汽輪機(jī)汽流激振原因分析與治理

屈斌，張宇，張利，周連生，甘智勇，王建

（國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

汽輪機(jī)汽流激振原因分析與治理

屈斌，張宇，張利，周連生，甘智勇，王建

（國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

某330MW機(jī)組在調(diào)試階段出現(xiàn)振動(dòng)異?，F(xiàn)象，強(qiáng)制關(guān)閉＃2調(diào)門使振動(dòng)故障得到了抑制，初步推斷為轉(zhuǎn)子失穩(wěn)振動(dòng)。對機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該故障存在半頻突增、發(fā)生于高負(fù)荷階段、可重復(fù)再現(xiàn)等特點(diǎn)，通過分析確定了該機(jī)組是由于噴嘴靜態(tài)蒸汽力沖擊造成的轉(zhuǎn)子失穩(wěn)振動(dòng)。制訂了調(diào)整軸承載荷分配、提高＃1軸承負(fù)載的檢修計(jì)劃，檢修后對機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)故障未再出現(xiàn)。

汽輪機(jī)；汽流激振；高負(fù)荷；載荷分配

1 機(jī)組概況

某電廠機(jī)組為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的330 MW亞臨界、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、雙抽供熱凝汽式汽輪機(jī)，型號為C330／262-16.7／0.3／538／538，發(fā)電機(jī)型號為QFSN-330-2-20B。該機(jī)組整個(gè)軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，彼此之間為剛性連接。每個(gè)轉(zhuǎn)子由2個(gè)軸承支撐，共6個(gè)軸承，其中＃1，＃2軸承為可傾瓦，其余為橢圓瓦。推力軸承位于＃2，＃3軸承之間。

2 故障特征

該機(jī)組在調(diào)試期間就出現(xiàn)振動(dòng)異常的情況，主要體現(xiàn)為高負(fù)荷下（300MW以上）振動(dòng)突然升高，其中＃1～＃3軸承最為突出，將＃2高調(diào)門強(qiáng)制關(guān)閉后振動(dòng)異常得以避免，但這種運(yùn)行方式降低了機(jī)組出力和發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。為弄清振動(dòng)故障的原因并找到治理方案，于第1次大修前對機(jī)組開展振動(dòng)試驗(yàn)。

2.1 順序閥振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)分為2個(gè)階段進(jìn)行，第1階段按照電廠當(dāng)前運(yùn)行閥序（＃3，＃4）→＃1→＃2（其中＃2調(diào)門強(qiáng)制關(guān)死）進(jìn)行升負(fù)荷試驗(yàn)。從200MW開始，以10MW為單位進(jìn)行升負(fù)荷試驗(yàn)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)至少停留10 min觀察振動(dòng)情況，振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可以看出，試驗(yàn)中各軸瓦基頻、通頻幅值均在良好范圍內(nèi)，未出現(xiàn)振動(dòng)異常的現(xiàn)象。

圖1為321MW時(shí)＃1軸承的振動(dòng)頻譜圖，其他各瓦與之相似。該負(fù)荷點(diǎn)下＃2調(diào)門關(guān)閉，＃1，＃3，＃4調(diào)門全開，此時(shí)振動(dòng)以基頻為主，低頻部分振幅幾乎為零。

圖1 順序閥試驗(yàn)＃1軸承振動(dòng)頻譜

表1 順序閥試驗(yàn)各負(fù)荷點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)

2.2 單閥振動(dòng)試驗(yàn)

第2階段試驗(yàn)采用單閥進(jìn)汽方式，解除＃2調(diào)門的強(qiáng)制關(guān)閉，使其參與調(diào)節(jié)。機(jī)組負(fù)荷同樣從200 MW開始上升，以10MW為單位，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)停留10min以上觀察振動(dòng)情況。在負(fù)荷達(dá)到300MW之前，機(jī)組各軸瓦振動(dòng)趨勢穩(wěn)定，幅值與順序閥試驗(yàn)時(shí)基本一致。18：52，負(fù)荷達(dá)到300MW，5min后各瓦振幅突然升高，最高達(dá)到94μm。振幅升高5min后將負(fù)荷降至280MW，振幅也隨之回落到之前的水平。19：26，再次將負(fù)荷升至300MW后振幅又重新升高，與前一次基本一致。此次300MW負(fù)荷持續(xù)約30min，在此過程中各軸瓦振幅一直保持在較高水平且呈波動(dòng)趨勢，波動(dòng)幅度在10μm左右。19：54，再次將負(fù)荷降至280MW，振幅又回落至正常水平。21：32，繼續(xù)升負(fù)荷，升至300MW時(shí)振幅再次增大，繼續(xù)升負(fù)荷振動(dòng)加劇。21：50，負(fù)荷升至320MW，振幅達(dá)到最高水平，波動(dòng)幅度仍然為10μm左右，繼續(xù)升負(fù)荷，各瓦振動(dòng)水平維持不變。22：30，試驗(yàn)結(jié)束。各負(fù)荷點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2，振動(dòng)趨勢如圖2所示。

圖2 單閥試驗(yàn)下1Y軸振趨勢

從圖2可清晰地看到：每次負(fù)荷升高后，通頻振幅會突升并波動(dòng)，而基頻振幅則基本保持不變。＃2，＃3軸瓦振動(dòng)趨勢與之相似。

圖3為320MW時(shí)＃1軸振頻譜圖。其中通頻為75μm，基頻為24μm，半頻為48μm，其他各瓦也呈現(xiàn)出較大的半頻值。

3 故障原因分析及治理

總結(jié)該機(jī)組振動(dòng)故障具有以下特征。

（1）振幅增大為半頻分量突升所致。

圖3 單閥試驗(yàn)320MW時(shí)＃1軸振頻譜

（2）振動(dòng)異常發(fā)生于高負(fù)荷下。

（3）振動(dòng)故障具有很強(qiáng)的重復(fù)性。圖4為單閥試驗(yàn)過程中1Y軸振的瀑布圖，從中可以直觀地看出：基頻、2倍頻及3倍頻振幅一直十分穩(wěn)定，沒有較大的變化；半頻分量在19：00前后，19：26—19：54，21：32—21：50這3個(gè)階段高負(fù)荷工況下重復(fù)出現(xiàn)又分別在低負(fù)荷下消失，充分展現(xiàn)了上面總結(jié)的3個(gè)特征。

（4）振動(dòng)增大與＃2閥門是否開啟密切相關(guān)。由2個(gè)階段的振動(dòng)試驗(yàn)可見，機(jī)組振動(dòng)升高只在單閥控制下負(fù)荷達(dá)到300MW以上時(shí)才出現(xiàn)，而＃2閥門強(qiáng)制關(guān)閉時(shí)即使負(fù)荷達(dá)到320MW以上，振動(dòng)也沒有出現(xiàn)變化。

（5）振動(dòng)異常以＃1，＃2，＃3軸承最為嚴(yán)重，但＃4，＃5軸承也有一定的波及。

表2 單閥試驗(yàn)各負(fù)荷點(diǎn)下振動(dòng)數(shù)據(jù)

綜合以上特征來看，該機(jī)組振動(dòng)故障與汽流激振十分吻合。汽流激振是蒸汽激振力在汽輪機(jī)高（中）壓轉(zhuǎn)子上誘發(fā)產(chǎn)生的一種自激振動(dòng)現(xiàn)象。該振動(dòng)故障與負(fù)荷的關(guān)系十分密切，多發(fā)生于大型機(jī)組的高負(fù)荷工況下，而且往往存在一個(gè)振動(dòng)突發(fā)的負(fù)荷門檻值。負(fù)荷在該門檻值以下時(shí)振動(dòng)正常，負(fù)荷一旦高于該門檻值，機(jī)組振動(dòng)則會隨即增大，而當(dāng)負(fù)荷下降至該值以下時(shí)振動(dòng)又能恢復(fù)，且具有很好的重復(fù)性，該機(jī)組在300MW負(fù)荷上下重復(fù)出現(xiàn)振動(dòng)異常并消失與該特征十分吻合。蒸汽激振引起的振動(dòng)有時(shí)與調(diào)節(jié)汽門的開啟順序和開度也有密切的關(guān)系，機(jī)組閥門某一特定的閥位或開度有可能會加劇振動(dòng)，該機(jī)組開啟＃2調(diào)門后高負(fù)荷下振動(dòng)升高符合此特征。汽流激振的另一顯著特征就是多以半頻為故障振動(dòng)分量。汽流激振的原理是轉(zhuǎn)子由于汽流力的作用在汽缸內(nèi)不斷被“拋起”和“落下”，進(jìn)而形成失穩(wěn)振動(dòng)，而轉(zhuǎn)子的通頻振動(dòng)就成了原始不平衡振動(dòng)（基頻值）與失穩(wěn)振動(dòng)的疊加。圖5是該機(jī)組振動(dòng)異常前、后的時(shí)域波形-軸心軌跡對比圖：圖5a未發(fā)生失穩(wěn)振動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的時(shí)域波形呈現(xiàn)整齊的20ms周期變化，軸心軌跡重合度也較高；圖5b中由于轉(zhuǎn)子嚴(yán)重失穩(wěn)，轉(zhuǎn)子的原始振動(dòng)疊加成了一個(gè)近似以40ms為周期的振動(dòng)，因此體現(xiàn)出半頻分量增大的特點(diǎn)。綜合以上分析可以斷定，該機(jī)組振動(dòng)故障為汽流激振。

圖4 單閥試驗(yàn)過程中1Y軸振瀑布圖

圖5 汽流激振前、后時(shí)域-軸心軌跡

雖然確定了機(jī)組的故障類型，但若要制訂出切實(shí)有效的治理方案還需要進(jìn)一步分析該汽流激振力的來源也就是其具體作用機(jī)理。就目前的研究成果來看，汽流激振力的來源主要有3個(gè)方面。

（1）葉頂間隙激振力。由于轉(zhuǎn)子處于偏心位置，葉頂圓周間隙不均勻，導(dǎo)致圓周各處蒸汽泄漏量不同，葉輪圓周各處的切向力不同，綜合效果是產(chǎn)生一個(gè)作用于葉輪中心的橫向合力，該合力即為葉頂間隙激振力。

（2）密封流體力。轉(zhuǎn)子在汽缸內(nèi)的振動(dòng)使其產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏心，導(dǎo)致軸封和隔板汽封腔室中蒸汽壓力分布不均勻，其結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)垂直于轉(zhuǎn)子偏移方向的合力F，驅(qū)使轉(zhuǎn)子失去穩(wěn)定，發(fā)生自激振動(dòng)。該合力與蒸汽彈性和阻尼有關(guān)

式中：Fx為水平方向合力；Fy為垂直方向合力；k為彈性系數(shù)；c為阻尼系數(shù)。

（3）作用在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)蒸汽力。該力即為噴嘴主蒸汽對轉(zhuǎn)子的沖擊力，由于機(jī)組的調(diào)門噴嘴數(shù)量、閥序、開度等因素，在某個(gè)負(fù)荷工況下特定的閥位就可能產(chǎn)生一個(gè)對轉(zhuǎn)子起到抬升作用的合力，這個(gè)力將降低軸承的載荷和穩(wěn)定性，促使轉(zhuǎn)子發(fā)生失穩(wěn)振動(dòng)。

該機(jī)組的高壓閥門配汽圖如圖6所示，其中每個(gè)閥門噴嘴組對轉(zhuǎn)子的作用力可以等效為一個(gè)合力Fn（n＝1，2，3，4）。由于每個(gè)調(diào)門的噴嘴數(shù)量、規(guī)格尺寸相同且呈圓周對稱分布，所以F1＝F2＝F3＝F4。從轉(zhuǎn)子靜力分析上來看，方向相反的力能夠相互抵消，因此在順序閥試驗(yàn)中只關(guān)閉＃2調(diào)門，＃3，＃4調(diào)門的力會相互抵消，＃1調(diào)門則對轉(zhuǎn)子有一個(gè)向左下方的力，這與轉(zhuǎn)子正常工作時(shí)在軸承內(nèi)所處的位置相吻合，增強(qiáng)了軸承的載荷，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，因此即使負(fù)荷升至320MW以上也未出現(xiàn)失穩(wěn)振動(dòng)。而單閥試驗(yàn)中開啟了＃2調(diào)門，相比順序閥對轉(zhuǎn)子增加了一個(gè)向右上方的力，這個(gè)力將會使轉(zhuǎn)子向著軸承圓心靠近，這種情況將會產(chǎn)生2個(gè)后果：一是降低了軸承載荷，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性降低；另一個(gè)是增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子與汽缸的同軸度，使汽封、軸封的圓周間隙趨于平均。這樣來看，該機(jī)組的激振力來源不會是前文提到的由于同軸度不佳而產(chǎn)生的葉頂間隙激振力和密封流體力，只能是第3種，即噴嘴蒸汽的靜態(tài)沖擊力。

按照以上分析，單閥下4個(gè)調(diào)門的合力應(yīng)該相互抵消，不會引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，這說明軸承本身存在載荷偏低的情況，導(dǎo)致軸承穩(wěn)定性不好，當(dāng)開啟＃1，＃3，＃4調(diào)門時(shí)剛好將轉(zhuǎn)子“壓”在軸承底部達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，一旦開啟＃2調(diào)門則穩(wěn)定狀態(tài)被打破，引起轉(zhuǎn)子的自激振動(dòng)。一般來說，引起高中壓轉(zhuǎn)子汽流激振的原因應(yīng)該出現(xiàn)在＃1，＃2軸承，從單閥試驗(yàn)中的油溫記錄來看，＃2瓦溫達(dá)到94～96℃，遠(yuǎn)高于＃1瓦的77～81℃，＃1瓦振幅也比＃2瓦略高，因此推測載荷偏低的是＃1軸承。針對這一情況，在檢修中提高＃1瓦軸承載荷，加強(qiáng)軸承穩(wěn)定性，適當(dāng)減?。?軸承載荷，同時(shí)還要注意保持良好的動(dòng)、靜間隙，避免因間隙不均造成汽流激振。制訂檢修方案如下。

圖6 高壓閥門配汽圖

（1）調(diào)整軸系中心。中低對輪中心調(diào)整目標(biāo)值：低壓對輪高為0.45mm。低發(fā)對輪中心調(diào)整目標(biāo)值：低壓對輪高為0.20mm。

（2）調(diào)整高中壓通流部分動(dòng)靜間隙，使其在冷熱態(tài)下保持均勻。

（3）盡量減?。?，＃2瓦頂部間隙。

4 治理效果

檢修后對機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)以檢驗(yàn)治理效果，試驗(yàn)方法與修前完全相同。順序閥試驗(yàn)中各軸承振動(dòng)仍然以1倍頻為主且始終處于良好范圍內(nèi)，未出現(xiàn)振動(dòng)故障。

單閥試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)見表3，單閥下330MW時(shí)＃1軸振瀑布圖如圖7所示。

檢修后振動(dòng)試驗(yàn)表明：治理后的機(jī)組在全負(fù)荷工況下無論是順序閥控制還是單閥控制均未再出現(xiàn)半頻突升的情況，不同負(fù)荷工況下振動(dòng)波形也趨于一致。在隨后一年多的運(yùn)行中，該機(jī)組各軸振幅值一直保持在良好水平，此次汽流激振故障的治理工作取得了成功。

表3 單閥驗(yàn)證試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖7 單閥下330MW時(shí)＃1軸振瀑布圖

5 結(jié)束語

該機(jī)組是一臺十分典型的汽流激振故障機(jī)組，

通過測試試驗(yàn)和分析診斷可以看出，該類故障的特征十分明顯，比較容易判斷。該類故障的治理方法原則上應(yīng)從加大轉(zhuǎn)子剛度、增大系統(tǒng)阻尼和減小汽流激振力3方面著手。加大轉(zhuǎn)子剛度通常只能減小軸承間距，一般不常使用；增大系統(tǒng)阻尼包括更換穩(wěn)定性較好的軸承、提高軸承預(yù)載荷、減小軸承頂隙等；減小汽流激振力可以增大葉頂間隙并使其盡量均勻，或改變調(diào)節(jié)汽門的開啟順序和重疊度。此次治理采取的是第2種方法，即提高軸承載荷減小軸承頂隙，這是最常用也是最簡便的方法，取得了良好的效果，可為今后其他機(jī)組同類型故障的治理提供參考。

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（本文責(zé)編：劉芳）

TK 263.6

B

1674-1951（2015）07-0045-05

屈斌（1987—），男，天津人，助理工程師，從事汽輪機(jī)振動(dòng)方面的研究（E-mail：dajiangjun188＠126.com）。

2014-12-23；

2015-06-03