汽輪發(fā)電機(jī)組汽流激振故障的分析及處理

王銳 王金燦 趙居信

摘? 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高參數(shù)、大容量機(jī)組相繼投產(chǎn)，為了提高機(jī)組的效率和性能，通常采用提高蒸汽參數(shù)的方法，新蒸汽的壓力、溫度提高，新蒸汽的密度隨之提高。文章對汽流激振產(chǎn)生的機(jī)理、特征、處理方法等進(jìn)行了分析和探討，以便為汽流激振的故障診斷和處理積累理論經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：汽流激振;機(jī)理;低頻振動

中圖分類號：TM311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）17-0099-02

Abstract： With the development of economy in China， high parameters and large capacity units have been put into operation one after another. In order to improve the efficiency and performance of units， the method of increasing steam parameters is usually adopted， the pressure and temperature of new steam are increased， and the density of new steam is increased accordingly. In this paper， the mechanism， characteristics and treatment methods of steam flow excitation are analyzed and discussed in order to accumulate theoretical experience for fault diagnosis and treatment of steam flow excitation.

Keywords： steam flow excitation; mechanism; low frequency vibration

1 汽流激振的產(chǎn)生機(jī)理

1.1 葉片頂隙激振力

由于安裝、檢修和轉(zhuǎn)子彎曲等原因引起的通流部分徑向間隙變化，動葉葉頂間隙大小沿圓周方向不同，間隙小一側(cè)產(chǎn)生的圓周切向力大，間隙大側(cè)產(chǎn)生的圓周切向力小。這樣導(dǎo)致了一個切向力（也稱頂隙激振力）作用在軸頸中心上，使之沿轉(zhuǎn)動方向做正向渦動，當(dāng)頂隙激振力大于系統(tǒng)阻尼時，轉(zhuǎn)子發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生汽流激振[1]。

1.2 動態(tài)激振力

汽輪機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，在運(yùn)行過程中，為避免動靜之間發(fā)生摩擦和碰撞，必須在動靜之間留有一定的間隙。為減少和防止汽輪機(jī)動靜部分間隙處的蒸汽泄漏，汽輪機(jī)設(shè)備均設(shè)置汽封裝置，在蒸汽通過汽封時，每通過一個汽封齒就產(chǎn)生一次節(jié)流作用，蒸汽的壓力隨之降低。汽封是密封蒸汽的一種裝置，按裝配位置的不同可分為軸端汽封（軸封）、隔板汽封和葉頂汽封三大類。運(yùn)行中，由于轉(zhuǎn)子存在偏心，汽封間隙大小將會發(fā)生周期性的變化，汽封中的蒸汽壓力沿周向分布不是均勻的，在某些情況下壓力大小將呈現(xiàn)周期性變化[2]。

1.3 靜態(tài)激振力

采用噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)運(yùn)行時，由于調(diào)節(jié)汽門開啟順序不同。使高壓轉(zhuǎn)子受到的蒸汽力方向不同，在某一工況下作用于轉(zhuǎn)子中心的蒸汽力可能是一個向上抬起轉(zhuǎn)子的力，使軸承比壓降低，導(dǎo)致軸承穩(wěn)定性降低，當(dāng)降低到一定程度后，發(fā)生轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。

2 汽流激振的振動特征及診斷依據(jù)

（1）汽流激振多發(fā)生在高參數(shù)機(jī)組的高壓轉(zhuǎn)子上。國外報道的實例多是超臨界機(jī)組，但國內(nèi)低參數(shù)機(jī)組同樣有多起案例發(fā)生。

（2）從汽流激振出現(xiàn)的過程看，一個十分重要的特征是振動和機(jī)組負(fù)荷密切相關(guān)。往往低負(fù)荷時不出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在滿負(fù)荷，或者在接近滿負(fù)荷的某一高負(fù)荷段，升到滿負(fù)荷時失穩(wěn)反而消失，也就是說汽流激振對負(fù)荷有一個門檻值。

（3）汽流激振的振動信號有如下特征：

a.自激振動的渦動頻率為接近轉(zhuǎn)子橫向振動固有頻率的低頻。

b.有時候，渦動頻率也會呈現(xiàn)為略小于轉(zhuǎn)速的1/2，最新現(xiàn)場消振經(jīng)驗表明，汽流激振振動頻率與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率接近[2]。

c.對于一個以流體作為工質(zhì)的轉(zhuǎn)子-密封系統(tǒng)，其渦動頻率可能低至0.1X，也可能高達(dá)接近1X。

d.渦動-振蕩自激振動的進(jìn)動方向通常是向前的，軌跡是圓或近似圓形。

（4）汽流激振造成的大振動可以是突發(fā)性的，也可以是漸增的，或長時間維持在一個中等、超限的振幅水平上。

（5）汽流激振屬于自激振動，而自激振動屬于周期振動，周期振動一定是離散譜，所以汽流激振的頻譜一定是離散譜，且形成渦動力的位置大部分位于高壓前2-3級葉片頂部和高壓軸封處。

3 汽流激振的處理方法

汽流激振發(fā)生的根本原因是汽流力的作用，汽封、頂隙、葉輪-擴(kuò)壓器間隙產(chǎn)生的汽流激振力作用在轉(zhuǎn)子上導(dǎo)致低頻渦動。實際中還有另一種情況，進(jìn)汽口汽流力作用使轉(zhuǎn)子軸頸相對軸承產(chǎn)生偏移發(fā)生油膜失穩(wěn)，同樣表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子做以臨界轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)的低頻渦動，但嚴(yán)格地講，將這類失穩(wěn)歸屬于汽流激振是不正確的，因為真正激起轉(zhuǎn)子低頻渦動的是油膜力，它應(yīng)該屬于油膜失穩(wěn)。

這兩類失穩(wěn)同與汽流有關(guān)，處理方法有同有別。相同之處是軸承都是要重點考慮的對象，雖然間隙汽流激振和軸承沒有直接關(guān)系，但對轉(zhuǎn)子-軸承-密封這樣一個整體系統(tǒng)來說，在存在間隙激振力的條件下，轉(zhuǎn)子是否能起振，作為能夠向轉(zhuǎn)子提供阻尼的唯一部件的軸承起到十分關(guān)鍵的作用，如果軸承油膜能夠提供足夠的阻尼，即使汽封處存在一定強(qiáng)度的間隙激振力，轉(zhuǎn)子也不會發(fā)生渦動;相反，如果油膜不能夠提供一定的阻尼，較弱的汽流激振力也會造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。

處理這兩類失穩(wěn)的不同之處在于對間隙激振，重點方向是確定激振部位。消除或減小間隙激振力，增大軸承油膜阻尼力為輔。對汽流使軸頸偏移發(fā)生的油膜失穩(wěn)，主要方向是消除偏移[3]。

從現(xiàn)場實際，具體處理可以考慮采取下列措施：

（1）增大激振力部位的密封間隙，以犧牲熱效率換取激振力的減小。實施這項措施的關(guān)鍵是事前必須準(zhǔn)確確定激振部位。

（2）改變調(diào)門開啟次序，從而改變作用在轉(zhuǎn)子上的汽流作用力方向。通常是使汽流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向下的作用力，以增大軸頸在軸承中的偏心率。

（3）提高軸承穩(wěn)定性裕度，用增加油膜阻尼力的方法來抑制汽流激振力，具體如下：

a.提升或降低相關(guān)軸承標(biāo)高。

b.改變軸承幾何形狀。

c.增加油膜的徑向剛度。對360°滑動軸承，可利用增加流體靜態(tài)壓力來提高穩(wěn)定性，流體靜態(tài)壓力高能直接提高油膜徑向剛度并改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。實踐中，可以采用提高軸承進(jìn)油壓力的方法。

（4）采用合適的汽封類型。蜂窩汽封現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，常被用做高壓轉(zhuǎn)子軸封。相較于梳齒汽封，它容易產(chǎn)生蒸汽紊流，對周向連續(xù)旋流形成干擾。

（5）可傾瓦軸承由不連續(xù)的各段構(gòu)成，幾乎不可能產(chǎn)生周向連續(xù)旋流。利用可傾瓦軸承原理，將汽封開軸向槽，可以有效地抑制汽流激振。

（6）利用反渦旋技術(shù)，逆轉(zhuǎn)向注入蒸汽流，干擾汽流的周向運(yùn)動，從而提高失穩(wěn)轉(zhuǎn)速界限。這種技術(shù)對設(shè)備不會造成負(fù)面危害，因而被積極推薦使用，成為消除密封間隙失穩(wěn)的主要手段。2005年上海交通大學(xué)與上海汽輪機(jī)廠共同研制了這種汽封，目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)所謂的反向旋流汽封，而且應(yīng)用到現(xiàn)場實際中使用效果極佳，所以目前為止消除汽流激振只有反向旋流汽封一種最為有效[3]。

（7）提高潤滑油溫。

4 汽流激振與隨機(jī)振動、軸瓦自激振動的區(qū)別

（1）激振力。汽流激振由蒸汽力引起，油膜振蕩和油膜渦動由軸承油膜力引起。

（2）與負(fù)荷關(guān)系。汽流激振的發(fā)生與負(fù)荷有關(guān)，而油膜振蕩或油膜渦動的振動與負(fù)荷無直接關(guān)系，改變負(fù)荷這類軸承自激振動不會消失。

（3）發(fā)生部位。汽流激振發(fā)生在高參數(shù)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子上，低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不會發(fā)生汽流激振，如發(fā)生自激振動肯定屬于油膜振蕩或油膜渦動的自激振動。

（4）與轉(zhuǎn)速關(guān)系。轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍時才能發(fā)生油膜振蕩，否則發(fā)生的只能是油膜渦動。汽流激振只與負(fù)荷有關(guān)與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

（5）異音。發(fā)生油膜振蕩或油膜渦動時，軸徑在軸承間隙里劇烈抖動，軸承箱往往會發(fā)生“咚咚”聲音，而汽流激振沒有。

（6）振動再現(xiàn)性。汽流激振與負(fù)荷有著良好的再現(xiàn)性，而油膜振蕩和油膜渦動沒有良好的再現(xiàn)性。

5 結(jié)束語

汽輪發(fā)電機(jī)組的汽流激振故障，它是工作介質(zhì)（蒸汽）誘發(fā)的激振力，在高熱力參數(shù)的汽輪機(jī)上表現(xiàn)較為突出。運(yùn)行經(jīng)驗表明，現(xiàn)代大型汽輪機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子很容易發(fā)生汽流激振，本文從汽流激振產(chǎn)生的機(jī)理、診斷特點、處理方法以及汽流激振與隨機(jī)振動、軸承自激振動的區(qū)別等方面，對其做了全方位的總結(jié)，以便指導(dǎo)現(xiàn)場實際的消振工作，由于汽流激振的產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，對其研究尚處于初始階段，這就需要廣大振動工作者繼續(xù)努力，將現(xiàn)場實際消振過程和理論分析相結(jié)合，不斷來完善對于汽流激振的認(rèn)識和理解，以便更好地解決實際生產(chǎn)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸頌元，吳崢峰.汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障診斷及案例[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2]郭寶仁，常浩.汽輪發(fā)電機(jī)組振動診斷技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，2016.

[3]施維新，石靜波.汽輪機(jī)組振動及事故[M].北京：中國電力出版社，2016.