汽輪機安裝振動原因與預防對策芻議

姜英棟

（晉能控股電力集團國峰煤電，山西呂梁 032200）

文章首先介紹了汽輪機振動的基本概念，分析了汽輪機振動會產生的危害。然后根據經驗總結出造成汽輪機安裝振動的產生主要是設計制造、動靜部位摩擦、氣流振動、油膜渦動和油膜振蕩等誘因造成的。最后總結可以通過做好設備運行檢查管理、加強動靜部位摩擦故障診斷、做好氣流激振和油膜振蕩分析以及積極應用振動檢測技術等方法來有效預防汽輪機振動的情況出現。希望通過本文的分析總結，為汽輪機安裝振動原因與預防對策提供有價值的意見和建議。

1 汽輪機振動分析

1.1 汽輪機振動的概念

對于大部分轉動機械來說，在工作過程中產生一定的振動是不可避免的，一般來說，每種機械都有一個規定范圍內的振動幅度，汽輪機也是如此，只要不超過標準的振動幅度，都算是正常運轉下會產生的振動。而本文討論的是，在振動幅度超過標準范圍時，會對設備造成損害、會影響汽輪機正常運轉的異常振動。汽輪機本身是一種比較精細的設備，它集合了自動化控制、機械和電力等學科技術，被廣泛應用在化工和電力行業中。通常影響汽輪機振動的外在原因有軸系質量原因、摩擦力原因、膨脹系數、軸承磨損或軸承座松動、電磁力不平衡等[1]。如果僅僅是這些原因自身出現問題，不會對汽輪機的振動帶來致命傷，問題就在于在這個過程中，汽輪機的異常振動會影響其他零部件產生松動或損壞，在異常振動—零件損壞—動靜摩擦增大—引發進一步強烈振動的惡性循環中，汽輪機就會出現明顯的故障。

所謂振動，就是設備的零部件在工作過程中偏離了原定的平衡位置，動能導致其位能產生改變，位能的改變又進一步使其動能發生變化，所產生的連續性的影響運動。從一般概念來講，汽輪機在做功時產生的自主振動是正常的，不會對機體造成進一步的損害，而當汽輪機受到一定程度的受迫振動時，振動就會超出規定的范圍，難以承受的連續沖擊力會對汽輪機的零件和正常工作造成不良影響。判斷振動是否出現異常的指標是振動的頻率，影響振動頻率的因素包括振動的方向和振動的幅度，通過在某一時間內對汽輪機振動頻率的統計，包括振動的橫向、縱向和扭轉方向以及雙向、單向振幅的監測，就能知道汽輪機的工作運轉是否正常[2]。

1.2 汽輪機振動的危害

在上文振動的概念中介紹到，汽輪機在規定標準范圍內的振動，對機體零部件和正常運行的影響是在可接受范圍內的，這樣的振動被稱為自主振動，同時也是正常振動[3]。而當振動的頻率或幅度超出標準范圍內時，就會對機體本身的零件或結構造成沖擊和破壞，進而影響汽輪機的運行和電廠的正常工作。無論是汽輪機的正常工作、機械和電廠的安全性能還是電廠的經濟收益、工作人員的人身安全，都會遭受巨大的負面影響。汽輪機振動產生危害的機制主要有三個方面：①汽輪機異常振動時，由于振動的頻率過高、振動的幅度太大，牽連了其他零部件的振動，導致零部件松動，機組的穩定性不足；②汽輪機振動時導致零部件振動加強了機體的整體受力和電機零部件之間的摩擦力，導致汽輪機的自身損耗負載；③異常振動會影響正常的工作效率，降低電廠發電的質量，同時出現異常還需要對汽輪機進行檢修和停工整頓，導致電廠的經濟效益大為受損。因此，在汽輪機投入使用前，要對其進行運行測試，保證各個軸承和零件安裝連接完好，振動的幅度和頻率在規定的標準范圍內。在運行過程中一旦發現異常振動，要立即停機檢查，找出問題的根源并采取積極的方案措施解決問題，直到機器調試好之后才能繼續投入使用。

2 汽輪機振動異常的原因

2.1 設計制造

汽輪機在工作過程中，其動力來源是由連接旋轉中心的轉子，在高速旋轉的動能下提供的，在轉子旋轉時，要圍繞一個穩定的中心以相同的速度和角度旋轉，才能保持離心力的平衡，從而保持機械總體上的平衡。當轉子與其所連接的旋轉中心重合性較差時，高速旋轉就會產生偏差，影響整個機械的穩定性。由旋轉帶來的晃動會引發汽輪機的異常振動。所謂的離心力可以理解為月亮圍著地球轉、地球圍著太陽轉，以及地球、月球自轉的能力，可見離心力的能量是十分強大甚至具有一定的破壞性的。在轉子和中心連接良好，轉動自如的情況下，離心力是相對穩定的，而一旦轉子的質心和旋轉中心不能很好地重合，離心力就會超過一定的范圍，破壞汽輪機工作的秩序性。因此，在設計、制造汽輪機時，要保證裝配的質量、機械加工的精度、生產制造過程中的質量把控問題等。

導致汽輪機出廠不合格的因素有很多：①設計方面的問題。汽輪機的設計方案沒有按照其使用要求來設定，所設計的生產方案與實際需求不匹配，即便按照設計方案生產出來的機器本身沒有問題，但是使用時不能達到電廠對汽輪機的工作要求，造成可用性低下。②制造方面的問題。在制造過程中，機械的加工精度不夠細致，導致汽輪機的轉子在旋轉過程中出現不平衡現象，在高速或者低速運轉過程中都會造成汽輪機的異常振動。因此在設計制造汽輪機時，要時刻注意機械加工的精度，保證所生產的部件足夠優質和裝配的質量達到要求。在安裝轉子之前，要對每一級葉片進行動平衡試驗，保證每一級葉片的轉動都是連續、順暢、質心與旋轉中心重合的。在安裝好質子之后，要對質子的旋轉進行高速動平衡和低速動平衡檢測，保證轉子在旋轉時產生的離心力在合理范圍內。

2.2 動靜部位摩擦

汽輪機在運轉過程中，質子的旋轉是一個必然的過程。由于汽輪機的機械零部件是一個可活動的、由各個零部件相互連接起來的整體，當質子旋轉時，零部件會因為振動而被帶動著活動，當運轉的時間足夠長，零部件之間就會因為日復一日的輕微晃動而松動，直至轉子的中心偏離幾何中心。一旦轉子偏離了旋轉的幾何中心，軸心和連接點之間產生的間隙就會越來越大，當偏離的距離達到兩端支承軸承的徑向間隙時，轉子就會觸碰到其他的零部件。其他零部件在轉子離心力的影響下，會產生一個相對的摩擦力，從而造成汽輪機動靜部位摩擦的問題出現。由此可以總結出，產生動靜部位摩擦的原因有三點：①轉子的振動引起零部件之間的摩擦；②軸心偏斜導致離心力超過正常的范圍，引起動靜部位的碰磨；③動靜間隙過小，導致離心力的進一步加大和轉子對靜部位造成直接的影響，引起劇烈的振動。在實際的檢查過程中，要根據情況具體分析，判斷出異常振動出現的真實原因，再按照實際需求來解決問題。

2.3 氣流激振

氣流激振是指在汽輪機運轉時，產生的氣體影響了機械內部的壓力，壓力降低的情況下轉子由于受力發生變化而產生了相對的位移。又由于轉子一直處在旋轉過程中，在邊位移邊旋轉的情況下會形成一個漩渦，進而引起汽輪機振動異常。在實際工作中，可以依據低頻分量的數值和運行參數來對氣缸是否產生偏移做評估，出現較大值的低頻分量或是運行參數異常，都是存在汽流激振的特征[4]。

出現汽流激振的原因主要有兩點：①由葉片不均衡引起的；②由軸封故障引起的。葉片的不均衡會引發氣流沖擊，造成氣流激振。從實際情況來看，由于汽輪機的葉片較大較長，末端受控制程度較低，因此即便是前端出現輕微的不均衡，也會引起末端的膨脹使其在旋轉過程中造成流體紊亂，引發氣流激振。軸封所引發的氣流激振問題需要長時間對機組振動的數據進行監測記錄才能評估出來。在機組工作過程中，要將其滿負荷數據做成機組曲線表，通過對照曲線表觀察機組工作時升降負荷速率的改變，一旦發現異常，就要根據曲線的變化對汽門的壓力進行調節，針對性地解決氣流激振的問題。

2.4 油膜渦動和油膜振蕩

除了軸封故障引起的氣流激振會導致汽輪機異常振動，軸系一旦出現問題，也會造成同樣的后果。軸系是汽輪機工作過程中用以支撐滑動軸承的，油膜渦動正是出現在這個環節中。當滑動軸承所承受的力量超過其負荷時，軸系中軸頸就會隨著負載的變化產生位移，在位移的過程中又會因為慣性而進一步加強其活動的動力，形成一股機械本身難以阻擋的動載荷。動載荷在汽輪機的運轉過程中會不斷對軸頸的運動產生影響，導致其離軸承的中心位置越來越遠。這個時候如果加入一股外界的擾動力，就會改變軸頸的運動軌跡，兩股作用力相互影響下，軸頸就會回到原來的位置或是找到一個新的平衡點，讓軸承回到穩定狀態。當影響軸頸運動的兩股作用力無法讓軸頸在運動過程中回歸平衡時，軸頸仍會圍繞軸頸中心的平衡線發生偏移運動，這種狀態就被稱為油膜渦動。油膜振蕩出現在油膜渦動的頻率與轉子的固有頻率相等的時候，此時油膜渦動和轉子運動會引起共振，由于共振產生的影響會讓汽輪機振動異常。在這個過程中，不是在油膜渦動的初始階段就會發生共振，通常來說油的平均流速是轉軸角速度的一半，因此油膜渦動又叫做半速渦動，當半速渦動的轉速提高到兩倍時，其運動頻率就會不斷趨近于轉子的固有頻率，就會產生油膜振蕩。

3 預防汽輪機振動的對策方法

3.1 做好設備運行檢查管理工作

汽輪機作為一種結構復雜，零部件較多的機器設備，要做好其設備的運行檢查和管理工作是一件較為繁瑣的事情。因此對于參與汽輪機操作和檢查的工作人員，應進行科學細致的崗位技能教育培訓。在培訓過程中嚴格按照汽輪機的運行規程來展開學習，加強安全操作意識，保證能夠在后期的監視、檢測過程中嚴格按照要求標準來。操作人員更要在操作過程中以一絲不茍的態度和專業的知識來完成工作，當發現汽輪機出現異常振動時，要有及時發現問題和解決問題的能力。

在檢查管理過程中主要要檢查五個方面的內容：①檢查汽輪機的轉子是否符合工作要求，各個葉片的位置、工作狀態是否正常，出現問題的時候要及時對各個部位之間的動靜間隙進行調整和優化，對于需要更換的葉片要及時做更換處理；②在汽輪機工作過程中，對轉子和氣缸的膨脹規律進行記錄分析，在開機之前和運轉一段時間后要進行停機檢查和調試；③在機組停機的時候，對設備工作過程中的各項參數仔細觀察，尤其是蒸汽參數的變化、溫度的變化以及壓力和軸承振動的變化，要在再次啟動之前將出現異常的部位調整好；④在機組運動時時刻避免水分沖擊到汽缸，無論是開機還是停機時都要避免冷水或冷汽進入汽缸；⑤在機器的運轉發生劇烈變化時監視其轉子晃動和振動的頻率，一旦晃動或振動的頻率超過了規定范圍內，要立刻停機。

3.2 加強動靜部位摩擦故障診斷

在汽輪機工作過程中，摩擦幾乎出現在每一個環節中，這為汽輪機動靜部位的診斷增加了難度。在對動靜部位的摩擦進行診斷時，需要運用多種手段進行組合來提高診斷的準確性。其中包括但不限于汽輪機啟動和停止時的波特圖、極坐標圖、全頻譜級聯圖以及汽輪機的安裝、檢修情況等。在確定存在動靜部位摩擦的情況后，要利用電渦流傳感器進行確診，如果沒有安裝電渦流傳感器，則要先安裝好之后再進行下面的診斷。

3.3 做好氣流激振和油膜振蕩分析

在對氣流激振故障進行檢測時，首先要將汽流激振相關的數據信息進行搜集整理，然后將這些信息以圖表的形式展現出來，通過對圖表形狀數據的對比，找出產生本次氣流激振的內在規律，然后有針對性地制定解決方案。而要對油膜振蕩進行診斷的方法則有很多，其中主要有軸瓦比壓增高法、減小軸瓦頂部間隙法、增加軸瓦軸承合金寬度法、適當縮小軸頸與軸瓦的接觸角度法、減小潤滑油動力粘連度、調整轉子平衡狀態等方法，在診斷時選擇最為合適的一種方式進行分析即可。

3.4 積極應用振動監測技術

一般來說汽輪機出現故障不是一蹴而就的，而是在持續的動態工作中變化形成的，要了解這個過程，在出現嚴重故障之前找到問題，就需要利用現代技術對其進行監測。通過有效的監測，可以將汽輪機當前的工作狀態與正常的工作狀態進行對比，觀察運行過程中各項狀態的變化。對于存在異常的環節要及時采取有效的解決措施，以降低故障出現的概率，節約后期的維修成本，提高設備的使用壽命和價值。

4 結束語

本文對汽輪機安裝振動的原因展開了分析，并提出了一些可行性較高的預防政策，旨在能夠推動我國發電事業的發展，為居民的生活生產用電安全提供有力的保障。