汽輪機轉子中心孔進油引發振動機理分析

摘 要:汽輪機中心孔進油依法的振動是發電廠振動故障中比較難確定故障原因的一種故障，汽輪機組作為發電廠重要組成部分其異常振動對于整個發電系統都有著重要的影響，本文將自己解決該類振動案例進行分析總結，為今后分析解決同類問題提供參考思路。

關鍵詞:轉子中心孔異常振動熱彎曲

中圖分類號:TM31文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0078-02

1 汽輪機組振動異常現象總結

某電廠一臺MW50機組在啟動過程中，發生了#1、2軸瓦振動嚴重超標的故障。

振動故障特征主要表現為:

(1)該機組振動的基本特點是，隨著時間增加，不穩定強迫振動增加，最終振動超標，機組打閘停機。

(2)從頻譜特征分析，振動基頻是主要成份，其它分量很少，因此屬于不平衡激起的強迫振動;

(3)#2軸承振動一旦開始爬升很快發散至報警值，并且沒有盡頭。經過多次沖轉，振動依舊沒有得到改善。

(4)機組在暖機沖轉過程中，有時可以定速，有時無法定速，振動值在機組轉速停留500，1200，2400，3000r/min的階段時，振動值都不是一個穩定值會隨著時間的延長，振動會自動向上漂移，無法穩定在一個值上;

(5)當500r/min的振動達到0.05mm后向1200沖轉后振動值會減小到0.03mm以下，在轉速穩定后振動值會再次逐漸向上漂移，從1200～2400，2400～3000振動現象基本一致;

(6)每次沖完轉后大軸都會出現暫時彎曲達到0.1mm，經過直軸、連續盤車一段時間后大軸彎曲可以減小到合格范圍。由此振動特征可以首先判斷轉子出現了熱彎曲。

2 振動原因分析

2.1 汽輪機轉子熱彎曲的原因分析

造成轉子熱彎曲的原因如下:(1)轉軸內應力過大;(2)轉軸材質不均;(3)轉軸套裝部件失去緊力;(4)高溫轉子與冷水、冷汽接觸;(5)動靜摩擦;(6)轉子中心孔進油。

根據該機組振動的變化特點，首先可以排除第1～2個原因，因為這2個原因引起的振動均變化緩慢，與該機組的振動現象不吻合。又因試運過程中，未發現汽缸和本體疏水情況有異常，故可以排除第4個原因。由于引發汽輪機轉子振動的原因很多，并且在一種振動中會參雜著其它許多因素，所以第3、5、6，這3個原因不能排除。經過故障分析，決定對汽輪機組揭缸檢修，針對可能出現摩擦、中心孔進油、部件松動等進行檢查。最終在對轉子中心孔進行檢查時，從孔中流出重約3kg的黑色油，經化驗，與該機組使用的潤滑油相同，說明油是從孔外吸入的。清理干凈孔內進油，將轉子中心孔堵頭上的排氣孔堵死后，進行回裝，重新啟動，機組在50MW負荷下長時間運行，各軸承振動良好。

2.2 轉子中心孔進油原因及其引起振動的機理

(1)汽輪機轉子中心孔進油原因。就該機而言，轉子中心孔進油的原因是中心孔端部機-電聯軸器側堵頭上的排氣孔未封嚴，運行中，孔內的空氣受熱膨脹逸出，停機后轉子冷卻，孔內的空氣也冷卻收縮，外界的空氣就會通過聯軸器的間隙和中心孔堵頭上的排氣孔進入轉子中心孔。停機后機組進行盤車，來自噴油管的潤滑油對盤車大齒輪進行潤滑，此時，該股潤滑油也隨外界空氣進入轉子中心孔。隨著機組啟停次數增加，進入中心孔的潤滑油也越積越多。

(2)轉子中心孔進油引起振動的機理。①轉子中心孔中的液體的運動狀態分析

轉子中心孔內的液體，當轉子旋轉時，液體由于黏性力的作用，隨轉速的逐步升高，而逐層隨轉子旋轉。設轉速為時，液體隨轉子旋轉達到第i層(i=1，2，…，n)，如圖1所示。若轉子中心孔全部液體形成液體環的厚度為，當轉速達到一定值時，全部液體將均布于轉子內壁，此時。該液體環隨轉子一起同速旋轉。由于流體的特性，液體形成厚度為的環必有最小轉速存在。為了探求液體形成等壁厚環的最小轉速，下面建立解析方程。

設轉子旋轉角速度為，液體形成厚度為的環，厚液體環單位面積質量為M，因液體隨轉子旋轉是依靠液體與轉子內壁的摩擦力和液體之間的切向力作用的結果，如圖2所示。

取厚單位面積液體進行分析，當液體形成厚并隨轉子同速旋轉時，力系平衡方程為

則有

(1)

(2)

式中

—黏性力(切向力);

—金屬件與主軸內壁間的摩擦力，;

—主軸內壁對金屬件的支反力;

—金屬件與主軸內壁間的摩擦系數;

—金屬件受到的離心力，;

—金屬件質量;

—轉子中心孔半徑;

—轉子旋轉角速度;

—重力與摩擦力的夾角;

—重力加速度。

由牛頓內摩擦公式可得

(3)

式中為液體的動力黏度。

聯立式(1)、式(2)和式(3)，得

(4)

在圓周上最大值，

則(其中，)。

一般來說，是比較小的。根據有關文獻計算結果可知，在一根長2.26m、半徑為0.25m的軸中，若分別吸附了1kg、2kg、3kg和4kg透平油，在假設轉子溫度為80℃時，計算出的值分別為5.4，20.5，46和82r/min。

(3)轉子中心孔吸附液體葉轉子振動的影響。由上述分析可知:

①當轉速時，液體可以形成厚的液體環，并隨轉子同速旋轉，液體質量均布于轉子內壁，液體與轉子之間無相對運動，沒有摩擦，更無熱量產生。所以，液體對轉子無質量失衡，不會造成轉子溫度升高，產生撓曲，可見液體對轉子振動無影響。

②當轉速時，全部液體不能形成隨轉子同速旋轉的液體環。此時，一方面，雖然液體在轉子內壁圓周上質量分布不均勻，但由于部分未形成環的液體在-90°～0°內游動，從質量失衡的角度來說液體在轉子上質量分布不均對軸系振動無敏感性，即無影響;另一方面，在轉子內液體未形成等壁厚環前，液體與轉子內壁以及液體之間的摩擦作用，必然會產生熱量。不過，經過計算發現，這種熱量不會使轉子產生較大的溫升。

③當轉子有彎曲變形時，液體的離心力也會使轉子失穩，參見圖5-27。當轉軸有彎曲時，液體沿軸心位移的方向被甩向轉子內壁，但此液體并不是停留在的延長線上，而是因黏性被內壁粘帶至延長線的一側，液體的重心位于與的夾角為的直線上。設液體的離心力為，它可以分解為和兩個力，與位移垂直，促使轉子的運動失穩。有關資料說明，這種失穩轉速高于臨界轉速，但小于它的兩倍，即<<2。渦動是正向的，其頻率等于臨界轉速。或者說，轉子失穩的渦動轉速與轉子旋轉轉速之比為0.5～1.0。

2.3 該轉子中心孔進油振動典型特征分析總結

在汽輪機轉子中心孔內存油而未充滿時，在高速旋轉的離心力作用下，油被甩到孔壁上形成油膜。由于轉子存在一定的撓度，致使中心孔的幾何中心和轉子的旋轉中心不重合，因而孔壁上的油膜厚度不同，當轉子溫度升高時，油與孔壁間產生熱交換，油吸熱而氣化。由于不同厚度的油膜與孔壁間的熱交換的程度不同，使轉子徑向產生溫差，引起轉子熱彎曲。熱彎曲不但隨著機組有功負荷的增大而加大，而且在暖機和升速過程中也能明顯反映出來。暖機時間較長會引起過大振動，甚至使機組不能升速到滿轉。并且，開停機次數愈多，被吸進轉子中心孔的油愈多，振動現象愈明顯。根據經驗，轉子中心孔進油達0.15 kg，就會使機組振動發生明顯的變化。油與孔壁的熱交換隨著轉子溫度的升高而加快，使轉子熱彎曲逐漸增大，由于汽輪機缸內動靜間隙小，還可能引起動靜摩擦，導致振動持續增加或突變。

由于汽輪機中心孔進油的振動異常發生次數較少，因此到目前許多振動分析人員對汽輪機轉子中心孔進油的典型特征認識并不十分清楚，本次汽輪機組振動故障的診斷經歷了一個漫長而又復雜的過程，該機組在這次診斷中共計啟動十幾次，最終診斷為汽輪機中心孔進油。在本次診斷中，論文作者根據現場振動現象總結得出了汽輪機組中心孔進油引發振動的典型特征是:①振動分量主要為基頻;②汽輪機轉子的振幅隨著轉子溫度的上升而增大，與轉速關系不大;③當機組穩定在某一轉速時，轉子振幅逐漸增大并且越來越快;在轉子升速的過程中，轉子振幅反而會降低。其中的第三點特征是其他激振力引發振動特征所不具備的，是現場判斷汽輪機轉子中心孔是否存在進油問題的簡單而又準確的方法。

在轉子穩定的狀態下，汽輪機轉子中心孔進油后汽輪機轉子振幅逐漸增大，從轉子中心孔進油引起振動的機理中就可以得出結論。但是為什么在汽輪機組升速的過程中會出現轉子振幅減小的現象呢？這主要就是由于汽輪機轉子在升速的過程中存在一個加速度，從而使轉子中心孔內的積油不能穩定在某一處，而是與汽輪機轉子中心孔內壁產生一個相對運動，從而使這段過程中積油與轉子腔室內壁均勻換熱，改善了汽輪機轉子的熱彎曲。所以汽輪機轉子在升速過程中轉子振幅會減小。

2.4 解決和防范措施

①對轉子中心孔探傷完畢時，內部探傷時的涂油一定要清理干凈，并把堵頭封好。②汽輪機轉子中心孔堵頭上的排氣孔與外界相通是發生轉子中心孔進油的主要原因，因此在安裝時應進行檢查，若發現有排氣孔就應堵死。制造廠制造時應取消汽輪機轉子中心堵頭的排氣孔或者采用實心轉子。③有些轉子中心孔進油是從轉子前面吸入的，所以安裝時還要檢查調速器小軸是否存在進油的隱患。

3 結語

汽輪機振動是汽輪機運行過程中不可避免的，異常振動也是較為常見的故障。在進行此類故障排除時，不能急于拆解機組，首先要根據故障特征進行故障分析，確定故障點后，再查看前次機組維修記錄，確認故障點零部件情況。如故障點零部件為剛剛檢修并更換過，應再次確認故障點，確為改點后才能進行拆解。因此，在進行汽輪機異常振動原因分析時要格外注意。許多情況下需要維修人員長期積累的經驗來判斷，加強提高專業技術人員的專業技能是提高汽輪機故常排除效率的最佳途徑。

參考文獻

[1]施維新.石靜波——汽輪發電機組振動及事故.

[2]聞邦椿，顧家劉，夏松波.王正——高等轉子動力學—理論.技術與應用.