汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)靜摩擦的故障原因分析及處理措施

張斌 劉文愷

摘要：某化工公司MTO裝置兩臺(tái)壓縮機(jī)組的汽輪機(jī)在單體試車過程中，出現(xiàn)振動(dòng)值明顯上升并引發(fā)連鎖跳車，停機(jī)后轉(zhuǎn)子抱死，解體后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第四級(jí)葉輪與第五級(jí)隔板軸向密封磨損嚴(yán)重，本文就汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)靜摩擦、引起汽輪機(jī)脹差超標(biāo)的原因進(jìn)行分析，對(duì)汽輪機(jī)噴嘴間隙、轉(zhuǎn)子軸向間隙進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)鍵詞：動(dòng)靜摩擦 ?脹差 ?汽缸內(nèi)外溫差 ?軸向間隙 ?噴嘴間隙

一、故障概況

某化工公司MTO裝置兩臺(tái)壓縮機(jī)組的汽輪機(jī)為美國公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SNV-8抽汽凝汽式汽輪機(jī)，利用撓性聯(lián)軸節(jié)連接，該機(jī)組在第一次單體試車過程中，出現(xiàn)振動(dòng)值明顯上升并引發(fā)連鎖跳車，停機(jī)后轉(zhuǎn)子抱死，4小時(shí)后盤車回復(fù)正常，解體后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第四級(jí)葉輪與第五級(jí)隔板軸向密封磨損嚴(yán)重。

二、原因分析

引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)靜相碰的主要原因有3點(diǎn)：轉(zhuǎn)子軸向位移過大、汽輪機(jī)脹差超標(biāo)、泊桑效應(yīng)。

1.轉(zhuǎn)子軸向位移分析

軸位移指的是軸的位移量，汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，由于蒸汽在葉輪中做功，以及隔板汽封間隙中的漏汽等原因，使葉輪前后的蒸汽壓力有一個(gè)壓降，這個(gè)壓降造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子順著蒸汽流動(dòng)方向形成一個(gè)軸向的推力，從而產(chǎn)生軸向位移。如果軸向位移大于轉(zhuǎn)子最小動(dòng)靜間隙，就會(huì)造成汽輪機(jī)動(dòng)靜相碰、摩擦，止推軸承溫度升高、烏金燒毀，汽輪機(jī)振動(dòng)增大。

汽輪機(jī)在試車過程中，止推軸承溫度正常，解體后檢查，止推軸承完好，無磨損、毛刺等痕跡，測量轉(zhuǎn)子軸向位移0.38mm，小于轉(zhuǎn)子最小動(dòng)靜間隙（噴嘴間隙）0.76mm - 0.965mm，故轉(zhuǎn)子軸向位移過大不是本次引起汽輪機(jī)動(dòng)靜相碰的原因。

2.汽輪機(jī)脹差分析

2.1脹差指的是軸相對(duì)于汽缸的相對(duì)膨脹量，即轉(zhuǎn)子與汽缸沿軸向膨脹的差值。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子膨脹大于汽缸膨脹的脹差值稱為正脹差，汽缸膨脹大于轉(zhuǎn)子膨脹時(shí)的脹差值稱為負(fù)脹差。一般在開車過程中的脹差多為正脹差，停車過程中的脹差多為負(fù)脹差。

2.2轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差值，可由下式計(jì)算：

公式中： 為汽缸與轉(zhuǎn)子的脹差值; 、 分別為轉(zhuǎn)子和汽缸的金屬熱膨脹系數(shù); 為機(jī)組初始溫度值，一般取20℃; 、 分別為轉(zhuǎn)子與汽缸的平均溫度值; 、 轉(zhuǎn)子和汽缸截面處至相對(duì)位置的長度，由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子自由膨脹的同時(shí)，還由推力盤帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的各個(gè)零件向高壓側(cè)膨脹，推力盤處的相對(duì)膨脹值為零，故選取推力盤處為相對(duì)位置。

為了使問題簡單，取轉(zhuǎn)子和汽缸的金屬熱膨脹系數(shù)相同，且初始溫度相同。葉輪與隔板的平均溫度分別是 、 ，葉輪與隔板的軸向間隙較小，可忽略不計(jì)，因此 ，所以轉(zhuǎn)子與汽缸的溫差值是影響轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差值的主要因素。

在機(jī)組開機(jī)過程中，由于轉(zhuǎn)子相對(duì)汽缸來說很小，熱容量小，溫度變化快，膨脹速度快，所以汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)考慮脹差，給定一個(gè)安全的脹差標(biāo)準(zhǔn)，而如果暖機(jī)時(shí)間不夠，蒸汽溫度提升太快，轉(zhuǎn)子與汽缸的溫差、汽缸內(nèi)外壁的溫差以及汽缸上下缸的溫差太大，都會(huì)引起轉(zhuǎn)子與汽缸的溫差增大，致使脹差超標(biāo)，造成汽輪機(jī)動(dòng)靜相碰、摩擦。

機(jī)組跳車發(fā)生在高速暖機(jī)過程中，跳車時(shí)下缸的內(nèi)外溫差達(dá)到了106℃，超過了廠家給定的內(nèi)外缸最大溫差（指標(biāo)75℃，最大不超過105℃），上下缸溫差達(dá)42℃，接近廠家給定的上下缸最大溫差（45℃），導(dǎo)致汽缸膨脹不均勻，轉(zhuǎn)子與汽缸的溫差增大，造成機(jī)組脹差超標(biāo)，轉(zhuǎn)子第四級(jí)葉輪與第五級(jí)隔板軸向密封相碰、摩擦，振動(dòng)值上升并連鎖跳車。

3、泊桑效應(yīng)分析

轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受離心力的作用，使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向變形，大軸在離心力的作用下變粗變短，這種現(xiàn)象叫泊桑效應(yīng)。

3.1由于轉(zhuǎn)子相對(duì)于汽缸的死點(diǎn)為止推軸承，故轉(zhuǎn)子在離心力作用下變短，會(huì)使得第四級(jí)葉輪與第五級(jí)隔板的軸向密封間隙增大，不會(huì)引起他們相碰、摩擦。

3.2此次跳車是發(fā)生在高速暖機(jī)過程中，轉(zhuǎn)子速度變化不大，長度不會(huì)發(fā)生突發(fā)的劇烈變化。

故轉(zhuǎn)子的泊桑效應(yīng)不是此次故障的原因。

三、處理措施

1、轉(zhuǎn)子、隔板修理

經(jīng)過生產(chǎn)廠家的計(jì)算，將第四級(jí)葉輪動(dòng)葉片及第五級(jí)隔板密封全部車削去，汽輪機(jī)的效率下降10%左右，但不影響該機(jī)組的正常使用。

2、開車曲線優(yōu)化

由于此次故障的主要原因?yàn)閮?nèi)外缸溫差過大，由儀表廠家對(duì)機(jī)組開車曲線進(jìn)行了優(yōu)化，主要有以下幾個(gè)方面：

2.1暖機(jī)按修改后的曲線進(jìn)行盤車暖機(jī)。溫度可以控制缸體180-200℃左右（下缸體外缸溫度），內(nèi)外缸溫差小于75℃，上下缸溫差小于45℃（外壁與外壁比較，內(nèi)壁與內(nèi)壁比較）。

2.2啟機(jī)暖機(jī)在600轉(zhuǎn)進(jìn)行暖機(jī)。但是此時(shí)要注意排氣溫度和缸體溫差。排氣溫度要小于105℃。在排氣溫度和缸體溫差允許的情況下，盡可能延長暖機(jī)時(shí)間，將缸體溫度盡可能提高，直至缸體溫度均衡，不能再繼續(xù)升高。內(nèi)外缸溫差小于105℃。

2.3升速至1900轉(zhuǎn)后，缸體溫差會(huì)繼續(xù)增大。內(nèi)外缸溫差不能超過105℃。排汽溫度要小于105℃，如果這兩個(gè)溫差一旦有超出，可以通過降低轉(zhuǎn)速和停機(jī)盤車進(jìn)行降溫和均衡溫差，內(nèi)外缸溫差在50-70℃以后，排汽溫度為80℃左右進(jìn)行升速。如果持續(xù)超過這些溫度，只能通過降速或停機(jī)盤車來進(jìn)行降溫和均衡溫差。在排氣溫度和缸體溫差允許的情況下，盡可能延長暖機(jī)時(shí)間，將缸體溫度盡可能提高，直至缸體溫度均衡，不能再繼續(xù)升高。

2.4升速至3600轉(zhuǎn)高速暖機(jī)后，缸體溫差將迅速升高，此時(shí)排汽溫度會(huì)逐漸降低，在溫差超過100℃后，應(yīng)迅速手動(dòng)關(guān)閉TTV，強(qiáng)制調(diào)速閥全開降低轉(zhuǎn)速來控制溫差，如溫差無法控制，將停機(jī)盤車進(jìn)行均衡溫差。內(nèi)外缸溫差不大于105℃，排缸溫度105℃。在排氣溫度和缸體溫差允許的情況下，盡可能延長暖機(jī)時(shí)間，將缸體溫度滿足升速要求。

2.5指標(biāo)：

四、試車記錄

檢修結(jié)束后，機(jī)組采用中壓蒸汽開機(jī)，一次開機(jī)成功，過程運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)值在過臨界時(shí)也未超過15um。

五、總結(jié)

石油化工行業(yè)接觸的汽輪機(jī)種類很多，無論哪種形式，其工作原理基本相同。在穩(wěn)定工況下，相對(duì)脹差值接近于零（如材料的熱膨脹系數(shù)相等），相對(duì)脹差值變化最大的是在起、停工況和機(jī)組負(fù)荷劇烈變化時(shí)，控制好機(jī)組的內(nèi)外缸溫差、調(diào)整好動(dòng)靜間隙及軸向位移，保證轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，是避免汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)靜摩擦的有效方法。

參考文獻(xiàn)

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[2]魏軍、陳伯樹，汽輪機(jī)機(jī)組脹差計(jì)算方法，《機(jī)械工程師》，2012年第5期

[3]王仲奇、秦仁，透平機(jī)械原理，[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987

張斌，1988年8月 男，漢，陜西渭南，大學(xué)本科，助力工程師，研究方向：大型煉化設(shè)備安裝、檢修技術(shù)

劉文愷，1986年10月，男，漢，山東省煙臺(tái)市，大學(xué)本科，工程?師，研究方向：石油化工轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備檢維修技術(shù)