汽輪機(jī)安裝振動(dòng)原因與預(yù)防對(duì)策芻議

姜英棟

（晉能控股電力集團(tuán)國(guó)峰煤電，山西呂梁 032200）

文章首先介紹了汽輪機(jī)振動(dòng)的基本概念，分析了汽輪機(jī)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生的危害。然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出造成汽輪機(jī)安裝振動(dòng)的產(chǎn)生主要是設(shè)計(jì)制造、動(dòng)靜部位摩擦、氣流振動(dòng)、油膜渦動(dòng)和油膜振蕩等誘因造成的。最后總結(jié)可以通過做好設(shè)備運(yùn)行檢查管理、加強(qiáng)動(dòng)靜部位摩擦故障診斷、做好氣流激振和油膜振蕩分析以及積極應(yīng)用振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等方法來(lái)有效預(yù)防汽輪機(jī)振動(dòng)的情況出現(xiàn)。希望通過本文的分析總結(jié)，為汽輪機(jī)安裝振動(dòng)原因與預(yù)防對(duì)策提供有價(jià)值的意見和建議。

1 汽輪機(jī)振動(dòng)分析

1.1 汽輪機(jī)振動(dòng)的概念

對(duì)于大部分轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械來(lái)說(shuō)，在工作過程中產(chǎn)生一定的振動(dòng)是不可避免的，一般來(lái)說(shuō)，每種機(jī)械都有一個(gè)規(guī)定范圍內(nèi)的振動(dòng)幅度，汽輪機(jī)也是如此，只要不超過標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)幅度，都算是正常運(yùn)轉(zhuǎn)下會(huì)產(chǎn)生的振動(dòng)。而本文討論的是，在振動(dòng)幅度超過標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害、會(huì)影響汽輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的異常振動(dòng)。汽輪機(jī)本身是一種比較精細(xì)的設(shè)備，它集合了自動(dòng)化控制、機(jī)械和電力等學(xué)科技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在化工和電力行業(yè)中。通常影響汽輪機(jī)振動(dòng)的外在原因有軸系質(zhì)量原因、摩擦力原因、膨脹系數(shù)、軸承磨損或軸承座松動(dòng)、電磁力不平衡等[1]。如果僅僅是這些原因自身出現(xiàn)問題，不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的振動(dòng)帶來(lái)致命傷，問題就在于在這個(gè)過程中，汽輪機(jī)的異常振動(dòng)會(huì)影響其他零部件產(chǎn)生松動(dòng)或損壞，在異常振動(dòng)—零件損壞—?jiǎng)屿o摩擦增大—引發(fā)進(jìn)一步強(qiáng)烈振動(dòng)的惡性循環(huán)中，汽輪機(jī)就會(huì)出現(xiàn)明顯的故障。

所謂振動(dòng)，就是設(shè)備的零部件在工作過程中偏離了原定的平衡位置，動(dòng)能導(dǎo)致其位能產(chǎn)生改變，位能的改變又進(jìn)一步使其動(dòng)能發(fā)生變化，所產(chǎn)生的連續(xù)性的影響運(yùn)動(dòng)。從一般概念來(lái)講，汽輪機(jī)在做功時(shí)產(chǎn)生的自主振動(dòng)是正常的，不會(huì)對(duì)機(jī)體造成進(jìn)一步的損害，而當(dāng)汽輪機(jī)受到一定程度的受迫振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)就會(huì)超出規(guī)定的范圍，難以承受的連續(xù)沖擊力會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的零件和正常工作造成不良影響。判斷振動(dòng)是否出現(xiàn)異常的指標(biāo)是振動(dòng)的頻率，影響振動(dòng)頻率的因素包括振動(dòng)的方向和振動(dòng)的幅度，通過在某一時(shí)間內(nèi)對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)頻率的統(tǒng)計(jì)，包括振動(dòng)的橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)方向以及雙向、單向振幅的監(jiān)測(cè)，就能知道汽輪機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常[2]。

1.2 汽輪機(jī)振動(dòng)的危害

在上文振動(dòng)的概念中介紹到，汽輪機(jī)在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的振動(dòng)，對(duì)機(jī)體零部件和正常運(yùn)行的影響是在可接受范圍內(nèi)的，這樣的振動(dòng)被稱為自主振動(dòng)，同時(shí)也是正常振動(dòng)[3]。而當(dāng)振動(dòng)的頻率或幅度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，就會(huì)對(duì)機(jī)體本身的零件或結(jié)構(gòu)造成沖擊和破壞，進(jìn)而影響汽輪機(jī)的運(yùn)行和電廠的正常工作。無(wú)論是汽輪機(jī)的正常工作、機(jī)械和電廠的安全性能還是電廠的經(jīng)濟(jì)收益、工作人員的人身安全，都會(huì)遭受巨大的負(fù)面影響。汽輪機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生危害的機(jī)制主要有三個(gè)方面：①汽輪機(jī)異常振動(dòng)時(shí)，由于振動(dòng)的頻率過高、振動(dòng)的幅度太大，牽連了其他零部件的振動(dòng)，導(dǎo)致零部件松動(dòng)，機(jī)組的穩(wěn)定性不足；②汽輪機(jī)振動(dòng)時(shí)導(dǎo)致零部件振動(dòng)加強(qiáng)了機(jī)體的整體受力和電機(jī)零部件之間的摩擦力，導(dǎo)致汽輪機(jī)的自身?yè)p耗負(fù)載；③異常振動(dòng)會(huì)影響正常的工作效率，降低電廠發(fā)電的質(zhì)量，同時(shí)出現(xiàn)異常還需要對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行檢修和停工整頓，導(dǎo)致電廠的經(jīng)濟(jì)效益大為受損。因此，在汽輪機(jī)投入使用前，要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，保證各個(gè)軸承和零件安裝連接完好，振動(dòng)的幅度和頻率在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在運(yùn)行過程中一旦發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)，要立即停機(jī)檢查，找出問題的根源并采取積極的方案措施解決問題，直到機(jī)器調(diào)試好之后才能繼續(xù)投入使用。

2 汽輪機(jī)振動(dòng)異常的原因

2.1 設(shè)計(jì)制造

汽輪機(jī)在工作過程中，其動(dòng)力來(lái)源是由連接旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)子，在高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能下提供的，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，要圍繞一個(gè)穩(wěn)定的中心以相同的速度和角度旋轉(zhuǎn)，才能保持離心力的平衡，從而保持機(jī)械總體上的平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子與其所連接的旋轉(zhuǎn)中心重合性較差時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)就會(huì)產(chǎn)生偏差，影響整個(gè)機(jī)械的穩(wěn)定性。由旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的晃動(dòng)會(huì)引發(fā)汽輪機(jī)的異常振動(dòng)。所謂的離心力可以理解為月亮圍著地球轉(zhuǎn)、地球圍著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，以及地球、月球自轉(zhuǎn)的能力，可見離心力的能量是十分強(qiáng)大甚至具有一定的破壞性的。在轉(zhuǎn)子和中心連接良好，轉(zhuǎn)動(dòng)自如的情況下，離心力是相對(duì)穩(wěn)定的，而一旦轉(zhuǎn)子的質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心不能很好地重合，離心力就會(huì)超過一定的范圍，破壞汽輪機(jī)工作的秩序性。因此，在設(shè)計(jì)、制造汽輪機(jī)時(shí)，要保證裝配的質(zhì)量、機(jī)械加工的精度、生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量把控問題等。

導(dǎo)致汽輪機(jī)出廠不合格的因素有很多：①設(shè)計(jì)方面的問題。汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)方案沒有按照其使用要求來(lái)設(shè)定，所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)方案與實(shí)際需求不匹配，即便按照設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)器本身沒有問題，但是使用時(shí)不能達(dá)到電廠對(duì)汽輪機(jī)的工作要求，造成可用性低下。②制造方面的問題。在制造過程中，機(jī)械的加工精度不夠細(xì)致，導(dǎo)致汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，在高速或者低速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都會(huì)造成汽輪機(jī)的異常振動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)制造汽輪機(jī)時(shí)，要時(shí)刻注意機(jī)械加工的精度，保證所生產(chǎn)的部件足夠優(yōu)質(zhì)和裝配的質(zhì)量達(dá)到要求。在安裝轉(zhuǎn)子之前，要對(duì)每一級(jí)葉片進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，保證每一級(jí)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)都是連續(xù)、順暢、質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心重合的。在安裝好質(zhì)子之后，要對(duì)質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行高速動(dòng)平衡和低速動(dòng)平衡檢測(cè)，保證轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力在合理范圍內(nèi)。

2.2 動(dòng)靜部位摩擦

汽輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)是一個(gè)必然的過程。由于汽輪機(jī)的機(jī)械零部件是一個(gè)可活動(dòng)的、由各個(gè)零部件相互連接起來(lái)的整體，當(dāng)質(zhì)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，零部件會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)而被帶動(dòng)著活動(dòng)，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，零部件之間就會(huì)因?yàn)槿諒?fù)一日的輕微晃動(dòng)而松動(dòng)，直至轉(zhuǎn)子的中心偏離幾何中心。一旦轉(zhuǎn)子偏離了旋轉(zhuǎn)的幾何中心，軸心和連接點(diǎn)之間產(chǎn)生的間隙就會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)偏離的距離達(dá)到兩端支承軸承的徑向間隙時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)觸碰到其他的零部件。其他零部件在轉(zhuǎn)子離心力的影響下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的摩擦力，從而造成汽輪機(jī)動(dòng)靜部位摩擦的問題出現(xiàn)。由此可以總結(jié)出，產(chǎn)生動(dòng)靜部位摩擦的原因有三點(diǎn)：①轉(zhuǎn)子的振動(dòng)引起零部件之間的摩擦；②軸心偏斜導(dǎo)致離心力超過正常的范圍，引起動(dòng)靜部位的碰磨；③動(dòng)靜間隙過小，導(dǎo)致離心力的進(jìn)一步加大和轉(zhuǎn)子對(duì)靜部位造成直接的影響，引起劇烈的振動(dòng)。在實(shí)際的檢查過程中，要根據(jù)情況具體分析，判斷出異常振動(dòng)出現(xiàn)的真實(shí)原因，再按照實(shí)際需求來(lái)解決問題。

2.3 氣流激振

氣流激振是指在汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的氣體影響了機(jī)械內(nèi)部的壓力，壓力降低的情況下轉(zhuǎn)子由于受力發(fā)生變化而產(chǎn)生了相對(duì)的位移。又由于轉(zhuǎn)子一直處在旋轉(zhuǎn)過程中，在邊位移邊旋轉(zhuǎn)的情況下會(huì)形成一個(gè)漩渦，進(jìn)而引起汽輪機(jī)振動(dòng)異常。在實(shí)際工作中，可以依據(jù)低頻分量的數(shù)值和運(yùn)行參數(shù)來(lái)對(duì)氣缸是否產(chǎn)生偏移做評(píng)估，出現(xiàn)較大值的低頻分量或是運(yùn)行參數(shù)異常，都是存在汽流激振的特征[4]。

出現(xiàn)汽流激振的原因主要有兩點(diǎn)：①由葉片不均衡引起的；②由軸封故障引起的。葉片的不均衡會(huì)引發(fā)氣流沖擊，造成氣流激振。從實(shí)際情況來(lái)看，由于汽輪機(jī)的葉片較大較長(zhǎng)，末端受控制程度較低，因此即便是前端出現(xiàn)輕微的不均衡，也會(huì)引起末端的膨脹使其在旋轉(zhuǎn)過程中造成流體紊亂，引發(fā)氣流激振。軸封所引發(fā)的氣流激振問題需要長(zhǎng)時(shí)間對(duì)機(jī)組振動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄才能評(píng)估出來(lái)。在機(jī)組工作過程中，要將其滿負(fù)荷數(shù)據(jù)做成機(jī)組曲線表，通過對(duì)照曲線表觀察機(jī)組工作時(shí)升降負(fù)荷速率的改變，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就要根據(jù)曲線的變化對(duì)汽門的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，針對(duì)性地解決氣流激振的問題。

2.4 油膜渦動(dòng)和油膜振蕩

除了軸封故障引起的氣流激振會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)異常振動(dòng)，軸系一旦出現(xiàn)問題，也會(huì)造成同樣的后果。軸系是汽輪機(jī)工作過程中用以支撐滑動(dòng)軸承的，油膜渦動(dòng)正是出現(xiàn)在這個(gè)環(huán)節(jié)中。當(dāng)滑動(dòng)軸承所承受的力量超過其負(fù)荷時(shí)，軸系中軸頸就會(huì)隨著負(fù)載的變化產(chǎn)生位移，在位移的過程中又會(huì)因?yàn)閼T性而進(jìn)一步加強(qiáng)其活動(dòng)的動(dòng)力，形成一股機(jī)械本身難以阻擋的動(dòng)載荷。動(dòng)載荷在汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)不斷對(duì)軸頸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其離軸承的中心位置越來(lái)越遠(yuǎn)。這個(gè)時(shí)候如果加入一股外界的擾動(dòng)力，就會(huì)改變軸頸的運(yùn)動(dòng)軌跡，兩股作用力相互影響下，軸頸就會(huì)回到原來(lái)的位置或是找到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，讓軸承回到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)影響軸頸運(yùn)動(dòng)的兩股作用力無(wú)法讓軸頸在運(yùn)動(dòng)過程中回歸平衡時(shí)，軸頸仍會(huì)圍繞軸頸中心的平衡線發(fā)生偏移運(yùn)動(dòng)，這種狀態(tài)就被稱為油膜渦動(dòng)。油膜振蕩出現(xiàn)在油膜渦動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)子的固有頻率相等的時(shí)候，此時(shí)油膜渦動(dòng)和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)會(huì)引起共振，由于共振產(chǎn)生的影響會(huì)讓汽輪機(jī)振動(dòng)異常。在這個(gè)過程中，不是在油膜渦動(dòng)的初始階段就會(huì)發(fā)生共振，通常來(lái)說(shuō)油的平均流速是轉(zhuǎn)軸角速度的一半，因此油膜渦動(dòng)又叫做半速渦動(dòng)，當(dāng)半速渦動(dòng)的轉(zhuǎn)速提高到兩倍時(shí)，其運(yùn)動(dòng)頻率就會(huì)不斷趨近于轉(zhuǎn)子的固有頻率，就會(huì)產(chǎn)生油膜振蕩。

3 預(yù)防汽輪機(jī)振動(dòng)的對(duì)策方法

3.1 做好設(shè)備運(yùn)行檢查管理工作

汽輪機(jī)作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多的機(jī)器設(shè)備，要做好其設(shè)備的運(yùn)行檢查和管理工作是一件較為繁瑣的事情。因此對(duì)于參與汽輪機(jī)操作和檢查的工作人員，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的崗位技能教育培訓(xùn)。在培訓(xùn)過程中嚴(yán)格按照汽輪機(jī)的運(yùn)行規(guī)程來(lái)展開學(xué)習(xí)，加強(qiáng)安全操作意識(shí)，保證能夠在后期的監(jiān)視、檢測(cè)過程中嚴(yán)格按照要求標(biāo)準(zhǔn)來(lái)。操作人員更要在操作過程中以一絲不茍的態(tài)度和專業(yè)的知識(shí)來(lái)完成工作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，要有及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

在檢查管理過程中主要要檢查五個(gè)方面的內(nèi)容：①檢查汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子是否符合工作要求，各個(gè)葉片的位置、工作狀態(tài)是否正常，出現(xiàn)問題的時(shí)候要及時(shí)對(duì)各個(gè)部位之間的動(dòng)靜間隙進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，對(duì)于需要更換的葉片要及時(shí)做更換處理；②在汽輪機(jī)工作過程中，對(duì)轉(zhuǎn)子和氣缸的膨脹規(guī)律進(jìn)行記錄分析，在開機(jī)之前和運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后要進(jìn)行停機(jī)檢查和調(diào)試；③在機(jī)組停機(jī)的時(shí)候，對(duì)設(shè)備工作過程中的各項(xiàng)參數(shù)仔細(xì)觀察，尤其是蒸汽參數(shù)的變化、溫度的變化以及壓力和軸承振動(dòng)的變化，要在再次啟動(dòng)之前將出現(xiàn)異常的部位調(diào)整好；④在機(jī)組運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)刻避免水分沖擊到汽缸，無(wú)論是開機(jī)還是停機(jī)時(shí)都要避免冷水或冷汽進(jìn)入汽缸；⑤在機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生劇烈變化時(shí)監(jiān)視其轉(zhuǎn)子晃動(dòng)和振動(dòng)的頻率，一旦晃動(dòng)或振動(dòng)的頻率超過了規(guī)定范圍內(nèi)，要立刻停機(jī)。

3.2 加強(qiáng)動(dòng)靜部位摩擦故障診斷

在汽輪機(jī)工作過程中，摩擦幾乎出現(xiàn)在每一個(gè)環(huán)節(jié)中，這為汽輪機(jī)動(dòng)靜部位的診斷增加了難度。在對(duì)動(dòng)靜部位的摩擦進(jìn)行診斷時(shí)，需要運(yùn)用多種手段進(jìn)行組合來(lái)提高診斷的準(zhǔn)確性。其中包括但不限于汽輪機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)的波特圖、極坐標(biāo)圖、全頻譜級(jí)聯(lián)圖以及汽輪機(jī)的安裝、檢修情況等。在確定存在動(dòng)靜部位摩擦的情況后，要利用電渦流傳感器進(jìn)行確診，如果沒有安裝電渦流傳感器，則要先安裝好之后再進(jìn)行下面的診斷。

3.3 做好氣流激振和油膜振蕩分析

在對(duì)氣流激振故障進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先要將汽流激振相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行搜集整理，然后將這些信息以圖表的形式展現(xiàn)出來(lái)，通過對(duì)圖表形狀數(shù)據(jù)的對(duì)比，找出產(chǎn)生本次氣流激振的內(nèi)在規(guī)律，然后有針對(duì)性地制定解決方案。而要對(duì)油膜振蕩進(jìn)行診斷的方法則有很多，其中主要有軸瓦比壓增高法、減小軸瓦頂部間隙法、增加軸瓦軸承合金寬度法、適當(dāng)縮小軸頸與軸瓦的接觸角度法、減小潤(rùn)滑油動(dòng)力粘連度、調(diào)整轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)等方法，在診斷時(shí)選擇最為合適的一種方式進(jìn)行分析即可。

3.4 積極應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)汽輪機(jī)出現(xiàn)故障不是一蹴而就的，而是在持續(xù)的動(dòng)態(tài)工作中變化形成的，要了解這個(gè)過程，在出現(xiàn)嚴(yán)重故障之前找到問題，就需要利用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過有效的監(jiān)測(cè)，可以將汽輪機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)與正常的工作狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，觀察運(yùn)行過程中各項(xiàng)狀態(tài)的變化。對(duì)于存在異常的環(huán)節(jié)要及時(shí)采取有效的解決措施，以降低故障出現(xiàn)的概率，節(jié)約后期的維修成本，提高設(shè)備的使用壽命和價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)汽輪機(jī)安裝振動(dòng)的原因展開了分析，并提出了一些可行性較高的預(yù)防政策，旨在能夠推動(dòng)我國(guó)發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，為居民的生活生產(chǎn)用電安全提供有力的保障。