探討從安裝及運行角度談汽輪發(fā)電機異常振動原因

秦遼亮

（中國電建集團河北工程有限公司，河北 石家莊 050021）

汽輪發(fā)電機屬于轉(zhuǎn)動機械，不可避免的會出現(xiàn)振動，如果只是細微的振動，通常不會對機組的安全運行造成影響。可是，如果振動幅度超出了一定標準，汽輪發(fā)電機組的一些零部件就很可能因振動而遭到破壞。當零部件損壞后，零件之間也會產(chǎn)生異常摩擦和振動，在惡性循環(huán)中進一步危害設(shè)備性能。

1 汽輪發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)

汽輪發(fā)電機主要由轉(zhuǎn)動部分、靜止部分兩大結(jié)構(gòu)組成，轉(zhuǎn)動部分包括連軸承葉輪主軸與運動葉片；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)動部分會以較高的轉(zhuǎn)速運行，這也是汽輪發(fā)電機的工作模式。汽輪發(fā)電機還包括發(fā)電機鍋爐凝氣裝置等配套裝置，是一種兼并型的重型機械設(shè)備。由于是在高溫、高壓下運行，因此汽輪發(fā)電機的功率要遠高于傳統(tǒng)的往復(fù)式蒸汽機。安全是設(shè)備運行的首要原則，在連續(xù)性的高速運轉(zhuǎn)下，單位面積所產(chǎn)生的蒸汽流量極大，一旦發(fā)生運行故障，就會泄露蒸汽溫度與壓力，特別是大功率的汽輪發(fā)電機，產(chǎn)生的熱效率極高，正因如此，研究汽輪發(fā)電機運行的安全性、耐用性、可靠性具有十分重要的現(xiàn)實價值。隨著近年來科學技術(shù)的不斷進步，汽輪發(fā)電機的性能已經(jīng)有了極大改善，如何維護汽輪發(fā)電機的安全運行成為各大電廠日常工作中的重點內(nèi)容。

2 汽輪發(fā)電機異常振動的原因分析

2.1 安裝原因

安裝過程中，如果操作不規(guī)范，安裝流程錯誤，就很容易埋下安全隱患，汽輪發(fā)電機出現(xiàn)異常振動，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)動部分的質(zhì)量不平衡，機組中各轉(zhuǎn)子沒有很好的對中，受熱部件在安裝時沒有預(yù)留出熱膨脹的空間，軸承和軸瓦的安裝間隙不合理，部分機件的配合尺寸不合乎要求，軸承座中瓦殼沒有良好固定，以及軸瓦巴氏合金出現(xiàn)龜裂和脫層，機組基礎(chǔ)不符合安裝要求等。

2.2 軸承座的安裝

除了嚴格按照相關(guān)規(guī)范標準安裝以外，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)電機在運行狀態(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。除此之外，還應(yīng)嚴格參考圖紙中的數(shù)據(jù)參數(shù)明確汽輪機和兩端軸承的標高，合理分配負荷，以免機組發(fā)生自激振動。如果兩端的軸承負荷沒有合理分配，那么負荷較大的一端，軸瓦鎢金溫度會更高，很容易因此而產(chǎn)生碾瓦現(xiàn)象，導致機組的異常振動。

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支撐腳部位，用來保證施工過程中不會被外力影響，避免低壓缸在外力作用下而變形，最終導致機組中心偏移而發(fā)生振動。

2.4 汽缸和缸內(nèi)部件的中心找正

工作人員應(yīng)嚴格按照圖紙設(shè)計與相關(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，不然就會導致動靜間隙不均勻，汽輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)過程中，蒸汽會不均勻的泄露在圓周上，導致間隙的自激振動。動靜部分的中心如何嚴重超標，也很容易引發(fā)動靜的相互摩擦，造成轉(zhuǎn)子熱彎曲、運動不穩(wěn)定等各種問題，最終出現(xiàn)強迫振動現(xiàn)象。

2.5 軸系的安裝

水平擺放轉(zhuǎn)子時，可能會受到轉(zhuǎn)子自重的影響而產(chǎn)生靜撓曲，所以安裝完各機組的轉(zhuǎn)子后，還會把轉(zhuǎn)子的重心線連接在一個光滑、連續(xù)的曲線上，從而維持各軸承的負荷一致。以此為基礎(chǔ)來連接整個轉(zhuǎn)子，才能維持轉(zhuǎn)子運行的良好穩(wěn)定性。明確轉(zhuǎn)子揚度后，還要確定汽輪發(fā)電機的縱向水平，最后確定各個軸承的負荷、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、平直度不符合標準而產(chǎn)生的振動激振力，有效避免機組的異常振動。

2.6 軸承的安裝

目前很多汽輪發(fā)電機的轉(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。采用可傾瓦式的軸承安裝，能夠維持可傾瓦的自由擺動，既可以提高支撐柔性，又能吸收轉(zhuǎn)軸的振動能量，從而達到理想的減振效果。安裝軸承時，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，必須要達到可以承受軸承重量的標準，同時也要具備承受轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時所形成的離心力的能力。安裝時應(yīng)保證墊塊的均勻承重，避免出現(xiàn)強烈的異常振動。

2.7 滑銷系統(tǒng)的間隙調(diào)整

汽輪發(fā)電機運行時，缸體會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)計在缸體上，從而引導汽輪發(fā)電機組按照既定方向自由的膨脹與收縮。工作人員應(yīng)嚴格按照規(guī)范標準安裝，預(yù)留出銷槽間隙，保證滑動面的光滑與平整。

2.8 空氣間隙與磁力中心的安裝

當電力經(jīng)過發(fā)電機轉(zhuǎn)子后，會產(chǎn)生大量熱量，導致大電機的轉(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組異常振動。

3 運行原因

汽輪發(fā)電機的錯誤運行操作、過度損傷和磨損都會引起異常振動，比如蒸汽輪機轉(zhuǎn)子、變速器齒輪軸、聯(lián)軸器上的一些轉(zhuǎn)動零件出現(xiàn)變形、脫落、松弛、腐蝕、移動；更換回轉(zhuǎn)體零件但有沒有做好平衡，導致回轉(zhuǎn)體重心位置發(fā)生變化，輪子原本的平衡狀態(tài)被打破；啟動汽輪發(fā)電機之前，沒有進行均勻預(yù)熱造成機殼變形，機組內(nèi)部的靜止部件間隙不一致；機組運行的轉(zhuǎn)速太接近實際的臨界轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生共振；管路和機組的連接不符合要求；汽缸內(nèi)部的轉(zhuǎn)動部件和汽封偏心，蒸汽出現(xiàn)自激振蕩而引發(fā)異常振動。

（1）啟動汽輪發(fā)電機時，如果暖機時間不足、負荷過大、升速過快，則汽缸很容易出現(xiàn)不均勻受熱膨脹的現(xiàn)象，導致滑銷系統(tǒng)的異常運行，還會造成汽缸對轉(zhuǎn)子的偏斜，汽輪發(fā)電機組由此出現(xiàn)異常位移和振動。

（2）汽輪發(fā)電機啟動的過程中，如果進入冷氣、冷水，則汽缸會因為突然性的冷卻而發(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，下半部便會冷卻，引起表面收縮，導致轉(zhuǎn)子的彎曲和變形，汽輪發(fā)電機因此出現(xiàn)異常振動。

（3）如果汽輪發(fā)電機內(nèi)部進入了蒸汽（水）就會產(chǎn)生水沖擊，增加轉(zhuǎn)子軸向推力以及不平衡的扭力，轉(zhuǎn)子會因此產(chǎn)生強烈振動。

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

（5）汽輪電機組運行時如果出現(xiàn)真空下降，低壓缸的排氣溫度就會上升，后承軸受熱，破壞機組，因此出現(xiàn)異常振動。

（6）如果汽輪發(fā)電機組的進汽溫度突破了設(shè)計標準，就很容易造成汽缸的嚴重變形，機組中心的移動也會超出設(shè)計標準，引起異常振動。

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

4 汽輪發(fā)電機異常振動的危害性

（1）造成發(fā)電機的轉(zhuǎn)子損壞，勵磁機整流子出現(xiàn)不均勻的磨損，橢圓度太大，導致電刷冒火。

（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，導致?lián)p壞。如果轉(zhuǎn)軸部位產(chǎn)生摩擦，還會導致轉(zhuǎn)子熱彎曲，軸與軸承的振動幅度會更大。

（3）汽輪發(fā)電機嚴重振動，直接影響了保護儀表，甚至還會促使保護儀表出現(xiàn)誤動作，導致停機。

（4）滑銷系統(tǒng)的磨損會造成機組膨脹、失常。

（5）會增大部分零件的動應(yīng)力，導致零件因過度疲勞而損壞，尤其容易造成軸瓦鎢金破碎。

（6）異常振動會發(fā)出很大噪音，影響工作人員的狀態(tài)。

（7）發(fā)電機定子與線圈的異常振動會讓鐵芯溫度過高而損壞，導致繞組和繞組之間出現(xiàn)對地短路。

正是因為汽輪發(fā)電機異常振動具有較大的危害性，所以及時排查、維修故障，保證汽輪發(fā)電機的安全運行十分重要。汽輪發(fā)電機的運轉(zhuǎn)過程涉及到汽體三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，能量先從熱能轉(zhuǎn)化為動能，再從動能轉(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，所以異常振動產(chǎn)生的原因也比較復(fù)雜，像臺板接觸不良、軸承座松動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法發(fā)現(xiàn)。即使是直觀可見的異常振動，也未必能通過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，只能通過演繹推理，將故障特點作為基礎(chǔ)，結(jié)合異常振動的特點進行對比分析，或者通過逐個排除法來判斷異常振動的性質(zhì)、故障發(fā)生原因和故障部件。

5 汽輪發(fā)電機異常振動分類與檢測方法

5.1 振動分類

每一種振源的振動特點都具有多重反映，以轉(zhuǎn)子不平衡這一簡單的振動故障為例，在升速過程中，轉(zhuǎn)子可以產(chǎn)生強烈振動，也可以產(chǎn)生微弱振動。不同振源所引起的振動特點可以是相同的，比如轉(zhuǎn)子嚴重不平衡，就會造成過大的基頻振動。還有支撐的剛度不足、平直度偏差、軸系連接同心度等故障，同時是基頻振動過強。因此，振動故障和震動特征之間并非 是相互對應(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故障中通過振動特征來明確故障顯然是不現(xiàn)實的，因此要探究一種振動分類方法，讓振動故障源不產(chǎn)生交叉，振源所引起的各種振動故障也不交叉，才能更準確的辨識和診斷故障。可以根據(jù)異常振動的性質(zhì)，通過振動頻率或者不同頻率下的振動分量可以將振動故障分為普通強迫振動、電磁振動、拍振、汽流激振、隨機振動、軸瓦自激振動、參數(shù)震動、汽流激振、摩擦渦動、高次諧波共振、分諧波共振等幾種性質(zhì)。

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

5.2 承軸座動剛度檢測方法

部件表現(xiàn)出的振幅和作用和部件的激振力成正比，和動剛度則成反比。可以用公式表示：

公式1：A=P/Kd

A代表振幅、P代表激振力、Kd代表部件的動剛度。

公式2：Kd=KC/μ

KC表示靜剛度、μ表示動態(tài)放大系數(shù)。

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

5.3 共振放大

（1）轉(zhuǎn)速實驗：轉(zhuǎn)速上升，軸承振幅變大，表示存在共振。改變轉(zhuǎn)速時，如果軸承的振幅無明顯變化，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，共振時的振幅取決于轉(zhuǎn)速，同時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）和同型號的機組比較。

（2）和類似的機組比較。

（3）通過加重試驗檢測不平衡響應(yīng)。

5.5 連接剛度

發(fā)電機的后軸承座和臺板之間如果有絕緣墊，差別振動應(yīng)＜7μm，差別振動越大，表示故障越嚴重。

6 結(jié)語

綜上所述，機組設(shè)備中任何零部件出現(xiàn)故障，都可能引發(fā)嚴重事故，異常振動故障除了與安裝、運行有關(guān)之外，進汽參數(shù)、油溫、油質(zhì)、疏水等因素也可能引起汽輪發(fā)電機的異常振動，只有明確異常振動的具體原因，從源頭上解決問題，才能保證汽輪發(fā)電機的正常運轉(zhuǎn)。