汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)振動(dòng)原因分析

徐明東

摘 要：汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)振動(dòng)大小，是評(píng)價(jià)汽輪機(jī)組和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)。對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的汽輪機(jī)來說，微小的振動(dòng)是不可避免的，只要幅度不超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)就屬于正常振動(dòng)，對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)沒有影響，但是當(dāng)振動(dòng)超過規(guī)定限值時(shí)，對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)組的運(yùn)行是有害的，表明機(jī)組內(nèi)部存在缺陷。鑒于此，對(duì)汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)幅度過大的異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)基礎(chǔ);振動(dòng)軸心軌跡;Orbit圖;扭振;碰磨;低頻振動(dòng)

0??? 引言

對(duì)于滑動(dòng)軸承支承的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，主要的振動(dòng)源是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。產(chǎn)生振動(dòng)的原因非常復(fù)雜，本文試圖從振動(dòng)軸心軌跡的變化、扭振、碰磨、低頻振動(dòng)的角度分析振動(dòng)的原因，并給出了部分案例。

1??? 振動(dòng)基礎(chǔ)及其模型

各向同性轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)模型如圖1所示，圖中彈簧剛度用K表示。

振動(dòng)是一種圍繞平衡參考位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作用力、系統(tǒng)、響應(yīng)、X/Y向、幅值、相角等構(gòu)成振動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型;振動(dòng)就是振動(dòng)響應(yīng)，振動(dòng)的響應(yīng)一般由渦流傳感器、非接觸（趨近）式傳感器、速度傳感器等才能檢測(cè)出來，傳感器僅檢測(cè)與傳感器沿軸向相同方向的振動(dòng)，有幅值和頻率。振動(dòng)值常用峰峰值表示，頻率是指其頻率成分，可以看作是多個(gè)簡(jiǎn)諧波的合成，通過快速傅里葉變換才能批量分解出各個(gè)頻率分量。濾波器能過濾信號(hào)得到簡(jiǎn)諧波，如1X、2X、0.5X、0.47X等，其中X是轉(zhuǎn)速的頻率。所謂“跟蹤”就是跟蹤轉(zhuǎn)速頻率，需要有鍵相信號(hào)才能跟蹤。

2??? 振動(dòng)軸心軌跡（Orbit圖）分析

圖2是直角坐標(biāo)系，X、Y方向與探頭安裝方向一致，原點(diǎn)就是XY時(shí)域波形的平均值，幅值的刻度/量程、方向與各自波形一致，Orbit圖上的每一個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的分別是同一時(shí)刻X、Y方向傳感器的時(shí)域波形的瞬時(shí)位移值。Orbit圖形的視角是以物理垂直上方為0°參考的，對(duì)于汽輪機(jī)來說，一般的約定是從驅(qū)動(dòng)端往非驅(qū)動(dòng)端看的方向。轉(zhuǎn)子朝向探頭運(yùn)動(dòng)的方向，是振動(dòng)位移的正方向。另外，無論轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向如何，Y方向約定都在X方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°的方向。Orbit圖是兩個(gè)時(shí)域波形的物理合成，所以本身是時(shí)域圖形。鍵相標(biāo)記是一轉(zhuǎn)一個(gè)事件的有別于X/Y向的傳感器，整個(gè)汽輪機(jī)軸系共用一個(gè)鍵相傳感器，連續(xù)的兩個(gè)鍵相標(biāo)記點(diǎn)表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了一圈，所以本質(zhì)上它是計(jì)時(shí)標(biāo)記。鍵相標(biāo)記所在的位置表示的是當(dāng)鍵相槽正好經(jīng)過鍵相探頭時(shí)軸中心的位置。因此，同時(shí)基圖一樣，一個(gè)Orbit圖中也可以有多個(gè)周期。圖2中，從時(shí)域波形的鍵相標(biāo)記來看，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了兩圈，Orbit也是兩圈，只是第二圈與第一圈完全重合。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也要在Orbit圖中表達(dá)出來，它只與汽輪機(jī)物理安裝和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝有關(guān)，一般是固定的，因工藝參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)反轉(zhuǎn)故障另當(dāng)別論。機(jī)器的旋轉(zhuǎn)方向可以通過畫在機(jī)器上的箭頭找到;另外一個(gè)方法是從慢轉(zhuǎn)速Orbit上猜到，因?yàn)槁D(zhuǎn)速進(jìn)動(dòng)方向通常是正進(jìn)動(dòng)，正進(jìn)動(dòng)方向就是振動(dòng)方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)的方向，而振動(dòng)方向是從空點(diǎn)到亮點(diǎn)轉(zhuǎn)的方向。

現(xiàn)代的Orbit圖都是計(jì)算機(jī)處理的，軸心軌跡的形狀與傳感器的安裝位置無關(guān)，只和觀察的參考位置有關(guān)。

3??? 關(guān)注扭振和橫向振動(dòng)

除X/Y向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的截面橫向運(yùn)動(dòng)外，從三維來看還有一種方向的振動(dòng)即Z方向不曾表達(dá)，機(jī)器部件在Z方向的運(yùn)動(dòng)，也叫軸向振動(dòng)，而繞旋轉(zhuǎn)軸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的扭動(dòng)為扭振。軸向振動(dòng)和扭振沒有得到應(yīng)有的重視是有原因的，對(duì)于扭振，相對(duì)于徑向振動(dòng)，測(cè)量難度大，徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)都可以通過軸承這樣的彈簧元件在軸承箱或別的連接部件上直接測(cè)量到，要求力的傳遞越直接、衰減或畸變?cè)叫≡胶谩５桥ふ癫荒苤苯油ㄟ^軸承并在其上測(cè)量，因?yàn)樗鼈兣c轉(zhuǎn)子的支撐關(guān)系不大，扭振很少耦合到轉(zhuǎn)子外的機(jī)器部件上。但實(shí)際運(yùn)行的機(jī)器，扭振可以是很嚴(yán)重的，存在足夠的殺傷力，有能力產(chǎn)生周期性的應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞失效，往往被稱為“隱形殺手”，發(fā)生扭振的案例不在少數(shù)。

扭振和橫向振動(dòng)的耦合問題，理論上來說，耦合是普遍現(xiàn)象。總的說來，凡是扭矩的變動(dòng)都可能產(chǎn)生扭振，如同步/異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器、流體介質(zhì)機(jī)器等等。但是，實(shí)際上扭振和橫向振動(dòng)耦合并能帶來明顯的影響或者顯性表現(xiàn)的并不多見，一般多出現(xiàn)在帶有齒輪傳動(dòng)的機(jī)器上，也可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱轉(zhuǎn)子上，但這種非對(duì)稱轉(zhuǎn)子只有極少的轉(zhuǎn)子才有。

4??? 摩擦的影響

汽輪機(jī)動(dòng)靜部分之間的摩擦往往是造成振動(dòng)大的原因，一般來說更換了新的軸瓦，或者機(jī)械上有所改變，很容易出現(xiàn)碰磨現(xiàn)象，一般摩擦一段時(shí)間，振動(dòng)會(huì)慢慢降低，這是最好的結(jié)局。但還有一種情況，振動(dòng)隨著碰磨的發(fā)生不會(huì)減小。有經(jīng)驗(yàn)的診斷師，不會(huì)將摩擦作為最終結(jié)論，而是當(dāng)成次生故障。還有最根本的原因，例如，轉(zhuǎn)子軸向位置安裝不精確，使得流體通道發(fā)生輕微改變，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速。徑向軸承間隙過大導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速的閾值降低，瓦與軸承箱之間的接觸間隙偏大，則降低了失速的穩(wěn)定裕度。這些因素才是初生故障。所以，振動(dòng)發(fā)生時(shí)，不僅要關(guān)注振動(dòng)值，還要關(guān)注軸位移和差脹有無異常。

5??? 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

轉(zhuǎn)子上的裝配部件在安裝或當(dāng)初機(jī)械加工時(shí)，內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子中心不同心，或部件質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心不對(duì)稱;轉(zhuǎn)子上的葉片、拉金斷落或不對(duì)稱磨損;轉(zhuǎn)子鍛件在加工及處理過程中有過大的殘余變形，引起轉(zhuǎn)子永久性撓曲;檢修時(shí)，在轉(zhuǎn)子上拆裝葉輪和葉片，更換聯(lián)軸器零件，更換發(fā)電機(jī)線圈、車削轉(zhuǎn)子軸頸或直軸等，都有可能造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是汽輪機(jī)振動(dòng)異常的最主要原因，70%以上的異常振動(dòng)是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的，其特點(diǎn)是，振幅與不平衡質(zhì)量成正比，振動(dòng)頻率等于轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻率，波形為正弦波，振幅及相位始終保持常數(shù)，而與負(fù)荷無關(guān)。這類振動(dòng)只需要找好平衡即可解決。由于其發(fā)生概率高，解決方便，在汽輪機(jī)組發(fā)生振動(dòng)時(shí)，應(yīng)成為首要分析對(duì)象。