汽轮机动静碰磨现象及诊断

汽轮发电机组动静碰摩 博士高级工程师 汽轮发电机组转动部件与静止部件的碰摩是运行中常见故障 随着现代机组动静间隙变小 碰摩的可能性随之增加 碰摩使转子产生非常复杂的振动 是转子系统发生失稳的一个重要原因 轻者使得机组出现强烈振动 严重的可以造成转轴永久性弯曲 甚至整个轴系毁坏 对碰摩的故障特征 进行了许多研究 但是 这些研究结果和实际情况还有距离 因为相同的特征对应着许多其它的故障 碰摩的诊断是目前具有一定难度的主要振动故障 每年全国都会有几台大机组发生动静碰摩而出现大振动 但在处理过程中却往往要走弯路 需要进行多次开机 平衡加重或支撑加固 为此延误数周已是常事 最终开缸检查 方发现汽封或通流部分已严重摩擦 一 机组碰摩原因 机组动静碰摩通常有下列起因 结构原因低压缸刚度底 充水 抽真空和受热后变形超标 汽封段较长或汽封接近跨中转子跨中挠度比较大的部位 钢汽封或弹簧汽封 这种结构一旦发生碰磨 较难脱离接触 隔板刚度不足 发生变形 机组灵敏度高 轻微动静接触就有反应 检修原因动静间隙调整不当 对中不良 滑销系统的卡涩引起气缸变形 跑偏 运行原因气缸跑偏或基础不均匀沉降 蒸汽温度变化过于剧烈 汽缸进水或保温不良 排汽缸的快速加热和冷却 低负荷 小流量 排汽缸被快速加热 喷水装置没有及时投入 汽封损坏 暖机不充分 振动剧烈 二 碰摩的后果 轻的 汽封磨损 汽封漏汽量增大 降低汽轮机效率重的 叶片断裂 主轴弯曲 甚至汽轮机完全损坏 三 碰摩通常发生的部位 隔板汽封叶片围带汽封轴端汽封各轴承的油挡部位发电机的径向碰摩通常发生在密封瓦处 主要碰摩点在哪些位置 碰摩点 碰摩点 围带碰摩 轴封碰摩 发电机双流油密封结构示意图1 发电机轴瓦 2 发电机密封瓦 3 密封瓦推力油 4 密封瓦空侧进油 5 密封瓦氢侧进油 6 密封座 7 空侧及轴承回油 8 密封瓦空侧油腔 9 密封瓦氢侧油腔 10 氢侧密封油回油 碰摩点 四 碰摩发生的机理 五 碰摩的种类 全周碰摩转子在它转动的一周中始终与静子保持接触 发生全周碰摩的静子在360 周向都要接触 转子可以是只有部分弧段接触 也可以是全局接触 部分碰摩转子在它转动的一周中只有部分弧段接触 部分碰摩在静子上只有部分弧段接触 按转子在旋转一周内与静止部件的接触情况分 按摩擦的部位可分为径向碰摩 轴向碰摩和组合碰摩 按照摩擦的程度分为早期 中期和晚期碰摩 六 碰摩的三种物理现象 碰撞由于碰撞 使转子在不平衡引起的强迫同步响应的基础上叠加一个自由振动响应 这个自由振动的频率是转子的固有频率 是整个振动响应的主要成分 摩擦转子刚度的改变碰摩的响应碰摩转子的响应中应该含有次同步 同步和超同步等谐波成分 实际碰摩的响应受到碰摩发生的轴向位置 冲击的锐度 结构对不同频率振动的传递特性等因素的影响 使得各频谱成分在实际信号中复杂化 不同的情况次同步和超同步会呈现不同的量值 七 碰摩转子的动力特性 碰摩发生时作用在转轴上有两种力 冲击力 即碰撞力 该力引起碰摩点局部压缩变形 并引起转轴的反弹运动 碰摩时的冲击效应有下列特点 由于冲击作用时间很短 相当于一个脉冲函数 因此 产生宽频带响应由于转轴的旋转 碰摩是重复过程 因而产生的是周期性的振动 撞击时具有高的法向力和切向力 接触材料之间存在着能量的吸收和转移 接触表面的力 转子的反弹运动以及材料的局部变形都有高度的非线性特性 摩擦力 摩擦力是作用在接触点的切向力 转轴上的摩擦力与旋转方向相反 摩擦力的大小取决于接触点的法向力及摩擦表面的性质 碰摩过程中的摩擦和碰撞一样 同样具有非线性特性 因此 这个过程的振动信号含有丰富的谐波分量 碰摩的高度非线性使其经常带有混沌特性 严重的碰摩可以使材料磨损后变为轻度碰摩 甚至能完全脱离碰摩状态 摩擦的另一个重要效应是对转子的局部加热 局部加热的后果是转子弯曲 工频振动增大 从大量的实际碰磨机组表现看 大部分碰磨都没有发展到后期 振动上均已基频的变化为主 其他频谱分量的变化很小 碰摩产生的冲击碰摩产生的摩擦力 转子 八 碰摩的信号特征 碰摩具有多种征兆 易变的信号特征与外界条件有密切的关系 在某一时刻出现的征兆 在其它时刻可能不再复现 这使得碰摩故障的表现带有一些不确定性 九 碰摩的振动诊断 碰摩的现场诊断是一项难度比较大的技术 如果认定了碰摩 常需要开缸处理 工作量较大 这就要求诊断的高准确性 现有的诊断方法主要还是根据振幅 频谱和轴心轨迹进行判断 另外还可以观察轴颈静态位置 碰撞点力的作用可使轴颈中心发生较大的变化 单纯用瓦振信号进行判断 只能看到频谱 转轴信号可以提供丰富的碰摩信息 机组升降速的波特图 极坐标图和级联图 全频谱级联图 现场运行人员在启机过程常采取 听诊 的方法 对碰摩的确定有时也是有用的 但要注意 由于高中压缸都是双层缸 有的机组低压缸也是双层缸 通流部分的碰摩声很难传出来 只有轴端汽封的碰摩声比较容易听到 因而 不能片面地将某一种方法的结论作为是否发生碰摩的决定性判据 1 振动信号的时域波形特征当发生碰摩故障时 由于在碰摩处限制了转子的位移 因此振动波形的 顶峰 消失 变得更 平坦 但是 在实际机组的早期碰摩阶段 这种削波现象并不是很明显 往往要在进入中期摩擦阶段才出现明显的削波现象 摩擦故障越严重 削波越明现 有时甚至出现 波峰 与 波谷 同时被削去的现象 这时 摩擦已经比较严重了 a 正常振动的时域波形 b 碰摩振动的时域波形碰摩振动与正常振动的信号时域波形 某300MW汽轮发电机密封环碰摩振动信号时域波形 2 振动信号的频谱特征 频率连续分布 成分丰富 在突出的频率成分中 有工频 1X 2X 3X 4X成分 也有 5X的高频成分 这里X表示旋转频率 还有 0 0 39 fr 0 4 0 49 fr 0 5fr和 0 51 0 99 fr的低频成分 旋转机械碰摩振动具有丰富的频谱特征 其中 振动信号中出现亚谐波和高次谐波 是转子发生碰摩的重要特征信号之一 3 轴心运动轨迹特征 从理论上讲 当发生动静碰摩故障时 根据碰摩情况的不同 轴心运动轨迹有如下特征 1 若发生的是整周碰摩故障 则轴心运动轨迹为圆形或椭圆形 且轴心轨迹比较紊乱 2 若发生的是单点局部碰摩故障 则轴心运动轨迹呈内 8 字形 3 若发生的是多点局部碰摩故障 则轴心运动轨迹呈花瓣形 a 单点局部碰摩时的轴心运动轨迹 b 多点局部碰摩时的轴心运动轨迹发生碰摩故障时的轴心运动轨迹 某300MW汽轮发电机密封环碰摩振动时的轴心运动轨迹 a 低压转子前轴承处轴心轨迹 b 低压转子后轴承处轴心轨迹某300MW汽轮机低压转子碰摩时的轴心运动轨迹 4 振动信号的时变特征 所谓转子振动信号的时变特征 就是指振幅及相位与时间的关系 1 振动跳动特征所谓振动的跳动特征 是指振动的幅值 包括通频幅值和频率成分的幅值 和相位发生快速变化 这种变化从表面上看似乎没有什么规律 碰摩振动的跳动主要是碰摩运动的非线性动力学行为引起的 2 振动爬升或下降特征所谓振动的爬升或下降特征 是指振动的幅值 包括通频幅值和振幅有效值 随时间以较慢的速度爬升或下降 这种变化从表面上具有明显的宏观趋势 3 振动的旋转特征所谓振动旋转特征 是指振动的幅值 主要是指工频成分的振幅 和相位 主要是指工频成分的相位 随时间以较慢的速度往复变化 这种变化从表面上具有明显的周期性的特征 只是这种变化周期不固定 振动的这种旋转特征 在工程中又称为工频旋转振动 某25MW汽轮机组碰摩故障振动信号时变规律 如果是振动趋势是波浪型或间断型 可以监视振动 磨合即可 启动过程的碰磨 机组停机下来暖机 连续盘车后再升速 或者将机组转速降到不发生碰磨的转速暖机 工作转速发生碰磨 应密切监视振动水平 明确一个停机值 应适当严格 应为停机过程碰磨还会发展 特别是在临界转速附近 摩擦加剧 振动可能发展到很高的水平 对采用落地轴承的转子 轴承座刚度大 灵敏度低 这类机组 硬密切监视转子的轴振变化 转子做动平衡 十 碰磨的处理 十一 一台机组碰摩实例 某200MW机组正常运行小修后第一次启动就发生了碰摩 碰摩情况 启动按常规进行到3000rpm定速 保持2小时准备做超速试验 这时运行人员先试验同步器 将转速降到2350rpm又很快回升到3000rpm 这时3号轴承振动从20 m开始急剧增大 主要是工频成分 2 4号轴承振动也同时上升 并发现3号轴承处涌出大量烟雾 大约经过7min 3号轴承振幅已上升到75 m 随后紧急打闸停机 揭开3号轴承盖 发现大轴与3号轴承挡油环发生了碰摩 摩出的凹槽深3 4mm 宽5 6mm 张角60