汽轮机组常见振动故障及原因分析.ppt

汽轮发电机组常见振动故障及原因分析 博士高级工程师 汽轮发电机组常见振动故障分析 质量不平衡引起的故障 1 转子热弯曲引起的故障 动静碰摩引起的故障 转子不对中引起的故障 自激振动引起的故障 支撑松动引起的故障 结构共振引起的故障 轴承座轴向振动引起的故障 转子裂纹引起的故障 汽轮发电机振动故障 动态标高变化引起的故障 1 1质量不平衡故障概述 转子质量不平衡是汽轮发电机组最为常见的故障 据有关统计 在现场发生的机组振动故障中 有转子不平衡造成的约占80 属于转子质量不平衡的将达到90 左右 转子质量不平衡是指在工程实际中 由于材料的不均匀和设计 制造及安装的偏差 转子的惯性主轴与旋转轴线多少有些偏离 在转子转动中 偏心质量产生的离心力是个不平衡力系 传递到转子的支撑轴承和基础上将产生振动 当转速一定时 离心力的大小正比于质量与偏心距的乘积 在平衡技术中将其称为不平衡量 简称不平衡 1 质量不平衡引起的故障 1 1 2质量不平衡故障机理 转子质量不平衡产生振动的机理是 转子各横截面的质心连线与各截面的几何中心连线不重合 从而使转子在旋转时 各截面的离心力构成一个空间连续力系 转子的挠度曲线为一连续的三维曲线 如下图所示 式中 不平衡质量 不平衡质量偏心距 转动角速度 1 3质量不平衡故障诊断 区分出具体的故障模式 转子不平衡故障频谱图 作为严密的诊断 汽轮发电机组的质量不平衡应该具有以下的特征 1 振动以基频 1X 为主 同时 出现较小的高次谐波 整个频谱呈所谓的 枞树形 2 在转速一定时振幅和相位是稳定的3 多次启动振动有再现性4 可以排除刚度 共振等因素5 振动随负荷变化不明显6 轴心运动轨迹为圆形或椭圆形 转子轴心轨迹 5号瓦y方向的振动趋势图 2 1转子热弯曲故障概述 转子受热后出现的弯曲变形称为热弯曲 热弯曲将导致转子平衡状态的变化 因此热弯曲又称为热不平衡 转子热不平衡是指转子受热后 如机组带有功负荷或发电机转子加励磁电流后 产生附加的不平衡力而出现振动改变的现象 热弯曲是一种机组较为常见的振动故障 引起热弯曲的原因也是多种多样 针对整个汽轮发电机组而言 可分为两部分来研究热弯曲故障 包括汽轮机转子热弯曲和发电机转子热弯曲 2 转子热弯曲引起的故障 汽轮机转子在高温和高压的蒸汽介质中工作 发电机转子在投入励磁电流后也会被加热 一般来说 转子温度的均匀增加只会引起长度的增加 而不会使转子产生弯曲 之所以发生弯曲 是由于转子截面存在着某种不对称的因素 包括温度不对称 受力不对称 材质不对称等 左下图转子上下表面温度不等 右下图中由于摩擦效应在转子表面产生的轴向力F 2 2转子热弯曲的故障特征 汽轮机转子热弯曲的故障特征 1 特征频率为1X 2 振幅不会发生跳跃式的变化 振动的相位不稳定 3 振动随转速的变化关系明显 4 振动随负荷的变化关系明显 5 停机过程的振动会明显高于启动过程 发电机转子热弯曲故障特征 1 振动与励磁电流有密切关系 2 发电机转子冷却系统不均匀引起热弯曲时 冷却介质入口温度越低 则振动越大 入口温度越高 则振动越小 3 发电机转子出现的热弯曲大多是暂态弯曲 4 因摩擦效应导致转子出现不均匀轴向力引起的热弯曲 振动的增大具有一定的突发性 5 发电机转子热弯曲分为可逆和不可逆两者情况 2 3热弯曲故障原因 汽轮机转子热弯曲原因 1 转轴上内应力过大 转轴材质不均 2 汽轮机叶轮的轮毂之间或轴上其他套装零件与轴凸台之间轴向间隙不足或不均匀 3 转轴存在径向不对称温差 4 转子与水或冷蒸汽接触 5 动静摩擦 1 2 4热弯曲故障解决措施 1 如果发电机转子的振动与冷却介质的温度有关 这时需要进行转子通风试验和流量试验 来确定局部堵塞部位 然后进行反冲洗 疏通冷却通道 2 当怀疑发生绕组局部短路或匝间短路时 需要进行一些电气试验查找短路部位 如气隙探测绕组实验 发电机转子热弯曲故障解决措施 3 1动静碰摩故障概述 3 动静碰摩引起的故障 按碰摩方向分类 按转子摩擦的接触面情况 径向碰摩 径向碰摩 轴向碰摩 按碰摩的位置 径向碰摩 全周碰摩 部分碰摩 转动部分的摩擦部位在非转轴的转动部件 转动部分的摩擦直接发生在转轴本身 1 3 2动静接触的原因 1 汽缸跑偏或基础不均匀沉陷 2 蒸汽温度的变化 如果蒸汽温度的变化过于剧烈 将引起静止部件的变形 3 汽缸进水和保温不良 4 排汽缸的快速加热和冷却 5 汽封损坏 6 暖机不充分 在转子存在较大晃度的情况下开机 7 剧烈振动 3 3机组动静碰摩的故障征兆 测点布置 1 键相 2 机组X Y向轴振 3 机组垂直方向瓦振 4 轴向位移 5 胀差 6 真空度 7 负荷 8 汽缸温度 9 凝汽器水位 监测方法在启动中转轴碰摩危害最大的是高 中亚转子 平时不论1 2 3号瓦轴振是否较大 在启动中必须重点监测这些轴瓦的轴振或瓦振 使用振动表或振动仪应连续观察1 2min振幅 不测相位也可以 与时间的关系 才能捕捉到转轴碰摩振动特征 因此诊断转轴碰摩最为有效的振动监测方式是连续监测 1 3 3机组动静碰摩监测 1 3 4碰摩故障解决措施 当出现动静碰摩时 现场采取的一个有效措施就是在控制轴振动 保证机组运行安全的前提下进行 磨合 在启动过程中 机组发生动静摩擦时不能强行升速 否则容易造成大轴永久弯曲 如果转速在临界转速一下 应该立即打闸停机 盘车一段时间正常后再启动 如果在临界转速以上 则在振动可以控制的转速上多停留一段时间 磨合出一定的间隙后再升速 如果摩擦发生在带负荷阶段 只要控制振动在一定的变化范围 可以观察运行一段时间 以磨合出适当的间隙 如果振动不断增加 应该降低负荷或打闸停机 以免危害机组安全 自激振动是由于系统自身的运动诱发的振动 其机理和特点与强迫振动有本质不同 汽轮发电机组自激振动包括轴承自激振动和汽流激振 前者由轴承的油膜力引起 后者由蒸汽力引起 4 自激振动故障 4 1自激振动 振动系统由于自身运动引发的振动称为自激振动 当系统失稳力大于阻尼力时 振动发散 称为振动系统失稳 实际系统自激振动的振幅不会无限增大 其正阻尼和负阻尼都与振幅有关 在振幅增大过程中 正阻尼增大 负阻尼减小 当振幅达到一定值时 正负阻尼相等 此时振幅停止增长 单轮盘转子的力系 对于转子系统而言 转子离心力与弹性恢复力在连线上 阻尼力与失稳力与垂直 两者方向相反 如果失稳力大于阻尼力 则系统失稳 轴瓦自激振动是现场较常见的一种自激振动 它常常发生在机组启动升速过程中 特别是在超速时 当转子转速升到某一值时 转子突然发生涡动使轴瓦振动增大 而且很快波及轴系各个轴瓦 使轴瓦失去稳定性 这个转速为失稳转速 4 2轴承自激振动 汽轮机和发电机转子支承在滑动轴承上 转子转动时轴颈与轴瓦之间形成一层很薄的油膜 这层油膜避免了轴颈与轴瓦的直接接触 润滑油带走轴承中摩擦产生的热量 保证工作温度正常 4 2 1轴瓦自激振动机理 4 2 1 1轴瓦自激振动分类 半速涡动是指转子轴颈在作高速运转的同时 还围绕轴颈某一平衡中心作公转运动 如果转子轴颈主要是由于油膜力的激励作用引起的涡动 则轴颈的涡动速度接近轴颈转速的一半 故称半速涡动 这种振动的振幅始终不大 而且在机组加速过程中 永远不会与转子的第一临界转速发生共振 因此对机组安全一般不会造成严重威胁 一 半速涡动 二 油膜振荡 当轴颈转速升高到第一临界转速两倍的附近时 涡动频率与转子的第一临界回转频率重合 转子轴承系统会发生激烈共振 这种涡动就是变为油膜振荡 其特点是来势很猛 瞬时振幅突然升高 很快就会发生局部油膜破裂 引起轴颈与轴瓦之间的剧烈摩擦 结果会严重损坏轴承和转子 4 2 1 2轴瓦自激振动的原因 轴颈扰动过大 不是指转子暂态瞬间产生的扰动 而是指稳定的扰动 进一步说是指轴颈与轴瓦之间的相对振动 简称转轴振动 一 轴颈扰动过大 二 转子热弯曲与转子永久弯曲 运行的机组中 产生热弯曲是一种较为常见的振动故障 如果轴瓦突然发生自激振动 而且与机组的有功负荷有着一定得对应关系 例如有功负荷增加越快 振动越剧烈 这种现象大部分是由于转子发生热弯曲所致 三 轴承座刚度过大 增大轴承座的动刚度虽然能单纯减少轴瓦的振动 但是这会引起转轴相对振动的增大 对轴瓦稳定运行不利 当汽轮发电机组上发生的低频振动的频率接近转子转动频率的一半时 在绝大多数情况下 如不是蒸汽激振 就是油膜失稳 由于蒸汽激振一般发生在汽轮机高压转子的轴承上 并且对负荷或压力敏感 振动的重复性好 较易于判断 油膜振荡的频率与转子第一临界转速相近 而且一旦发生 不论转速升至多高 振荡的频率将始终保持为转子第一临界转速的频率 所以易于诊断 1 振幅在瞬间突然增大 2 振动达到高位后仍不稳定 3 频率 4 振动的突发性 5 与负荷无关 6 异音 7 低频分量问题 4 2 2轴承自激振动的诊断 4 2 2 1自激振动的特征 分谐波共振 轴瓦自激振动 汽流激振的特性区分 现场经常采用以下措施消除轴瓦的自激振动 1 提高油温 2 调整中心 3 调整轴承顶隙 4 增加轴承比压 5 消除轴瓦的缺陷 6 调整平衡 7 轴承类型对稳定性的影响 4 2 3处理措施 描述轴承动态特性的一个综合指标是承载系数 又称为索马费尔德数 可以看出S越大 轴承的稳定性越高 承载系数取决于比压 间隙比 润滑油黏度和轴颈转速这几个参数 比压和间隙比越大 润滑油黏度越小 则越大 轴承的稳定性越高 4 3汽流激振 机组可靠性 机组经济性 汽流激振是由于汽流力引起的自激振动 为了提高机组效率 通常采用提高蒸汽参数的方法 这就产生了一种可以导致轴承失稳的激振力 汽流激振在高参数汽轮机上尤为突出 特别是高压转子 1 静态力 采用喷嘴调节的汽轮机 蒸汽除了在转子调节级叶片上产生力偶而使转子旋转之外 还有一个作用于转子中心的力 因调节阀开启顺序的原因 可能使此力成为抬起转子的恒定力 从而减小转子的比压 使转子失稳 2 动态力 汽轮机的转动部分与静止部分之间有一定的间隙 比保证运行时不发生动静摩擦 为了减小蒸汽的泄漏 汽轮机都装有汽封装置 在蒸汽通过汽封时 每通过一个汽封齿就产生一个次节流作用 蒸汽的压力随之降低 机组经济性 4 3 1汽流激振的机理 作用在转子上的蒸汽激振力可分为静态力和动态力两类 静态力是指恒定的力 而动态力是交变的 这两类力都可以引起汽流激振 特性 或影响后果 特征 1 振动频率为工作转速的一半 即属于半频 2 振动与负荷有关 有良好的再现性 3 低频振动有个一门槛值 4 与轴承自激振动的区别 发生的部位 与负荷的关系 4 3 2汽流激振的诊断 4 3 2 1汽流激振特征 范围 或部位 特征 在运行 启机或停机过程中 某个轴承X Y向振动值明显增大 高于正常运行振动值和相邻轴承振动值 则诊断该轴承所支撑的转子段发生了故障 造成机组激流激振的原因主要有以下几个方面 1 转子与汽缸同心度偏差大2 动叶与静叶 喷嘴 之间的轴向间隙过大3 气门开启顺序不合适4 轴瓦稳定性差5 转子不平衡 现场诊断机组汽流激振具体原因和部位步骤如下 1 查看转子是否存在不平衡 如果存在首先消除转子不平衡2 查看调节气门开启顺序 看是否存在单侧进汽的情况3 查找转子中心 检查转子与汽缸同心度 看是否存在偏差过大的情况4 调整动叶和静叶之间的轴向间隙5 查看轴承型式 润滑油温度 轴承标高等影响轴瓦稳定性的因素 4 3 2 2汽流激振的诊断方法和步骤 1 振动类别和故障性质判断 2 汽流激振原因以及故障部位的诊断 1 增加轴瓦比压 增加在轴瓦单位垂直投影面积上的轴承载荷 可以提高轴承工作的稳定性 在现场应用最多的方法是缩短轴瓦长度 降低长径比 2 减小蒸汽静态力 蒸汽向上的静态力使轴承比压降低 可通过改变调节阀的开启顺序或开启重叠度尽量减小这样的静态力 但要通过反复试验才能找到最佳的开启方式 3 减小蒸汽激振力 蒸汽激振力与蒸汽密度和级前后压差成正比 这是汽流激振发生在大功率高参数汽轮机上的原因所在 激振力还与汽封的结构 长度 间隙的大小有关 且其随着径向间隙的增大而减小 随着轴向间隙的增大而增大 4 3 3处理措施 4 减少轴瓦顶隙与扩大两侧间隙 这种措施就是增加轴承的椭圆度 提高轴瓦的稳定性 它比单纯提高轴瓦比压活减少长径比等其他措施有效 5 降低润滑油的粘度 润滑油的粘度越大 油分子间的凝聚力也越大 轴颈旋转时所带动的油分子也越多 油膜厚度就越大 稳定性也越差 6 增大上瓦的轴衬宽度 增大上瓦的轴衬宽度 以便形成油膜 可以提高上瓦的油膜力 增强轴瓦的稳定性 汽轮发电机组是多转子连接而成的轴系 转子之间由联轴器连接 对中是指在运行状态下 轴系中各个转子的中心线在一连续的轴线上 并使各轴承的负荷满足设计要求 如果不能达到这样的要求 则称为不对中 5 转子不对中引起的故障 5 1转子不对中 转子不对中是汽轮发电机组及辅机设备最常发生的故障之一 当转子系统出现不对中后 在其运动过程中将产生一系列不利于设备运行的动态效应 引起设备的振动 联轴器的偏转 轴承的磨损和油膜失稳 转轴的挠曲变形等 危害极大 根据国外相关资料介绍 60 70 的旋转机械振动故障由轴系不对中引起或与之相关 存在不对中故障的汽轮发电机组若长期运行 有可能产生非常严重的后果 因此 研究大型汽轮发电机组轴系不对中故障的振动特征 振动诊断及处理方法就有较大的经济价值 联轴器不对中 联轴器不对中是指相邻两根转轴轴线不在同一直线上 或不是一条连续的光滑曲线 在联轴器部位存在拐点或阶跃点 联轴器不对中包括三种情况 一是联轴器端面与轴心线不垂直 端面瓢偏 形成偏角不对中 二是联轴器的有关圆柱面和连接螺栓孔节圆中心和轴颈不同心 圆周偏差 形成平行不对中 三是前两种不对中的组合 即平行偏角不对中 轴承不对中 轴承不对中包括偏角不对中和标高变化两种情况 目前多使用自位轴承 一般的轴承偏角不对中容易消除 但轴承位置标高的变化会使轴承载荷重新分配 从而影响整个轴系的稳定性 5 1 1故障的分类 转子不对中分类示意图 联轴器不对中 轴承不对中 经过分析可知 平行不对中时振动频率为转子工频的两倍 偏角不对中使联轴器附加一个弯矩 弯矩的作用是力图减小两轴中心线的偏角 轴旋转一周 弯矩作用方向交变一次 因此 偏角不对中增加了转子的轴向力 使转子在轴向产生工频振动 平行偏角不对中是以上两种情况的综合 当转子运转时 就有一个两倍频的附加径向力作用于靠近联轴器的轴承上 有一个同频的附加轴向力作用于止推轴承上 从而激励转子发生径向和轴向振动 轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和左右位置的偏差 由于结构上的原因 轴承在水平方向和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼 不对中的存在加大了这种差别 虽然油膜既有弹性又有阻尼 能够在一定程度上弥补不对中影响 但当不对中过大时 会使轴承的工作条件改变 使转子产生附加的力和力矩 甚至使转子失稳和产生碰摩 5 2转子不对中引起的振动机理 5 2 1转子不对中的原因分类 一 设计对中考虑不够及计算偏差 二 安装找正误差和对热态转子不对中量考虑欠佳 三 运行操作上超负荷运行和机组保温不良 轴系各转子热变形不一 四 机器基础 底座沉降不均使对中超差和软地脚造成对中不良 五 环境温度变化大 机器热变形不同 5 2 2转子不对中的振动特征分析 畸变过程 正常运行状态图 故障运行状态图 轴系不对中本身不会产生振动 主要影响到油膜性能和阻尼 在转子不平衡时 由于轴承不对中对不平衡力的反作用 会出现工频振动 当其不对中过大时 有可能使转子失稳或产生碰摩 在一定条件下会出现高次谐波振动 负荷大时 或引起油膜涡动进而导致油膜振荡 负荷轻时 而轴系不对中将导致轴向 径向交变力 引起其振动特征频率为转子工频的轴向振动和2倍频分量的径向振动 对于齿式联轴器 平行不对中时产生以轴向为主的振动 角度不对中及综合不对中时和刚性联轴器不对中一样 会产生径向振动和轴向振动 机组正常时 其轴心轨迹是一个较为稳定的规则椭圆 而机组异常时 轴心轨迹图畸变为被损伤的香蕉形 如图所示 诊断转子不对中需监测参数和某300MW机组参考参数值 在安装和检修过程中应严格进行轴系找中 在运行过程中应避免对机组轴系形成冲击负荷 才能保证大型汽轮发电机组的安全 稳定 经济运行 提高检修和工艺水平 安装保证联轴器无飘偏和偏心 处理接触面锈蚀和改进润滑系统 消除滑销系统卡涩 消除支撑轴承标高偏差 控制机组的负荷符合规定 禁止机组超负荷运行 如果是由于支撑轴承标高的变化导致的轴承不对中 查找影响轴承中心的因素如 轴承座垂直方向的热膨胀 油膜厚度的影响 基础框架受热不均的影响 凝汽器水位和真空的影响 5 4处理措施 支承松动引起系统的结构刚度变小 很小的激振力会引起较大的振动 支承松动引起的振动属于强迫强迫振动的范畴 由于因为松动引起的振动不稳定 所以大部分振动是不稳定的 可以看作非定常强迫振动 6 1支撑松动故障概述 6 支撑松动引起的故障 机组可靠性 系统振动是由两方面决定的 即激振力和轴承刚度 支撑松动会影响轴承刚度 进一步使系统振动增大 以下因素可以导致支承刚度的降低 1 连接螺栓松动 2 轴承座与台板接触不好 3 垫铁松动 4 汽缸的膨胀不畅 滑销系统的卡涩 5 结构形式 6 大型机组轴承座径向振动多发生在低压缸轴承上 6 2支撑松动故障机理 系统振动是由两方面决定的 即激振力和轴承刚度 支撑松动会影响轴承刚度 进一步使系统振动增大 1 连接螺栓松动 2 轴承座与台板接触不好 3 垫铁松动 4 汽缸的膨胀不畅 滑销系统的卡涩 5 结构形式 6 大型机组轴承座径向振动多发生在低压缸轴承上 以下因素可以导致支承刚度的降低 6 2支撑松动故障机理 由于支承松动引起的振动 有如下的特点 1 相位不稳定 2 振动随转速变化明显 3 振动随负荷变化明显 4 基频及分数谐波振幅大 伴随2f3f 等高频振幅 5 振动不稳定 转速达某一域值是振幅突然增大或变小 6 水平和垂直方向具有不同的临界转速 7 松动的方向振动大 8 轴承座的振动会明显增大 6 3支撑松动故障诊断 特性 或影响后果 特征 6 3 1故障特性分析 现场最常见的是轴承座与台板 台板与基础之间的接触不良 可以通过测量他们之间振动的差异来判断 6 3 2支撑松动诊断方法研究 支承松动引起的振动会引起轴承座较大的振动 所以对于该类型振动的诊断可以通过测量轴承座的振动来进一步确定 直接检查的方法有测量差别振动和用手触摸两种 测量差别振动 用手指触摸 用手指紧贴在轴承座与台板结合处 当两者结合不好时 在交变振动力的作用下 手指会有挤压感 用同样的方法可以检查台板与基础的结合情况 肥皂水检测 将肥皂水浇在轴承座与台板结合处 当两者结合不好时 接缝处会有小气泡产生 用同样的方法可以检查台板与基础的结合情况 6 3 4诊断判据 对于一般的轴承座来说 在同一轴向位置 如图所示 测点上下标高差在100mm以内的两个连接部件 在连接紧固的情况下垂直方向的差别振动应小于2 m 滑动面之间正常的差别振动应小于5 m 对于发电机后轴承座与台板之间有绝缘者 其差别振动应小于7 m 当两个相邻部件差别振动明显大于这些数据时 即可判断连接刚度不足 差别振动越大 故障越严重 在测量轴承各点振动时 除测量垂直振幅和相位外 必要时对该点水平和轴向振动也应测量 在测量时若发现差别振动异常 必须复测一次 只有两次结果基本一致 才能认为数据可靠 检测轴承座差别振动的测点分布 1 按技术要求安装 保证配合要求 2 从差别振动中发现松动的发生部位 采取紧固措施 3 防止机壳或基础变形 4 合理运行 防止低压缸支承部分的变形 5 轴承座与台板整理接触不良 导致水平刚度大幅度降低 能够降低水平振动的有效方法就是采用高速动平衡手段来降低转子上残余的不平衡激振力 6 对于投产时间较长的机组 由于运行时间长 会导致基础刚度有所下降 因而检修中应注意对整理刚度的检查 适当将检修标准控制严格一些 6 4支撑松动处理措施 7 1结构共振故障概述 结构共振是指汽轮发电机组的静止部件的固有频率接近工作转速 如果这些部件存在共振 会加速部件的疲劳破坏 特别是转子的支承部件 如轴承箱 端盖 汽缸 基础等 当这些部件存在共振时 会导致整个轴系振动的恶化 结构共振属于强迫振动的范畴 7 结构共振引起的故障 工作转速是指机组长期运行的转速 为避免共振 固有频率应避开50hz 通常要求避开率为10 即固有频率为低于40Hz 2400r min 和高于60Hz 3600r min 共振是指激振力的频率与振动系统的固有频率重合 这时振幅急剧增大 相位急剧变化 7 2故障机理 1 转子的临界转速 叶片的固有频率都有严格的要求 2 大的结构部件 如汽缸 发电机端盖 轴承箱 由于其形状复杂 无论从计算角度还是从试验角度 在设计阶段确定其固有频率的难度都比较大 3 今年从西方国家引进的机组额定频率为60Hz 这些机组的部件如果存在50Hz的固有频率 在国外的运行条件并不是一个问题 但在我国运行就会存在问题 这时引进机械共振问题比较多的原因 4 基础共振 汽轮发电机组基础 汽轮机平台 混凝土框架 的固有频率也应该避开50Hz 有的机组本身振动不大 但站在汽轮机平台上却有明显的振感 这往往是基础存在共振引起的 5 运行过程的损坏 运行过程中部件出现的裂纹 松动等 可以引起部件刚度的降低 使固有频率落入共振区 6 汽轮发电机的给水泵 循环水泵 凝结水泵等辅助设备 由于这些辅助设备通过配管系统与主设备连接 有时配管系统的振动既影响辅助设备的振动也会影响主设备的振动 结构共振与部件的结构有很大关系 同时疲劳 松动等发生后会改变部件的固有频率 7 3结构共振故障诊断 故障特征分析在运行 启机或停机过程中 某个轴承X Y向振动值明显增大 高于正常运行振动值和相邻轴承振动值 则诊断该轴承所支撑的转子段发生了故障 1 可以排除转子的临界转速 2 主要观察轴承座的振动 3 结构物在三个方向的固有频率不一致 4 如果汽轮机的缸体 发电机 励磁机的外壳振动特别大 而转子的轴振并不大 则这些部件共振的可能性很大 5 如果轴承座振动不大 而汽轮机平台的振动大 则存在基础共振的可能性大 6 如果结构物的阻尼比较小 则共振区域振动变化率大 有时转速变化几十转 振动就有明显的变化 7 存在结构共振时往往振动不稳定 容易出现波动 8 结构共振发生时相位也会发生剧烈变化 9 发电机容易出现2X的振动 结构共振发生在汽轮机的静止部件上 所以在检测时要多留意轴承座的振动 同时要注意是否振动是由于汽轮机的各种管道振动引起的 可以采用移动监测的方法进行进一步确认 诊断方法 对于新安装机组 结构共振多是由于机组安装时导致的结构共振 可以参看同类型的机组的安装及处理过程 运行一段时间后的结构共振多为机组静止部件老化或者是由于运行时导致的机组静止部件的变形 结构共振发生于静止部分 对其监测应在轴承座等静止部件 可以在容易发生结构共振的部分安装速度传感器 传感器需要在水平 轴向以及垂直方向安装 对于确定支持系统是否共振的基本方法就是进行转速实验 在共振转速附近 部件的振幅和转速的关系完全由振动系统的阻尼和激振力幅值决定 为了确定这些振动是由于激振力的变化引起的还是由于部件的动态特性变化的影响 在实际的机组上往往首先从激振力着手 诊断判据 判断支承系统是否共振的方法是由轴承座顶部振幅与基础之比或由转轴的相对振动与轴承振动的比值大小确定 对于坐落在基础上的轴承座来说判断共振时 发生共振时 其顶部振幅和基础振幅很接近 有些情况下甚至振幅大于轴承振幅 国外资料认为 轴承顶部振幅与基础振幅之比小于1 5 2 0时 表面支承系统存在共振 对于轴承座落在排气缸上的系统来说 可用轴振与轴承振动之比来判断支承系统是否存在共振或动刚度不足 如果轴振和轴承振动接近 甚至小于轴承振动 则可判断支承系统存在共振现象 图为某电厂 4机系东方汽轮厂生产的N300 16 7 537 537 3型亚临界中间再热双缸双排汽凝汽式汽轮机3 和4 轴承座的降速曲线 从降速曲线可以看出3 和4 轴承座在3000r min附近振动幅值急剧增加 表明在3000r min附近存在共振区 因此 转子不平衡振动响应灵敏度高 抗干扰能力差 分析知道 引发3 和4 轴承座振动的原因是 轴承座支撑系统刚度较低且在3000r min附近存在共振区 低压转子上有一定的不平衡量 7 4结构共振处理措施 在机组安装过程中 要保证基础的二次灌浆良好 要保证轴承座底板与台版 台板与基础 轴承座中分面接触良好 以及连接螺栓紧力足够且均匀 在大型发电机定子安装中 应进行定子负荷分配实验 按照安装工艺阶梯型布置垫片 保证定子四周承载均匀 对已运行的机组应从以下几方面入手 1 检查部件有无裂纹 脱焊 连接不良等情况 2 采用中增加支撑等措施 改变结构的固有频率 3 提高转子的平衡精确度 减小激振力以降低共振峰值 4 定期对发电机端部绕组振动特性进行测试 防止线棒松动等引起端部绕组结构共振 在诊断机组振动故障时 常常发现轴承座存在较大的轴向振动 对于这类故障 应先检测轴承座的轴向动刚度 从现场实际情况看 引起过大轴向振动的原因大部分是轴承座的轴向动刚度不足 特别是台板和基础之间的松动 其次是轴承座和发电机的端盖轴承轴向刚度不足 可能的原因如下 1 转子弯曲 2 球面瓦卡涉 3 电磁力轴向不平衡 4 轴承座支撑刚度不足 5 转子存在较大的高阶不平衡量 6 轴承座轴向共振 7 轴承座承受过大的轴向动载荷 8 轴承座轴向振动引起的故障 8 1轴承故障概述 8 2处理措施 6 通过支承系统轴向振动的变转速实验或激振实验 确实证明有50和100Hz左右的固有频率时 则判断存在轴向共振 消除和控制此共振可采取两种手段 对共振部件进行调频处理 如机座加固 改善轴承稳定性及消除某些设备缺陷等 减小共振源的激振力 如对于50Hz共振提高转子的动平衡精度 对100Hz共振则消除电磁力不平衡以及改善转子的对中状态等 2 当确定轴向振动与转子的弯曲 热弯曲 有关 且弯曲量较大时 则需要进行直轴处理或查找热弯曲原因予以处理 如弯曲量不大 则可尝试采用动平衡方法使转子挠曲减小 降低径向和轴向振动 1 如果发电机和励磁机轴承的轴向振动与电磁力有关 可以调整发电机或励磁机的磁力中心 消除电磁力的不平衡 4 对于汽轮机膨胀死点的轴承座或可滑动的轴承座 可采用下列方法控制轴向振动 修刮轴承座与台板的滑动面 充油台板定期加油 保证其润滑良好 以减小气缸膨胀时其移动的摩擦阻力 消除管道对汽缸的反作用力 保证在汽缸接口处的管道力在允许的范围内 更换刚度大的轴承座 5 针对轴瓦紧力不合适引起的轴向振动 可重新调整轴承与瓦壳之间的过盈量 确保轴承内紧力均在标准规定的范围内 使轴瓦能够追随轴颈偏转 不再使轴承座受轴颈和轴瓦的牵制 7 当轴向振动与转子二阶质量不平衡有关时 那么 对转子进行平衡时 无论径向振动还是轴向振动都可以得到改善 据国外资料报道 十年来三十多台大型汽轮发电机组发生过转子裂纹的事故 其中有些事灾难性的 这类事故在国内也有发生 引起裂纹事故增加的原因是 机组的大型化带来蒸汽参数提高 机组寿命的延长使运行时间增加 机组调峰运行 由于转子裂纹的危险性 迫切需要进行有效地监测 以尽可能早地发现事故征兆 至少在发展为灾难性事故前能够觉察 目前直接确定裂纹的方法如超声波 红外线 磁力探伤等仅能够在停机条件下检测 而不能提供运行状态下的测量 因而通过振动测量诊断裂纹的故障的技术尤为重要 9 转子裂纹引起的故障 9 1转子裂纹故障概述 9 2故障机理 有径向裂纹的转子 其横向刚度下降 且转子的刚度不对称 由此产生弹性不平衡力 当转子以旋转时 伴随其非同步的弯曲振动使裂纹分别以固有频率和 为裂纹闭合时转子的固有频率 为裂纹张开时转子的固有频率 周期性开闭 不断改变裂纹的性质 由于裂纹性质的改变导致转子刚度的变化 改变了转子对主要激振力即重力的动力响应 裂纹转子由重力引起的响应除一倍频外 还有二倍频 三倍频 分量 由于裂纹改变了转子的刚度 从而使转子的各阶临界转速比正常值要小 裂纹越严重 各阶临界转速减小得越多 由于裂纹造成刚度变化且不对称 从而使转子的共振转速扩展为一个区域 裂纹转子在作强迫响应时 一次分量的分散度较无裂纹时大 在恒定转速下 各阶谐波幅值及其相位不稳定 且尤以二倍频最为突出 裂纹转子引起刚度不对称 使转子动平衡发生困难 往往多次试加平衡质量也达不到所要求的平衡精度 9 4故障形成原因 9 3故障形成原因 引起转子裂纹的原因包过高频疲劳 低频疲劳 蠕变和应力腐蚀 它们首先与转子运转的机械状态有关 另外还受环境的影响 主要是热参数和工作介质中含有腐蚀性的化学物质 运行时间长的老机组 由于应力腐蚀 会在转子原本存在诱发点的位置产生微裂纹 其后随着环境因素的持续作用 微裂纹逐渐扩展 发展为宏裂纹 原始的诱发点通常出现在应力高且材料有缺陷的地方 如轴上应力集中点 加工时留下的刀痕 划伤处 材质存在微小缺陷的部位等 随着机组使用寿命的延长和很多机组被用做调峰 转轴疲劳损伤急剧 裂纹出现的可能性在增加 9 4转子裂纹故障诊断 裂纹的出现 说明在转子裂纹区存在轴向的拉应力 在拉应力的作用下 转子弯曲 裂纹的出现使得转子的横向刚度降低 也会引起弯曲 这种弯曲必然导致平衡状态的恶化 因转子裂纹引起的振动具有以下的特点 9 4 1故障特征分析 转子振动不稳定 一点扰动可能造成振动变化 9 4 2诊断方法研究 对于怀疑有裂纹的转轴 根据振动信号进行诊断和监测是唯一的有效的手段 所监测的内容有如下两个方面 4台德国巴布科克公司提供技术和主要关键设备与中国武汉锅炉厂合作制造的830t h全液态排渣锅炉 一期工程 1999 4台俄罗斯动力机械进出口公司的双抽气汽轮机 其中 两台为16 5万千瓦的双抽气汽轮机 两台为18 5万千瓦的单抽气汽轮机 在机组稳态运行条件下 如果有一或两个轴承 转轴 的工频和两倍频振幅出现十分缓慢地增加 相位也发生缓慢地变化 在排除了转轴中心孔进油 轴承标高变化 联轴器中心变化 转动部件位置缓慢偏移等可能性之后 可以将其作为怀疑转子出现裂纹的一条根据 定转速下的工频和两倍频振幅及相位 5 轴承频率幅值曲线 4台德国巴布科克公司提供技术和主要关键设备与中国武汉锅炉厂合作制造的830t h全液态排渣锅炉 一期工程 1999 二期工程 2007 4台俄罗斯动力机械进出口公司的双抽气汽轮机 其中 两台为16 5万千瓦的双抽气汽轮机 两台为18 5万千瓦的单抽气汽轮机 变转速下的两倍频振幅和相位 机组升降速过程在临界转速一般处出现两倍频共振峰是转轴裂纹的关键判据 随裂纹深度的发展 这个共振峰值应该逐渐增大 发电机转子本体刚度不对称和联轴器不对中在升降速过程和裂纹产生完全相同的特征 这些故障往往难于区分 发电机转子本体刚度不对称产生的两倍频振动特征应该出现在发电机支撑或临近结构部件上 两倍频振幅 相位不会随时间变化 联轴器产生的两倍频特征 在消除或调整了联轴器的对中之后 应该随之有所变化 这些情况可以用来区别它们 5 过临界转速时振幅随转速的变化 58 2002年3月哈三电厂 3发电机转子开裂 59 转子生产设计背景 1 转子是七十年代我国自行研制生产的第一个600MW汽轮发电机转子锻件2 转子的设计结构是在引进西屋公司技术的基础上进行了局部优化 在通风结构进行了改进 主要指槽内部分 3 零部件材料的设计依据为WH公司的采购规范4 结构设计方案是在WH公司进行 并在WH公司专家指导下完成的 60 转子裂纹形貌及整体状态检验结果 表面裂纹全长为987mm 裂纹弧线长度为844mm 61 62 裂纹源区域宏观形貌 压板槽根部 63 转子应力场及强度分析 转子励端轴柄及铣槽的应力集中计算点位置示意图 64 1 轴柄处最大应力及应力集中系数计算结果 计算结果表明 B点的应力最大 应力集中系数也最大 当R 3时为48 7Mpa 当R 1时为62 2Mpa A点次之 最大应力为30 8MPa 65 哈三电厂 3机转子裂纹是由以下三个方面原因综合作用的结果 1 转子锻件热处理不当 造成材料回火脆性 冲击值下降 脆性转变温度升高 缺口敏感性增加 是哈三 3机转子开裂的内因之一2 转子励磁引线压板槽槽底根部附近有浅表层夹渣是哈三 3机转子开裂的内因之二3 转子励磁引线压板槽槽底根部R角偏小 存在应力集中是转子开裂外因 10 汽轮发电机振动故障 发电机作为将转子的旋转机械能转化为电能的设备 是电厂与电网连接的重要节点 所以发电机的安全运行尤为重要 振动状态时衡量发电机能否持续可靠运行的重要指标 多年来 因振动加剧危及发电机组安全运行甚至损毁事故的实例并不少见 可以说振动异常及加剧常常是机组发生事故的先兆 汽轮发电机是高速旋转机械 由于本身诸多不平衡因素难以完全消除及外部干扰力的影响 运行中不可能不产生振动 发电机的振动故障可以分为机械原因和电气原因两个大类 其中机械原因包括转子不对中 转子质量不平衡 转子裂纹 转子刚度不对称 动静碰磨等故障模式 电气原因包括电磁谐振 不对称电磁力激振 定子铁芯振动等故障模式 由于机械原因引起的发电机振动在前边章节里 已做了详尽的描述 本章着重阐述由于电气原因而引发的汽轮发电机振动 10 汽轮发电机振动引起的故障 10 1汽轮发电机振动概述 10 2发电机振动的故障机理 发电机电气原因导致振动的异常振动分为两大类 一是由于热效应诱发的异常振动 二是由电磁力诱发的异常振动 转子的冷却回路受阻或者出现不对称的冷却截面 转子绕组出现匝间短路 转轴刚度不对称 转子线圈和线槽之间的滑动 发电机热源及其引起的振动 转子绕组楔条 垫块的安装配合 护环 中心环的错位安装 发电机电磁力引起的振动 除了热原因引起的发电机振动外 电磁力引起的发电机倍频振动 也是汽轮发电机组运行中常见的振动故障 电磁力引起的震动包括 10 3发电机振动故障诊断 10 3 1故障特征分析 电气原因热原因引起的振动 主要是引发发电机转子热弯曲 引发转子1倍频振动 不对称电磁力激起的振动特征是 振动随励磁电流的增大立即增加 分析转子振动波形图时 引发的振动频率是二倍工频 对于发电机振动诊断 首先排除由机械原因如机组中心不正 转子质量不平衡 油膜振荡 联轴器连接工艺不当引起的振动 再区分是由于电气原因热效应诱发的异常振动 主要为转轴弯曲振动 还是由于电磁力引发的振动 对于机械原因引发的振动诊断方法在前面几章已做过了详细的介绍 在这里只介绍由于电气原因引发的振动的诊断方法 2 冷却回路受阻引发的振动特点 转子产生1倍频振动 冷却水 或氢 的出口流量明显减小 6 三相负荷不对称引发的振动特点 振动频率是二倍工频 5 电磁谐振引发的的特点是 转子振动幅度随着有功功率和励磁电流的增减而增减 振动对负荷的变化非常敏感 在额定转速 振动对励磁电流的增减不敏感 7 定子铁心振动特点 一旦去掉励磁 定子振动随即消失 3 线圈膨胀受阻引发的振动的一个特点 振动迅速上升 这时振动随着电流增加而增大 但如果电流继续增加当膨胀达到一定程度时 线圈会冲破约束膨胀出来使应力释放 振动反而降低 1匝间短路引起的不对称电磁力可以激发1倍频 2倍频和4倍频振动 对于转子 故障将激发工频振动 10 3 2诊断方法 1 发电机轴振振动出现异常则确定为发电机存在振动故障 2 首先根据前面几章的诊断方法 排除转子质量不平衡 转子不对中 油膜振荡 联轴器连接工艺不当 支撑松动 转子与定子碰磨等原因造成的发电机转子振动 其它的振动则是由于电气原因引起的发电机振动 3 根据转子的振动的频率 1倍频振动是由热原因引起的转子弯曲引发的振动 2倍频以上的振动是由于电磁力激振引发的振动 且振动与励磁电流有关系 同时有1X 2X和4X振动分量的振动原因是由于转子绕组匝间短路引起的 发电机氢压会明显下降 内冷水箱含氢量增大以及漏氢检测仪会有较大的指示 是由于机械磨损 铜线断裂引发的振动 冷却回路出水口流量明显小于进水口流量则是因为冷却回路堵塞引起冷却截面不均匀引发的振动 随着电流增加振动迅速上升 但当电流增大到一定值后振动反而降低 是由于线圈和线槽不均匀膨胀引发的振动 热原因引起的振动 1 由热原因引起的振动特点 2 由电气原因引起的振动特点 1 振动为倍频振动 且振动幅值随励磁电流的变化明显 则为电磁力引发的振动 可以根据振动振幅随励磁电流 有功负荷增减来确定振动原因 3 振动频率为1X 2X 3X和4X 而且两者间的增减幅度具有很好的线性关系 则为气隙不均引发的振动 静偏心将激发转子和定子2X振动 动偏心将激发转子1X的振动 动偏心或动静复合偏心将激发定子的1X 2X 3X和4X振动 4 转子振动幅度随着有功功率和励磁电流的增减而增减 振动对负荷的变化非常敏感 在额定转速 振动对励磁电流的增减不敏感 则为电磁谐振 2 振动频率为1X 2X和4X振动分量且振幅随励磁电流增减而增减 一旦断开励磁振动立即消失则问匝间短路引发的振动 10 4处理措施 1 转子匝间短路引发的振动 当出现此种类型的振动 在电气上可以采用微分探测线圈法 来辅助判断是否出现匝间短路 并且可以判断出短路所在槽的位置 避免匝间短路引起的振动 首要的是在周期性停运检修工作中 加强对该类缺陷的测试 一旦发现 必须认真彻底消除 在运行中高度重视密封瓦油中进水问题 严格控制机内的氢气湿度水平 防止由于这个原因引起匝间短路 由于消除匝间短路工作量很大 通常现场尽量采用动平衡的方法来减小振动 使之可以坚持运行到下次周期性大修时再作处理 但由于动平衡对此类振动消除效果不好 实在不行 就必须对匝间短路进行彻底的检修 2 冷却不均匀引发的振动 冷却不均的振动值与冷却介质的进口温度有关 冷却介质温度提高 不均匀部分温度上升较小 从而减少了转子不对称温差 使转子的热弯曲程度降低 振动值也相应降低 可以用这个办法缓解振动 等停机检修时疏通冷却回路 消除振动 3 安装错位引发的振动 对于这类振动 要停机检修 对于线圈与线槽的滑动可以去掉滑动层来消除振动 护环和中心环 楔条 垫块的安装要正确 4 气隙不均匀引发的振动在现场发生这种振动主要是由于安装检修过程中 调整机组轴系中心时 对空气间隙没有周全考虑 导致定 转子中心线偏差大 为避免此类振动 在检修安装时要加强对空气间隙的监测 必要时在轴系中心确定后 对定子也进行必要的调整 某些类型的发电机 由于转子轴承直接坐落在定子两侧的端盖上 可以直接调整定子来进行轴系找中 这样可有效地避免由于转子调整量过大引起的定 转子中心偏差 5 电磁谐振引发的振动为消除此类振动 必须首先判断出发生谐波共振的部件 对之在结构上进行改造 改变其结构刚度 从而使其固有振动频率变化避开发电机三次谐波分量 曾有机组因为风冷器处发生谐振 导致振动大 采用多种方法均无法很好地消除振动 后对风冷器进行改型 主要是增加了该部件的刚度 提高了其固有振动频率 同时 对该部件安装部位发电机定子外壳刚度也进行了加强 改造后 谐振现象消除 发电机振动情况明显改善 6 三相负荷不对称引发的振动为避免此类振动 汽轮发电机组要求连续不对称负荷不得超过10 同时 一旦出现不正常的过大两倍基频振动 应及时检查是否由负序电流引起 并尽快消除 7 定子铁心的振动铁心的振动通过铁心与定子外壳之间的弹簧连接传给外壳及与外壳相连的轴承座 如果弹性连接设计恰当 则仅将铁心振动的很小一部分传给外壳 实测结果表明 外壳振动值仅约为铁心振动的1 3 1 5 11 轴承动态标高引起的问题 在