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摘 要: 振动是汽轮机组常见的主要故障之一,也是难题之一,严重时会导致重大事故。随着大型机组对汽轮机效率要求的不断提高,汽轮机动静间隙变小,轴封、油挡、隔板汽封等发生动静摩擦的越来越多,机组发生碰磨时,振动会出现明显变化,是其故障的反映,再加上油温、油质、振动波、机组工况、机组启停对振动的影响,使振动的研究和分析成为电力行业机组安全稳定运行关键。
关键词: 汽轮机 振动 特点 原因
一、汽轮机本体结构
汽轮机的本体结构一般可分为静止部分和转动部分。静止部分包括汽缸、进汽部分、喷嘴、隔板、汽封、滑销系统、加热系统和轴承等部件。转动部分包括主轴、叶轮、叶片和联轴器等。
为了满足机组快速启动的需要,高压缸设有汽缸夹层加热系统,高、中压缸设有法兰加热系统。
高、中、低压转子均采用整段结构,三根转子之间均采用刚性联轴器,高、中压转子采用两转子三支承结构,2号轴承采用双推力支承联合轴承。本机共有五个轴承,均为带球面轴瓦套的椭圆轴承。为了在机组启停时减小盘车力矩,且避免磨损轴承,配有高压顶轴装置,并配有转速为4.05r/min的低速自动盘车装置。
二、振动特点
某汽轮机型号为C50-8.83/0.981,发电机型号为QF-60-2,1,2号轴承支承汽轮机转子,1号轴承为座落前箱内的落地轴承,2号轴承座落在排汽缸上,3,4号轴承支承发电机转子,均为落地轴承。汽轮机和发电机转子以刚性联轴器连接。
(一)配重前启动
第一次启动升速至过临界转速的过程中,2号轴承最大振动为39.1祄,其它轴承振动均小于30祄,说明汽轮机转子和发电机转子的平衡状态良好。
空载3000r/min下,除了2号轴承垂直振动39祄外,其它轴承振动均在30祄以下。带负荷到48mW,2号轴承振动从60祄很快升至84.5祄,被迫打闸停机。降速过临界转速2号轴承垂直振动达125祄。盘车时,大轴挠度比开机增大40祄。从3000r/min→带负荷→停机过程的轴承垂直振动趋势图可知,振动增大的部位主要是2号轴承,发电机的2个轴承振动基本不变,因而可以判定故障存在于汽轮机侧。
根据以往经验,一般存在转子热变形的机组,只要把空载3000r/min时的下轴承基频振动降低到20祄以下,带负荷后的振动就能维持在50祄以内的合格范围。所以停机后在汽轮机末级叶轮进行配重,以降低2号轴承的垂直振动。
(二)配重后启动
机组配置后再次启动,在空载3000r/min下,2号轴承的垂直振动为15祄,其它均小于15祄。带负荷20mW时振动基本不变,负荷增到30mW,2号轴承振动增大至40祄,稳定一段时间后,振动稍有降低。接着开始升负荷至35mW,振动升至46.8祄。立刻减负荷至30mW,振动突升至54.1祄,又升负荷至37mW,振动继续升高。随即减负荷,当振动升到91.7祄时,打闸停机。降速过临界转速2号轴承垂直振动达8祄。盘车时大轴挠度比开机增大100祄。
(三)第三次启动
前两次启动过程中,后汽封温度达300℃,而该汽封设计汽源为除氧器汽平衡供汽,温度在150℃左右,显然后汽封温度偏高;另外,前两次启动过程中,本体疏水没有打开。
为了排除这两个因素的影响,又开一次机。在这一次启动过程中,本体疏水全部打开,后汽封温度控制在160℃以下。这次从启动升速过程到20mW负荷,2号轴承振动与上一次差别不大。负荷到24mW,2号轴承振动开始快速突升到90.7祄,被迫打闸停机。
(四)次启动过程的振动特点
1.振动主要是基频成分,其它分量很少,因此属于不平衡激起的强迫振动。
2.振动随时间和启停机的次数增多而显著增大,振动突增负荷点一次比一次小,说明振动故障逐次恶化。
3.当振动突增后,即使减负荷到0,振动亦不会降低而是继续增加。停机过程中过临界转速的振动值比开机过程大。
4.2号轴承振动一旦开始爬升很快发散至报警值,并且没有尽头,在这种振动状态下机组是无法运行的。
三、振动原因分析
该机组振动的基本特点是,随着时间增加,不稳定强迫振动增加。
(一)造成这种振动的故障缺陷可能
1.汽缸膨胀受阻,使轴承支承刚度降低。
2.转子热弯曲。
通过检查没有发现绝对膨胀、胀差在启动过程中出现异常,轴承座与台板接触面也没有出现间隙,膨胀也没有卡涩迹象,所以可以排除第一项缺陷,因而转子热弯曲成为主要怀疑对象。
(二)造成转子热弯曲的原因
1.转轴内应力过大。
2.转轴材质不均。
3.转轴套装部件失去紧力。
4.高温转子与冷水、冷汽接触。
5.动静摩擦。
6.转子中心孔进油。
根据振动的变化特点,可以排除第1—3个原因,因为这3个原因引起的振动均变化缓慢,而该机的振动会出现突变,且随启停次数的增加,一次比一次严重。
因试运过程中未发现汽缸和本体疏水情况出现异常,可以排除第4个原因。
因摩擦振动的相位变化较大,而该机振动的相位变化较小(20°左右),所以可以排除第5个原因。只有第6个原因不能排除,有必要对转子中心孔进行检查。
四、转子中心孔进油引起振动的机理
在汽轮机转子中心孔内存油而未充满时,在高速旋转的离心力作用下,油被甩到孔壁上形成油膜。由于转子存在一定的挠度,致使中心孔的几何中心和转子的旋转中心不重合,因而孔壁上的油膜厚度不同,当转子温度升高时,油与孔壁间产生热交换,油吸热而气化。由于不同厚度的油膜与孔壁间的热交换的程度不同,使转子径向产生温差,引起转子热弯曲。热弯曲不但随着机组有功负荷的增大而加大,而且在暖机和升速过程中也能明显反映出来。暖机时间较长会引起过大振动,甚至使机组不能升速到满转。并且,开停机次数愈多,被吸进转子中心孔的油愈多,振动现象愈明显。根据经验,转子中心孔进油达0.15kg,就会使机组振动发生明显的变化。
参考文献:
[1]张正松,傅尚新,冯冠平等.旋转机械振动监测及故障诊断.机械工业出版社.
[2]郑兆昌主编.机械振动(中册).机械工业出版社.
[3]钟一谔,何衍宗,王正等.转子动力学.清华大学出版社.
关键词: 汽轮机 振动 特点 原因
一、汽轮机本体结构
汽轮机的本体结构一般可分为静止部分和转动部分。静止部分包括汽缸、进汽部分、喷嘴、隔板、汽封、滑销系统、加热系统和轴承等部件。转动部分包括主轴、叶轮、叶片和联轴器等。
为了满足机组快速启动的需要,高压缸设有汽缸夹层加热系统,高、中压缸设有法兰加热系统。
高、中、低压转子均采用整段结构,三根转子之间均采用刚性联轴器,高、中压转子采用两转子三支承结构,2号轴承采用双推力支承联合轴承。本机共有五个轴承,均为带球面轴瓦套的椭圆轴承。为了在机组启停时减小盘车力矩,且避免磨损轴承,配有高压顶轴装置,并配有转速为4.05r/min的低速自动盘车装置。
二、振动特点
某汽轮机型号为C50-8.83/0.981,发电机型号为QF-60-2,1,2号轴承支承汽轮机转子,1号轴承为座落前箱内的落地轴承,2号轴承座落在排汽缸上,3,4号轴承支承发电机转子,均为落地轴承。汽轮机和发电机转子以刚性联轴器连接。
(一)配重前启动
第一次启动升速至过临界转速的过程中,2号轴承最大振动为39.1祄,其它轴承振动均小于30祄,说明汽轮机转子和发电机转子的平衡状态良好。
空载3000r/min下,除了2号轴承垂直振动39祄外,其它轴承振动均在30祄以下。带负荷到48mW,2号轴承振动从60祄很快升至84.5祄,被迫打闸停机。降速过临界转速2号轴承垂直振动达125祄。盘车时,大轴挠度比开机增大40祄。从3000r/min→带负荷→停机过程的轴承垂直振动趋势图可知,振动增大的部位主要是2号轴承,发电机的2个轴承振动基本不变,因而可以判定故障存在于汽轮机侧。
根据以往经验,一般存在转子热变形的机组,只要把空载3000r/min时的下轴承基频振动降低到20祄以下,带负荷后的振动就能维持在50祄以内的合格范围。所以停机后在汽轮机末级叶轮进行配重,以降低2号轴承的垂直振动。
(二)配重后启动
机组配置后再次启动,在空载3000r/min下,2号轴承的垂直振动为15祄,其它均小于15祄。带负荷20mW时振动基本不变,负荷增到30mW,2号轴承振动增大至40祄,稳定一段时间后,振动稍有降低。接着开始升负荷至35mW,振动升至46.8祄。立刻减负荷至30mW,振动突升至54.1祄,又升负荷至37mW,振动继续升高。随即减负荷,当振动升到91.7祄时,打闸停机。降速过临界转速2号轴承垂直振动达8祄。盘车时大轴挠度比开机增大100祄。
(三)第三次启动
前两次启动过程中,后汽封温度达300℃,而该汽封设计汽源为除氧器汽平衡供汽,温度在150℃左右,显然后汽封温度偏高;另外,前两次启动过程中,本体疏水没有打开。
为了排除这两个因素的影响,又开一次机。在这一次启动过程中,本体疏水全部打开,后汽封温度控制在160℃以下。这次从启动升速过程到20mW负荷,2号轴承振动与上一次差别不大。负荷到24mW,2号轴承振动开始快速突升到90.7祄,被迫打闸停机。
(四)次启动过程的振动特点
1.振动主要是基频成分,其它分量很少,因此属于不平衡激起的强迫振动。
2.振动随时间和启停机的次数增多而显著增大,振动突增负荷点一次比一次小,说明振动故障逐次恶化。
3.当振动突增后,即使减负荷到0,振动亦不会降低而是继续增加。停机过程中过临界转速的振动值比开机过程大。
4.2号轴承振动一旦开始爬升很快发散至报警值,并且没有尽头,在这种振动状态下机组是无法运行的。
三、振动原因分析
该机组振动的基本特点是,随着时间增加,不稳定强迫振动增加。
(一)造成这种振动的故障缺陷可能
1.汽缸膨胀受阻,使轴承支承刚度降低。
2.转子热弯曲。
通过检查没有发现绝对膨胀、胀差在启动过程中出现异常,轴承座与台板接触面也没有出现间隙,膨胀也没有卡涩迹象,所以可以排除第一项缺陷,因而转子热弯曲成为主要怀疑对象。
(二)造成转子热弯曲的原因
1.转轴内应力过大。
2.转轴材质不均。
3.转轴套装部件失去紧力。
4.高温转子与冷水、冷汽接触。
5.动静摩擦。
6.转子中心孔进油。
根据振动的变化特点,可以排除第1—3个原因,因为这3个原因引起的振动均变化缓慢,而该机的振动会出现突变,且随启停次数的增加,一次比一次严重。
因试运过程中未发现汽缸和本体疏水情况出现异常,可以排除第4个原因。
因摩擦振动的相位变化较大,而该机振动的相位变化较小(20°左右),所以可以排除第5个原因。只有第6个原因不能排除,有必要对转子中心孔进行检查。
四、转子中心孔进油引起振动的机理
在汽轮机转子中心孔内存油而未充满时,在高速旋转的离心力作用下,油被甩到孔壁上形成油膜。由于转子存在一定的挠度,致使中心孔的几何中心和转子的旋转中心不重合,因而孔壁上的油膜厚度不同,当转子温度升高时,油与孔壁间产生热交换,油吸热而气化。由于不同厚度的油膜与孔壁间的热交换的程度不同,使转子径向产生温差,引起转子热弯曲。热弯曲不但随着机组有功负荷的增大而加大,而且在暖机和升速过程中也能明显反映出来。暖机时间较长会引起过大振动,甚至使机组不能升速到满转。并且,开停机次数愈多,被吸进转子中心孔的油愈多,振动现象愈明显。根据经验,转子中心孔进油达0.15kg,就会使机组振动发生明显的变化。
参考文献:
[1]张正松,傅尚新,冯冠平等.旋转机械振动监测及故障诊断.机械工业出版社.
[2]郑兆昌主编.机械振动(中册).机械工业出版社.
[3]钟一谔,何衍宗,王正等.转子动力学.清华大学出版社.