汽轮机常见的振动故障及诊断方法

汽轮机常见的振动故障及诊断方法

忻雷鸣

中国能源建设集团科技发展有限公司发电运营公司，天津 300000

摘 要: 汽轮机是典型的大型旋转类机械，与其他旋转类机械相同，振动问题是目前影响汽轮机运行的的重大安全隐患之一，也是不可避免的问题之一。汽轮机由转动部件与静止部件组成，分别称作汽轮机的转子与静子。在运行时转子在高温高压蒸汽的作用下在内部以很高的速度旋转，而转子与静子之间的间隙既精密又狭窄，一旦发生异常振动事故，不但会使汽轮机损坏，更是会危及运行人员的安全。因此，掌握汽轮机振动的机理，为振动事故的预测是诊断显得十分重要。

关键词:汽轮机；振动；故障；诊断

1动静碰摩

现代对汽轮机性能和效率的追求，使得汽轮机各个部件越来越精密，转动部件和静止部件之间的间隙越来越小，在运行中产生碰摩的几率也大幅提高。碰摩的产生严重影响转子的运行，最终会导致整个汽轮机转子系统失去稳定性，轻则出现异常振动，重则会磨损大轴，甚至造成大轴的不可逆弯曲或是汽轮机结构严重损毁。因此动静碰摩事故会给工业生产带来巨大的损失甚至是人员的伤亡，同时动静碰摩也是故障发生率最高的汽轮机故障之一。

1.1碰摩发生的原因

动静碰摩事故发生通常可以归纳成以下原因：大轴振动幅度过大。造成振动的原因种类繁多，但不论是哪种振动，一旦振动幅度超过转子与静子之间的最小间隙，碰摩事故就会发生。所以，动静碰摩事故通常是其他事故的并发事故，而不是事故的根本原因；由于转子不对中等原因，导致大轴倾斜，亦或是静子部件不平衡倾斜也会导致动静碰摩；动静间隙不足。通常是安装检修的原因，但也不排除是设计上的缺陷，动静间隙过小会使大轴在正常的振动范围内依然发生动静碰摩；汽缸变形，此类碰摩发生的概率较小，在开机时上下汽缸温差过大会导致汽缸变形。

1.2碰摩的类型

按接触部位分，动静碰摩可以分为径向碰摩、轴向碰摩和组合碰摩。转子表面在转子径向方向与静子表面相互接触的碰摩称为径向碰摩；转子表面在转子轴向方向与静子表面相互接触的碰摩称为轴向碰摩；既发生径向碰摩又发生轴向碰摩的状况称为组合碰摩。在叶轮或隔板等相邻的转子静子直径不相同的部位，易发生轴向碰摩；在汽封或轴承等转子静子之间的间隙较小的部位，易发生径向碰摩。

按转子与静子在圆周内的接触情况又可以分为全周碰摩和局部碰摩。转子在整个圆周上持续与静子发生碰摩的现象称为全周碰摩；转子在旋转过程中，在整个圆周上只有一部分位置与静子发生碰摩称为局部碰摩。在通常情况下，转子一般最先发生局部碰摩，某个位置或某几个位置发生碰摩情况后可能会引起转子的异常振动。并随着时间推移，碰摩加剧，振动幅度加大，会导致动静间隙进一步减小，最后发展成持续的全周碰摩，最终导致严重的事故发生。

1.3碰摩的特征

在转子发生碰摩时，主要特种有两种：第一是动力特性，可分为冲击力特性与摩擦力特性；第二信号特征，可以归结成全周碰摩特征和局部碰摩特征。

全周碰摩的特征，碰摩时，故障点处的1X振动的最大振幅可以达到该处横截面的动静间距；由于碰摩会在一定程度上改变转子的自然频率，若其转速与其自然频率十分相近时，相位最大可能会达到-π/2，这时转子和密封接触；全周碰摩如果是发生在正向，那么其较大振幅的振动频率是在1X附近，发生在反向的全周碰摩，其较大振幅的振动频率则是一个自然频率值，此自然频率不随转速的改变而改变，且与原自然频率相比略有变化；若碰摩位置有全周润滑，轴心的运动轨迹将会是封闭的曲线，而且曲线的极限取决于间隙圆。如果摩擦力过大，那么在碰摩时就有可能发生转子的反弹运动，此时的轴心轨迹将不再是封闭的，而是会出现跳动。

1.4 碰摩的诊断方法

在实际现场中，诊断动静碰摩一直是一项难点，因为发生了碰摩必须就要停机开缸，因此需要诊断的精确性，不能出现误诊情况。现阶段，主要的诊断方式仍然是依据振幅或是频率等特点来确定是否有故障以及类型和部位。另外，还需要观测轴颈的位置，因为轴颈位置会反映出碰撞点的力的作用效果。因此在现场中诊断动静碰摩时最好使用涡流传感器。除此之外，有不少现场的运行人员会凭借个人经验，对机组采用“听诊”的办法，有时候对碰摩的诊断会有很大作用。上述这些诊断方法可以结合起来使用，会大大增加准确诊断的几率。但是值得注意的是，由于汽轮机的汽缸是双层缸，通流部分的摩擦声音很难传出来，且音质较杂，因此不能片面的将一种方法所得到的诊断结果当做最终诊断结果，是否发生碰摩还需要结合多种诊断方式。

2转子质量不平衡

转子质量不平衡所引起的振动故障，在近年来，工业生产水平逐步提高，加工精度的提高以及装配精度的提高都使得此类振动故障的次数越来越少。

2.1质量不平衡的原因

转子在某横截面处的质心和该处转子的圆心不在相同点上，这种带着不平衡的转子在旋转时，质心并不会像平衡的转子那样稳定在一点，而是也会旋转起来。根据偏移大小的不同，质量产生的离心力大小也不同，转子每转一圈，离心力所引起的力矩就振荡一个周期，因此转子会产生1X振动。

导致转子不平衡的工程原因可归结为三大类：原始不平衡、转动部件脱落松动和转子热弯曲。原始质量不平衡：是指汽轮机运行前转子已经处于不平衡的状态。一般是检修时造成的，或是在转子最初加工时造成的。若转速在某值附近相对稳定时，其产生的振动也是金丝稳定的，振幅相位均几乎不受其他因素的影响。小于1/5的振幅变化或是小于20度的相位角变化均认为是稳定工况。

2.2质量不平衡的特征及诊断方法

转子质量不平衡的主要振动特性表现为：振动的频率和转速一致，保持1X频率，在通过临界转速时振幅最大。因此转子不平衡的故障表现为 1X 振幅大；转子的轴心轨迹为圆形或椭圆形；转子的转速相对平稳时，振动的相位角也是相对平稳的；转速对振幅的影响很大，转速若发生改变，振幅也会明显发生改变。

3转子不对中

通俗意义来讲，不对中就是相邻两段转子的中心轴线不在一条直线上，或是倾斜，或是偏移，而不能形成一条轴系。不对中事故约占汽轮机总事故的 60%。

3.1转子不对中的分类

在所有转子不对中的情况下，可分为两大类，分别是联轴器不对中和轴承不对中。联轴器不对中，正常转子对中的状态与三种联轴器不对中情况，分别是平行不对中、角度不对中、组合不对中。轴承不对中：在现代大型机组中，由于工程技术的进步，轴承出现偏角不对中的概率越来越低，但是标高变化引起的抽成位置上下高度与左右位置的偏差依然存在。这会使轴承的载荷重新分配，各个轴承的受力偏离设计值，还会施加给转子异常的力和力矩。进一步影响整个汽轮机系统，甚至是恶化其他事故。

3.2转子不对中的特征

当转子平行不对中时：在转子的径向防线会出现2倍频为主，1倍与多倍频率为辅的频率图；不对中的偏差越大，垂直和水平方向的激振力都会越大；不同高低的轴承处的振幅也不一样大，振幅随着负荷的增大而增大。

当转子角度不对中时：在转子的轴向方向尊在 1X 振动；出现多种频率振动，其中以2X分量最大；联轴器处的轴向振动相位差会达到π左右，两侧的径向振动相位相同。当转子组合不对中时：主要振动频率是2倍频，也会出现高倍频；波形稳定，在基频上常常出现2倍频波形；联轴器两侧的径向与轴向相位差为180°左右。

3结 语

对典型的汽轮机故障进行分析，基于理论分析了各种故障的产生原因及振动特征，其中包括动静碰摩、质量不平衡、转子不对中，为相关的工程实践提供了理论依据。

参考文献

郭建.基于BP神经网络的汽轮机故障诊断系统研究[D].华南理工大学, 2014.

朱霄珣. 基于支持向量机的旋转机械故障诊断与预测方法研究[D].华北电力大学, 2014.

作者通讯地址：

湖北省赤壁市蒲纺工业园区桃花坪社区艳阳小区

黎玲(13972842783)