汽輪機和風機振動原因分析

徐明東

摘 要：汽輪機和風機振動大小，是評價汽輪機組和風機系統運行可靠性的重要指標。對于高速轉動的汽輪機來說，微小的振動是不可避免的，只要幅度不超過規定的標準就屬于正常振動，對汽輪機的運轉沒有影響，但是當振動超過規定限值時，對整個汽輪機組的運行是有害的，表明機組內部存在缺陷。鑒于此，對汽輪機和風機幅度過大的異常振動產生的原因進行了分析。

關鍵詞：振動基礎;振動軸心軌跡;Orbit圖;扭振;碰磨;低頻振動

0??? 引言

對于滑動軸承支承的大型旋轉機械，主要的振動源是轉子系統。產生振動的原因非常復雜，本文試圖從振動軸心軌跡的變化、扭振、碰磨、低頻振動的角度分析振動的原因，并給出了部分案例。

1??? 振動基礎及其模型

各向同性轉子基礎模型如圖1所示，圖中彈簧剛度用K表示。

振動是一種圍繞平衡參考位置的往復運動，作用力、系統、響應、X/Y向、幅值、相角等構成振動分析的數學模型;振動就是振動響應，振動的響應一般由渦流傳感器、非接觸（趨近）式傳感器、速度傳感器等才能檢測出來，傳感器僅檢測與傳感器沿軸向相同方向的振動，有幅值和頻率。振動值常用峰峰值表示，頻率是指其頻率成分，可以看作是多個簡諧波的合成，通過快速傅里葉變換才能批量分解出各個頻率分量。濾波器能過濾信號得到簡諧波，如1X、2X、0.5X、0.47X等，其中X是轉速的頻率。所謂“跟蹤”就是跟蹤轉速頻率，需要有鍵相信號才能跟蹤。

2??? 振動軸心軌跡（Orbit圖）分析

圖2是直角坐標系，X、Y方向與探頭安裝方向一致，原點就是XY時域波形的平均值，幅值的刻度/量程、方向與各自波形一致，Orbit圖上的每一個點，對應的分別是同一時刻X、Y方向傳感器的時域波形的瞬時位移值。Orbit圖形的視角是以物理垂直上方為0°參考的，對于汽輪機來說，一般的約定是從驅動端往非驅動端看的方向。轉子朝向探頭運動的方向，是振動位移的正方向。另外，無論轉子的旋轉方向如何，Y方向約定都在X方向逆時針轉90°的方向。Orbit圖是兩個時域波形的物理合成，所以本身是時域圖形。鍵相標記是一轉一個事件的有別于X/Y向的傳感器，整個汽輪機軸系共用一個鍵相傳感器，連續的兩個鍵相標記點表示轉子轉了一圈，所以本質上它是計時標記。鍵相標記所在的位置表示的是當鍵相槽正好經過鍵相探頭時軸中心的位置。因此，同時基圖一樣，一個Orbit圖中也可以有多個周期。圖2中，從時域波形的鍵相標記來看，轉子轉了兩圈，Orbit也是兩圈，只是第二圈與第一圈完全重合。轉子的旋轉方向也要在Orbit圖中表達出來，它只與汽輪機物理安裝和轉子結構工藝有關，一般是固定的，因工藝參數的變化，轉子出現反轉故障另當別論。機器的旋轉方向可以通過畫在機器上的箭頭找到;另外一個方法是從慢轉速Orbit上猜到，因為慢轉速進動方向通常是正進動，正進動方向就是振動方向和轉子旋轉方向一致時的方向，而振動方向是從空點到亮點轉的方向。

現代的Orbit圖都是計算機處理的，軸心軌跡的形狀與傳感器的安裝位置無關，只和觀察的參考位置有關。

3??? 關注扭振和橫向振動

除X/Y向國際標準的截面橫向運動外，從三維來看還有一種方向的振動即Z方向不曾表達，機器部件在Z方向的運動，也叫軸向振動，而繞旋轉軸的靜態和動態的扭動為扭振。軸向振動和扭振沒有得到應有的重視是有原因的，對于扭振，相對于徑向振動，測量難度大，徑向振動和軸向振動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量到，要求力的傳遞越直接、衰減或畸變越小越好。但是扭振不能直接通過軸承并在其上測量，因為它們與轉子的支撐關系不大，扭振很少耦合到轉子外的機器部件上。但實際運行的機器，扭振可以是很嚴重的，存在足夠的殺傷力，有能力產生周期性的應力，導致疲勞失效，往往被稱為“隱形殺手”，發生扭振的案例不在少數。

扭振和橫向振動的耦合問題，理論上來說，耦合是普遍現象。總的說來，凡是扭矩的變動都可能產生扭振，如同步/異步電機驅動的機器、流體介質機器等等。但是，實際上扭振和橫向振動耦合并能帶來明顯的影響或者顯性表現的并不多見，一般多出現在帶有齒輪傳動的機器上，也可能發生在轉子幾何結構的非對稱轉子上，但這種非對稱轉子只有極少的轉子才有。

4??? 摩擦的影響

汽輪機動靜部分之間的摩擦往往是造成振動大的原因，一般來說更換了新的軸瓦，或者機械上有所改變，很容易出現碰磨現象，一般摩擦一段時間，振動會慢慢降低，這是最好的結局。但還有一種情況，振動隨著碰磨的發生不會減小。有經驗的診斷師，不會將摩擦作為最終結論，而是當成次生故障。還有最根本的原因，例如，轉子軸向位置安裝不精確，使得流體通道發生輕微改變，從而產生旋轉失速。徑向軸承間隙過大導致旋轉失速的閾值降低，瓦與軸承箱之間的接觸間隙偏大，則降低了失速的穩定裕度。這些因素才是初生故障。所以，振動發生時，不僅要關注振動值，還要關注軸位移和差脹有無異常。

5??? 轉子質量不平衡

轉子上的裝配部件在安裝或當初機械加工時，內孔與轉子中心不同心，或部件質量對轉動中心不對稱;轉子上的葉片、拉金斷落或不對稱磨損;轉子鍛件在加工及處理過程中有過大的殘余變形，引起轉子永久性撓曲;檢修時，在轉子上拆裝葉輪和葉片，更換聯軸器零件，更換發電機線圈、車削轉子軸頸或直軸等，都有可能造成轉子質量不平衡。轉子質量不平衡是汽輪機振動異常的最主要原因，70%以上的異常振動是轉子質量不平衡引起的，其特點是，振幅與不平衡質量成正比，振動頻率等于轉子的振動頻率，波形為正弦波，振幅及相位始終保持常數，而與負荷無關。這類振動只需要找好平衡即可解決。由于其發生概率高，解決方便，在汽輪機組發生振動時，應成為首要分析對象。