汽輪機動靜碰摩的特征及診斷要點

黃永亮，張曉旭

(1.哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱150001)

汽輪機動靜碰摩的特征及診斷要點

黃永亮1，張曉旭2

(1.哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱150001)

汽輪機組動靜碰摩是由于在機組運轉過程中其運動中的部件與靜止部件之間的摩擦碰撞產(chǎn)生的，在大型汽輪機的運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)因碰摩而產(chǎn)生的故障。隨著我國大型汽輪機組工作效率的不斷提高，汽輪機的動靜碰摩情況增加，主要是由于動靜間隙變小所導致。從汽輪機動靜碰摩的起因和特征出發(fā)，重點介紹其解決要點。

汽輪機組；動靜碰摩；診斷要點；故障特征

從汽輪機的碰撞原因分析，汽輪機組之間有時是因為設計不合理、系統(tǒng)膨脹不暢導致的，還有一些原因是由于制造公差、汽缸和隔板套之間的關鍵材料在熱處理時處理不當而產(chǎn)生的。在現(xiàn)場安裝時，應嚴格按照圖紙的技術要求和技術規(guī)范來精細安裝，在啟動和運行過程中，其參數(shù)控制不嚴謹也會產(chǎn)生碰撞，導致系統(tǒng)的檢修。動靜碰摩通常會導致轉子發(fā)生比較大的振動，在轉子和軸瓦接觸時會產(chǎn)生較多的熱量，使轉子因受熱而發(fā)生彎曲。在進一步分析軸瓦和轉子的轉動情況后，會發(fā)現(xiàn)碰摩情況發(fā)生更加頻繁，易導致振動和碰摩的惡性循環(huán)。當碰摩情況發(fā)生嚴重時，會導致汽輪機的葉片發(fā)生斷裂及軸的塑性變形，甚至整個軸系都會遭到破壞。除了造成一定的經(jīng)濟損失外，還可能在類似故障發(fā)生后帶來電網(wǎng)運行不穩(wěn)定，甚至其他惡性事故。因此，增加對汽輪機組動靜碰摩的原因分析非常必要。

1 汽輪機組運行過程中的動靜碰摩原因

轉子在實際轉動中，轉子中心偏離靜止的幾何中心，偏心量以及振幅矢量都會達到間隙碰撞的數(shù)值，在出現(xiàn)動靜碰撞時，靜止的部件和轉動的部件之間會發(fā)生相互碰撞產(chǎn)生摩擦，在摩擦的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，持續(xù)碰撞摩擦后，碰摩點會有一個較大的局部溫度上升空間，其溫度高達上千度，相互接觸碰摩的位置也有上百度的溫度。由于局部的高溫不均衡，轉子會由于過熱而發(fā)生變形，導致新的質(zhì)量不平衡。當汽輪機組的轉速達到3 000 r/s的恒速時，碰摩的情況沒有出現(xiàn)，不平衡質(zhì)量和機組的轉速就會形成一個固定的角度，在碰撞過程中，轉子和靜止的部件相互接觸會重新達到一個新高點，在對新高點進行局部加熱時，轉子會向高點進行彎曲偏移，并在翻轉位置上重新附加一個不平衡質(zhì)量，此時，要逆轉角度，如從高點滯后的不平衡質(zhì)量點看，不僅角度是固定的，不平衡質(zhì)量以及高點也會發(fā)生逆轉，在不斷的碰撞摩擦過程中造成機組振動位置發(fā)生變化，且轉子轉動為靜止接觸的全過程摩擦，通過一周接觸的部分碰撞摩擦之后，另一部分的碰撞摩擦也會集中出現(xiàn)各種物理現(xiàn)象與剛度變化。當轉子的碰撞呈現(xiàn)周期性發(fā)展時，在不平衡質(zhì)量上轉軸振動會引起同步，同時，在相應基礎的前提下由同一個碰撞力所產(chǎn)生的周期振動也會出現(xiàn)相同頻率，固有頻率與自由振動頻率相同，碰撞摩擦會產(chǎn)生剛度變化。因此，在碰摩轉子的響應部分，也有同步、次同步、超同步的區(qū)別。在實際碰摩過程中，碰摩的發(fā)生軸位置會影響相互碰撞，對銳度和結構造成沖擊，使信號成分變得更加復雜，在不同情況下，使其發(fā)生不同的同步分量與超同步分量。

汽輪機組動靜碰摩的原因。第一，汽輪機轉子振動效果不好，使轉子質(zhì)量不平衡，出現(xiàn)轉子彎曲、失穩(wěn)的現(xiàn)象，無論從哪種情況帶來的振幅增大，都會使轉子存在于靜止部分的碰摩，碰摩時機組故障的中間過程，不是振動直接引起的。第二，轉子的質(zhì)量不平衡。由于轉子制造偏差、磨損、腐蝕等因素造成轉子的中心與幾何旋轉中心不一致，運行時產(chǎn)生不平衡的離心力也是造成碰摩的原因之一。第三，動靜間隙不足。圖紙的技術要求中間隙定得過小，要求安裝間隙的公差值不當；也可能是由于安裝、檢修檢測過程中，測量數(shù)據(jù)不準確導致超差。而實際汽輪機通流間隙是水質(zhì)、真空度、上下缸體溫差等因素影響，開缸與全實缸狀態(tài)下的間隙也有變化。第四，缸體調(diào)整不合格或缸體變形。大容量汽輪機高壓部分的前汽封長，冷態(tài)啟動時，啟機速度及暖機時間未按規(guī)程執(zhí)行，導致上下缸的溫差參數(shù)超出了合理的范圍區(qū)間，出現(xiàn)碰撞摩擦問題，甚至造成轉子塑性彎曲。

2 汽輪機動靜碰摩時的故障振動特征

2.1 碰摩故障的頻譜特征

發(fā)生動靜碰摩時會產(chǎn)生相應的脈沖碰撞激振力，整個動靜系統(tǒng)出現(xiàn)固有的頻率，一旦產(chǎn)生碰撞故障，振動頻譜就會產(chǎn)生相對豐富的特征。可將故障信號分為1X、2X、3X、4X，有時也可能出現(xiàn)5X的高頻分量。振動會隨時間發(fā)生變化，且快慢不定。嚴重碰摩產(chǎn)生明顯的高次諧波分量。

2.2 碰摩故障波形特征

汽輪機組在正常工作時發(fā)出的波形圖是正弦波，經(jīng)過動靜碰撞摩擦之后，其波形會發(fā)生一定的變化，尤其是當碰撞摩擦的情況較為嚴重時，波形上也會出現(xiàn)較為明顯的削波現(xiàn)象。

2.3 碰摩故障軸心曲線特征

當靜止部分與轉動部分二者之間出現(xiàn)單點局部碰摩時，若只有一個點，此時的軸心將呈現(xiàn)出8字形；如在動靜部分上發(fā)生了多點碰摩問題，此時的軸心軌跡就會出現(xiàn)相互作用，將呈現(xiàn)出花瓣形狀。從動靜部分的實際發(fā)生規(guī)律來看，當發(fā)生周期性碰摩時，每個點都會發(fā)生碰摩，轉子的軸心軌跡將呈圓形或橢圓形，但軌跡都很紊亂。

2.4 碰摩故障隨時間變化的特征

當汽輪機組正常運轉過程中，轉子和軸瓦在振動時的相位變化是非常穩(wěn)定的。如果出現(xiàn)了故障問題，在碰撞摩擦上就會出現(xiàn)額外的附加矢量力，使振動振幅、相位大小極不穩(wěn)定。在碰撞故障發(fā)生后，特征與敏感參數(shù)如下所示：主要的頻率分為高倍頻率、低倍頻率、高低組合頻率；伴倍頻率主要是一倍頻；不僅不穩(wěn)定且隨機性較大；相位存在著反相變化與突然變化；軸心軌跡呈現(xiàn)出擴散狀、紊亂狀；進動方向呈現(xiàn)出正進動與反進動兩種；波形會出現(xiàn)削波現(xiàn)象；和轉速、壓力、負荷、油溫、流量等均無明顯的對應關系。

3 判斷汽輪機動靜碰摩故障的要點

碰摩故障的典型特征：第一，振幅變大，在發(fā)生碰摩時，振幅呈緩慢，甚至中速增加；第二，相位變大，在恒定的轉速時，轉子碰摩發(fā)生的熱彎曲會使不平衡質(zhì)量點轉動，使相位發(fā)生連續(xù)增大；第三，振幅、相位出現(xiàn)變化時應該滯后于運行工況的變化。第四，一倍頻為主，振幅相位的變化均以一倍頻為主，當碰摩情況發(fā)生嚴重時，會出現(xiàn)二到三倍頻振幅的變化；第五，碰摩的認定應該在排除了轉子材料熱處理工藝不合理、頂軸油供油不足、負荷變化率過快等故障之后。

4 結語

隨著我國汽輪機組發(fā)展技術的日益提高，汽輪機組轉子彎曲事故也日益增多，根本原因是因為動靜碰摩造成的，甚至還會造成整個軸系的破壞。在進行機組振動故障排查過程中，要嚴格防止轉子彎曲和軸系系統(tǒng)事故的發(fā)生。本文介紹了汽輪機組動靜碰摩故障的原理、緣由、特征及診斷動靜碰摩故障的要點，可以在動靜碰摩的故障診斷和狀態(tài)中進行綜合考慮并加以應用，以便為今后更好的處理汽輪機組動靜碰摩積累豐富的經(jīng)驗。

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Characteristicsanddiagnosingessentialsofturbinemotionandrubbing

HUANG Yong-liang1, ZHANG Xiao-xu2

(1. Harbin Electric Power Co., Ltd., Harbin 150001, China; 2. Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150001, China)

The dynamic and static rubbing of the steam turbine is caused by the friction between the moving parts and the stationary parts during the operation of the unit. During the operation of the large steam turbine, there is often a fault caused by rubbing. With the continuous improvement of the efficiency of large-scale steam turbine units in China, the increase of static and dynamic friction of the steam turbine is mainly due to the smaller static and dynamic gap. Starting from the causes and characteristics of steam turbine vibration and rubbing, the main points of the solution are introduced.

Steam turbine; Dynamic rubbing; Diagnostic point; Fault characteristics

TK26

B

1674-8646(2017)19-0040-02

2017-08-15