基于因果分析法解決汽輪機振動問題的分析

方伋

（杭州中能汽輪動力有限公司，浙江 杭州 310018）

汽輪機出廠前進行空負荷運轉(zhuǎn)試驗，以驗證汽輪機安裝質(zhì)量。主要包括潤滑油系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、主油泵性能、動靜間隙等裝配質(zhì)量。通入廠用蒸汽，啟動、升速、定速和停機的全過程，檢驗設計、制造和裝配質(zhì)量，判斷振動、脹差、熱膨脹參數(shù)是否合格，各系統(tǒng)能否正常工作達到設計指標。機械運轉(zhuǎn)試驗以品控部門編制的《汽輪機空負荷試車大綱》作為指導，對各項關(guān)鍵參數(shù)記錄，包括振動、瓦溫、回油溫度、惰走時間。對運轉(zhuǎn)試驗中發(fā)現(xiàn)的問題和數(shù)據(jù)進行分析。某臺25MW純凝機組在空負荷運轉(zhuǎn)試驗過程中，軸承座振動偏大。轉(zhuǎn)速達到500r/min、振動升高至50μm,增加暖機時間,軸振動恢復到正常值,繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速至2300r/min時,振動又突然升高至60μm，機組設計振動報警值為53μm。

汽輪機振動過大可能會造成轉(zhuǎn)子、軸瓦、汽封的磨損；造成設備故障；降低汽輪機組經(jīng)濟性；松動連接部件；危急遮斷器誤動作，發(fā)電機勵磁不見松動、損壞。在試車階段振動過大機組不允許出廠。采用因果分析法對該臺機組進行質(zhì)量分析。

1 因果分析法

振動過大主要涉及轉(zhuǎn)子、軸承、汽封、軸承座等零部件。此次分析從這些零部件的設計、加工、裝配、檢驗四個環(huán)節(jié)分析，采用因果分析法，對可能存在的問題逐一排查。在分析過程中，先繪制出“魚骨圖”見圖1，列出各個零部件從設計和加工中可能引起振動過大的因素。

圖1 因果分析“魚骨圖”

振動分為自振和強制振動，自振和轉(zhuǎn)子的自身特性相關(guān)，強制振動為外部作用力。

2 分析過程

振動過大會對配合部件造成損傷，開缸檢查發(fā)現(xiàn)：推力盤有一定程度的摩擦痕跡，徑向瓦也有明顯的摩擦痕跡。有兩方面的原因引起振動過大：（1）轉(zhuǎn)子不平衡量偏大；（2）轉(zhuǎn)子和軸承同軸度不好。

2.1 轉(zhuǎn)子不平衡量

本機組轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子，對轉(zhuǎn)子動平衡及超速試驗，試驗要求轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)支撐振動小于2.5mm/s，剩余不平衡量按G2.5執(zhí)行。轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)支撐振動小于0.6mm/s，轉(zhuǎn)子加工、裝配符合設計要求。

圖2

2.2 轉(zhuǎn)子同軸度

標準《汽輪機總裝技術(shù)條件》要求（見圖3）如下：檢驗數(shù)據(jù)證明，機組裝配符合設計要求。加工、裝配環(huán)節(jié)都符合設計要求，最后檢查設計合理性。車間裝配記錄數(shù)據(jù)如圖4。

圖3 動靜部分同軸度的極限偏差

圖4 車間裝配記錄數(shù)據(jù)(單位μm)

2.3 設計原理檢查

（1）座架與基礎。座架與基礎通過地腳螺栓相連，轉(zhuǎn)子找中心完成后螺釘固定。

（2）座架與軸承座。如圖5所示，前座架與軸承座通過兩個鍵（總長L=790mm））來保證安裝的直線度。鍵與軸承座總間隙δ=0.04～0.08mm。座架已經(jīng)固定，由于鍵槽引起軸承座最大偏轉(zhuǎn)角

圖5 配合間隙要求

推力盤直徑R=230mm，偏轉(zhuǎn)值

Δl=0.0234mm；推力盤安裝間隙0.4～0.45mm，由于鍵與鍵槽的配合偏差引起的偏轉(zhuǎn)對推力盤間隙影響很小，不會造成軸瓦摩擦。

（3）軸承與軸承座。軸承由徑向軸承和推力軸承組合而成，安裝在軸承座內(nèi)。球面座與軸承體裝配完成后過盈量為0.02～0.04mm，找中心階段球面座可以配合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以達到推力瓦和推力盤平行。此處需要計算在正常運行時球面座是否轉(zhuǎn)動，計算過程如下：

軸承體和球面座具有s=0.02～0.04mm過盈，球面接觸面積不小于70%。過盈量按0.02mm，接觸面積按70%計算，由于變形產(chǎn)生的擠壓力

式中，s為軸承體和球面座過盈量；E為材料彈性模量；A為接觸面積；R2為計算半徑。

允許推力軸向推力

式中，k為摩擦系數(shù)，油潤滑取0.05。

計算允許推力167kN，機組設計試車推力15kN，所以,球面座與軸承體之間在運行狀態(tài)和空負荷試車狀態(tài)都不會移動或轉(zhuǎn)動。

（4）軸承座和轉(zhuǎn)子。

軸承與軸承座設計了同心度的加工安裝要求，由于球面座的存在，軸承座存在與轉(zhuǎn)子不同心的可能。軸承座安裝偏轉(zhuǎn)見圖6。機組熱態(tài)時,汽缸向前膨脹推動前軸承座向前移動。轉(zhuǎn)子中心和軸承座中心不一致的情況下容易導致膨脹不暢，軸承座中心偏移，最終表現(xiàn)為軸瓦被刮擦。

圖6 軸承座軸線偏轉(zhuǎn)示意

4 處理方案

經(jīng)過分析找出導致振動的原因——軸承座導向中心和轉(zhuǎn)子中心不同線。增加軸承座垂直度要求，見圖7，檢測面與水平中分面垂直，要求此面相對軸承支撐面垂直度小于0.1mm。軸承座加工后，對此面進行檢查，裝配環(huán)節(jié)軸系找中時對此面相對轉(zhuǎn)子中心做垂直度檢查，以此保證軸承中心、軸承座中心、轉(zhuǎn)子中心在同一直線上。按按方案對軸承座進行補加工，裝配增加檢查垂直度，再空負荷試車，軸系振動滿足設計要求。

圖7 垂直度要求

4 結(jié)語

針對車間試車出現(xiàn)軸承振動大的問題，采用因果分析方法，從加工、裝配、設計環(huán)節(jié)分析，軸承座中心與轉(zhuǎn)子中心存在不一致的可能，會導致汽輪機膨脹不暢，從而引起振動過大，出現(xiàn)軸瓦磨損的情況。因果分析法有序列出了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和相關(guān)責任部門，可以高效處理零部件質(zhì)量問題。