机组的工作转速一般都高于各转子一阶临界转速，而低于二阶临界转速，工作转速下二阶不平衡与其引起的振动之间的滞后角仍小于90°，如果摩擦发生在对二阶不平衡比较敏感的区段，如转轴的端部，激起了比较大的二阶不平衡分量，那么仍可能发生比较严重的振动，如湘潭电厂2号机的摩擦振动。
　　如果摩擦引起的热弯曲与原不平衡反相，则振动呈减小趋势，一段时间后摩擦消失，动静接触点脱离，径向温差减小，振动恢复原状，此时在原不平衡作用下又会发生摩擦，如此反复，汽封显得相对比较“耐磨”，振幅发生时间长、波动幅度大，华能岳阳电厂2号机振动与此类似。
6　结论和建议
6．1　判断已发生动静摩擦的机组振动特征为：工频振动幅值和相位不断波动，甚至快速增大；降速过临界的振动值比开机时增加较多，停机后转子的晃度比原始值也增大很多；频谱中工频分量为主，另有少量低频或倍频、高频成分，有时波形存在“削顶”现象。
6．2　由于汽轮机动静径向间隙小，启动前轴偏心、汽缸温差、差胀等重要参数一定要控制在规程规定的范围内，否则摩擦将使转子弯曲引起振动增加，甚至无法启动机组。
6．3　在启动过程中，机组发生动静摩擦时不能强行升速，否则容易造成大轴永久弯曲。如果转速在临界转速以下，应该立即打闸停机，盘车一段时间正常后再启动；如果在临界转速以上，则在振动可以控制的转速上多停留一段时间，磨合出一定的间隙后再升速。
6．4　如果摩擦发生在带负荷阶段，只要控制振动在一定的变化范围，可以观察运行一段时间，以磨合出适当的间隙；如果振动不断增加，应该降低负荷或打闸停机，以免危害机组安全。
6．5　不管是启动过程还是带负荷运行，振动保护都不能退出，以免振动迅速增加而可能导致机组损坏。
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