汽轮机组常见振动故障及原因分析

汽轮发电机组常见振动故障分析4质量不平衡引起的故障1235转子热弯曲引起的故障动静碰摩引起的故障转子不对中引起的故障自激振动引起的故障6支撑松动引起的故障结构共振引起的故障轴承座轴向振动引起的故障转子裂纹引起的故障汽轮发电机振动故障78910动态标高变化引起的故障111.1质量不平衡故障概述转子质量不平衡是汽轮发电机组最为常见的故障。据有关统计，在现场发生的机组振动故障中，有转子不平衡造成的约占80%，属于转子质量不平衡的将达到90%左右。转子质量不平衡是指在工程实际中，由于材料的不均匀和设计、制造及安装的偏差，转子的惯性主轴与旋转轴线多少有些偏离。在转子转动中，偏心质量产生的离心力是个不平衡力系，传递到转子的支撑轴承和基础上将产生振动。当转速一定时，离心力的大小正比于质量与偏心距的乘积，在平衡技术中将其称为不平衡量，简称不平衡。1.质量不平衡引起的故障原始质量不平衡转子质量不平衡转动部件松动脱落11.2质量不平衡故障机理转子质量不平衡产生振动的机理是，转子各横截面的质心连线与各截面的几何中心连线不重合，从而使转子在旋转时，各截面的离心力构成一个空间连续力系，转子的挠度曲线为一连续的三维曲线，如下图所示。2Fmr式中:—不平衡质量—不平衡质量偏心距—转动角速度mr1.3质量不平衡故障诊断区分出具体的故障模式1X2X3X4X振幅频率转子不平衡故障频谱图作为严密的诊断，汽轮发电机组的质量不平衡应该具有以下的特征：1）振动以基频(1X)为主，同时，出现较小的高次谐波，整个频谱呈所谓的“枞树形”。2）在转速一定时振幅和相位是稳定的3）多次启动振动有再现性4）可以排除刚度、共振等因素5）振动随负荷变化不明显6）轴心运动轨迹为圆形或椭圆形转子轴心轨迹5号瓦y方向的振动趋势图2.1转子热弯曲故障概述转子受热后出现的弯曲变形称为热弯曲。热弯曲将导致转子平衡状态的变化，因此热弯曲又称为热不平衡。转子热不平衡是指转子受热后（如机组带有功负荷或发电机转子加励磁电流后）产生附加的不平衡力而出现振动改变的现象。热弯曲是一种机组较为常见的振动故障，引起热弯曲的原因也是多种多样。针对整个汽轮发电机组而言，可分为两部分来研究热弯曲故障，包括汽轮机转子热弯曲和发电机转子热弯曲。2.转子热弯曲引起的故障汽轮机转子在高温和高压的蒸汽介质中工作，发电机转子在投入励磁电流后也会被加热。一般来说，转子温度的均匀增加只会引起长度的增加，而不会使转子产生弯曲。之所以发生弯曲，是由于转子截面存在着某种不对称的因素，包括温度不对称、受力不对称、材质不对称等，左下图转子上下表面温度不等，右下图中由于摩擦效应在转子表面产生的轴向力F。2.2转子热弯曲的故障特征汽轮机转子热弯曲的故障特征(1)特征频率为1X；(2)振幅不会发生跳跃式的变化，振动的相位不稳定；(3)振动随转速的变化关系明显；(4)振动随负荷的变化关系明显；(5)停机过程的振动会明显高于启动过程发电机转子热弯曲故障特征(1)振动与励磁电流有密切关系。(2)发电机转子冷却系统不均匀引起热弯曲时，冷却介质入口温度越低，则振动越大；入口温度越高，则振动越小。(3)发电机转子出现的热弯曲大多是暂态弯曲。(4)因摩擦效应导致转子出现不均匀轴向力引起的热弯曲，振动的增大具有一定的突发性。(5)发电机转子热弯曲分为可逆和不可逆两者情况。2.3热弯曲故障原因汽轮机转子热弯曲原因（1）转轴上内应力过大，转轴材质不均。（2）汽轮机叶轮的轮毂之间或轴上其他套装零件与轴凸台之间轴向间隙不足或不均匀。（3）转轴存在径向不对称温差。（4）转子与水或冷蒸汽接触。（5）动静摩擦。发电机转子热弯曲原因（1）转子锻件材质不均匀。（2）匝间短路。（3）冷却系统故障。发电机转子的冷却方式分为空冷、水冷和氢冷。它们都可能出现冷却系统故障。（4）绝缘变化。（5）转子线圈膨胀受阻。（6）转轴上套装零件失去紧力。（7）楔条紧力不一致。12.4热弯曲故障解决措施(1)如果发电机转子的振动与冷却介质的温度有关，这时需要进行转子通风试验和流量试验（来确定局部堵塞部位，然后进行反冲洗，疏通冷却通道。(2)当怀疑发生绕组局部短路或匝间短路时，需要进行一些电气试验查找短路部位，如气隙探测绕组实验。发电机转子热弯曲故障解决措施对于汽轮机转子热弯曲产生的振动，如果振动在限值以内，也可不予考虑。当超过限值，但振动增量相对不大且较为稳定，以及无法查明热弯曲原因，或已查明原因但一时无法处理时，则可以考虑对汽轮机转子进行热平衡，补偿一部分热弯曲产生的质量不平衡。汽轮机转子热弯曲故障对策3.1动静碰摩故障概述3.动静碰摩引起的故障按碰摩方向分类按转子摩擦的接触面情况（径向碰摩）径向碰摩轴向碰摩按碰摩的位置（径向碰摩）全周碰摩部分碰摩转动部分的摩擦部位在非转轴的转动部件转动部分的摩擦直接发生在转轴本身13.2动静接触的原因（1）汽缸跑偏或基础不均匀沉陷。（2）蒸汽温度的变化。如果蒸汽温度的变化过于剧烈，将引起静止部件的变形。（3）汽缸进水和保温不良。（4）排汽缸的快速加热和冷却。（5）汽封损坏。（6）暖机不充分，在转子存在较大晃度的情况下开机。（7）剧烈振动。3.3机组动静碰摩的故障征兆故障模式动静碰摩故障参数征兆监测参数征兆参数名称轴承X向轴振轴承Y向轴振瓦振振动频率轴心轨迹波形监测值振幅突变，振幅增大振幅突变，振幅增大振幅突变，振幅增大振动以基频为主同时也伴随高次谐波或低频成分出现出现锯齿尖角或小环。整周碰磨轴心轨迹为圆形或椭圆形且比较紊乱；单点局部碰摩呈内8字形；多点局部碰摩呈花瓣形振动信号的波峰多，波形毛糙、不稳定，或有削波现象。阈值0-125正常，125-254报警，254以上跳机0-125正常，125-254报警254以上跳机0-60正常，80以上报警直观物理现象征兆汽机振动剧烈现场机组伴有金属摩擦声或者油挡处处冒烟，或火花在停机或升速过程中通过临界转速时，机组振动有明显的增大或变化。碰摩振动与正常振动的信号时域波形(a)正常振动的时域波形；(b)碰摩振动的时域波形发生碰摩故障时的轴心运动轨迹（a）单点局部碰摩时的轴心运动轨迹；(b)多点局部碰摩时的轴心运动轨迹测点布置（1）键相（2）机组X、Y向轴振（3）机组垂直方向瓦振（4）轴向位移（5）胀差（6）真空度（7）负荷（8）汽缸温度（9）凝汽器水位监测方法在启动中转轴碰摩危害最大的是高、中亚转子。平时不论1、2、3号瓦轴振是否较大，在启动中必须重点监测这些轴瓦的轴振或瓦振。使用振动表或振动仪应连续观察1～2min振幅(不测相位也可以)与时间的关系，才能捕捉到转轴碰摩振动特征。因此诊断转轴碰摩最为有效的振动监测方式是连续监测。13.3机组动静碰摩监测13.4碰摩故障解决措施当出现动静碰摩时，现场采取的一个有效措施就是在控制轴振动、保证机组运行安全的前提下进行“磨合”。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一下，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。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。自激振动是由于系统自身的运动诱发的振动，其机理和特点与强迫振动有本质不同。汽轮发电机组自激振动包括轴承自激振动和汽流激振，前者由轴承的油膜力引起，后者由蒸汽力引起。4.自激振动故障4.1自激振动振动系统由于自身运动引发的振动称为自激振动。当系统失稳力大于阻尼力时，振动发散，称为振动系统失稳。实际系统自激振动的振幅不会无限增大，其正阻尼和负阻尼都与振幅有关：在振幅增大过程中，正阻尼增大，负阻尼减小；当振幅达到一定值时，正负阻尼相等，此时振幅停止增长。单轮盘转子的力系对于转子系统而言，转子离心力与弹性恢复力在连线上，阻尼力与失稳力与垂直，两者方向相反。如果失稳力大于阻尼力，则系统失稳。轴瓦自激振动是现场较常见的一种自激振动，它常常发生在机组启动升速过程中，特别是在超速时。当转子转速升到某一值时，转子突然发生涡动使轴瓦振动增大，而且很快波及轴系各个轴瓦，使轴瓦失去稳定性，这个转速为失稳转速。4.2轴承自激振动汽轮机和发电机转子支承在滑动轴承上。转子转动时轴颈与轴瓦之间形成一层很薄的油膜，这层油膜避免了轴颈与轴瓦的直接接触。润滑油带走轴承中摩擦产生的热量，保证工作温度正常。4.2.1轴瓦自激振动机理4.2.1.1轴瓦自激振动分类半速涡动是指转子轴颈在作高速运转的同时，还围绕轴颈某一平衡中心作公转运动。如果转子轴颈主要是由于油膜力的激励作用引起的涡动，则轴颈的涡动速度接近轴颈转速的一半，故称半速涡动。这种振动的振幅始终不大，而且在机组加速过程中，永远不会与转子的第一临界转速发生共振，因此对机组安全一般不会造成严重威胁。一、半速涡动二、油膜振荡当轴颈转速升高到第一临界转速两倍的附近时，涡动频率与转子的第一临界回转频率重合，转子轴承系统会发生激烈共振，这种涡动就是变为油膜振荡，其特点是来势很猛，瞬时振幅突然升高，很快就会发生局部油膜破裂，引起轴颈与轴瓦之间的剧烈摩擦，结果会严重损坏轴承和转子。4.2.1.2轴瓦自激振动的原因轴颈扰动过大，不是指转子暂态瞬间产生的扰动，而是指稳定的扰动，进一步说是指轴颈与轴瓦之间的相对振动，简称转轴振动。一、轴颈扰动过大二、转子热弯曲与转子永久弯曲运行的机组中，产生热弯曲是一种较为常见的振动故障。如果轴瓦突然发生自激振动，而且与机组的有功负荷有着一定得对应关系，例如有功负荷增加越快，振动越剧烈，这种现象大部分是由于转子发生热弯曲所致。三、轴承座刚度过大增大轴承座的动刚度虽然能单纯减少轴瓦的振动，但是这会引起转轴相对振动的增大，对轴瓦稳定运行不利。当汽轮发电机组上发生的低频振动的频率接近转子转动频率的一半时，在绝大多数情况下，如不是蒸汽激振，就是油膜失稳。由于蒸汽激振一般发生在汽轮机高压转子的轴承上，并且对负荷或压力敏感，振动的重复性好，较易于判断。油膜振荡的频率与转子第一临界转速相近，而且一旦发生，不论转速升至多高，振荡的频率将始终保持为转子第一临界转速的频率，所以易于诊断。（1）振幅在瞬间突然增大（2）振动达到高位后仍不稳定（3）频率（4）振动的突发性（5）与负荷无关（6）异音（7）低频分量问题4.2.2轴承自激振动的诊断4.2.2.1自激振动的特征分谐波共振、轴瓦自激振动、汽流激振的特性区分项目分谐波共振轴瓦自激振动汽流激振振动频率—转子工作频率半速涡动油膜振荡—转子第一临界转速振动发生部位机组任何轴瓦均能发生只有大容量汽轮机高压转子的轴瓦发生振动再现性强不强强与机组有功负荷的关系如果是由转子热弯曲引起的，则与机组有功负荷或励磁电流有关，但有时滞无直接的关系，但当转子存在热弯曲时，则与机组有功负荷或励磁电流有一定的对应关系，但有时滞有良好的对应关系与转子不平衡的关系直接关系过大的不平衡振动，会导致轴瓦失稳随不平衡振动增大，低频不稳定振动幅值会增大Pff5.0PfPff5.060knfkn60knfDLPppS/,20现场经常采用以下措施消除轴瓦的自激振动：（1）提高油温（2）调整中心（3）调整轴承顶隙（4）增加轴承比压（5）消除轴瓦的缺陷（6）调整平衡（7）轴承类型对稳定性的影响4.2.3处理措施描述轴承动态特性的一个综合指标是承载系数，又称为索马费尔德数。可以看出S越大，轴承的稳定性越高。承载系数取决于比压、间隙比、润滑油黏度和轴颈转速这几个参数。比压和间隙比越大、润滑油黏度越小，则越大，轴承的稳定性越高。4.3汽流激振机组可靠性机组经济性汽流激振是由于汽流力引起的自激振动。为了提高机组效率，通常采用提高蒸汽参数的方法。这就产生了一种可以导致轴承失稳的激振力。汽流激振在高参数汽轮机上尤为突出，特别是高压转子。（1）静态力采用喷嘴调节的汽轮机，蒸汽除了在转子调节级叶片上产生力偶而使转子旋转之外，还有一个作用于转子中心的力。因调节阀