电厂汽机摩擦振动故障分析与诊断

电厂汽机摩擦振动故障分析与诊断

王非

大唐东营发电有限公司  山东省东营市  257000

摘要：汽机叶片的静态和动态摩擦共同导致了汽机叶片的摩擦振动。对汽轮机摩擦振动的精确诊断与检测是改善汽轮机运行安全性的关键。目前，对摩擦力误差的诊断，主要是通过对其振动特征、频谱特征、波形特征或轴心运动轨迹特征等方面进行的。本文从摩擦振动特点出发，对提高其在启动时的摩擦振动进行了探讨，找到了其产生的原因并给出了相应的预防措施，以期对于改善汽机的总体性能产生积极影响。

关键词：电厂；汽机；摩擦振动

1.摩擦原因

动静摩擦问题还会引起其它零部件的失效，例如转子挠曲等，从而加重气缸的振动，最终造成大轴弯折或气缸折断。造成摩擦振动破坏的原因有以下几点。(1)主轴的振荡太大；如果转动轴的振幅超出了动、静两种状态下的振动，则摩擦式振动器就会受到破坏。(2)动、静间隙不够；由于安装间距太小或者间距调节不当，不能满足设备的安装和维修需要，都会引起磨擦振动的破坏。(3)汽缸体的弯曲和变形；当上下两个滚筒温度相差过大或没有足够的预热时间时，滚筒就会产生变形弯曲等现象，从而导致滚筒产生摩擦振动。(4)非对称性的转子与支承。由于转动构件的变形、移动、转子与支座的不对称，使转子整体向最外面倾斜，若发生摩擦错误和磨损性断裂，则会使摩擦破坏在短期内快速蔓延。

2.摩擦振动的故障特征和机理

1.1动静摩擦机理

在汽机中由于转子重、速度不均衡等因素，使其产生较高的振动。理论上将振动峰值与不平衡体之间的迟滞角称作机械迟滞角，当振动出现在临界转速时，机械滞后角为90°，当振动出现在临界转速以下时，它小于90°，而当振动出现在临界转速以上时，它大于90°。由于各种原因造成的动静摩擦，会在转子摩擦部位形成局部热，使转子发生非均匀伸缩或暂时弯曲，从而使转子产生一定程度的不均衡质量。这种附加的不平衡质量会和原有的相结合，产生新的不平衡，进而决定了机组的振动。由于动静两种摩擦力均出现在较高的振幅上，所以动静两种摩擦力所产生的附加不均衡质量，其方向与原来的振幅基本一致。在低于临界速度的情况下，原有的不均衡质量与额外的不均衡质量相叠加，使系统产生更大的不均衡质量，从而引起系统的振动。

1.2动态和静态分类

从动、静摩擦的角度来看，动、静两种摩擦力可以划分为轴向摩擦力和径向摩擦力。在转动部分与固定部分间的轴向空隙没有的情况下，摩擦力以轴向摩擦力的形式出现；如果转动部分与静止部分间的径向间隙不存在，则产生了以径向摩擦为主的碰撞。从接触表面上看，转子的径向摩擦力可以划分为周向摩擦力和局部摩擦力。在转动期间，转子和静子之间维持着一定的接触，这就是整个循环的摩擦力；转动时，转子只与定子弧区相接触，就会产生局部的摩擦碰撞

2.动静摩擦的位置和时间

2.1动静摩擦位置

汽机叶片动、静构件间存在着很小的缝隙，一旦缝隙消失，就会引启动、静摩擦，从而引起摩擦振动。从汽机的特性出发，确定了动、静摩擦力发生在轴、径向范围内的范围。轴向上的摩擦力主要集中在叶片与隔板之间或者是叶片的轮毂与隔板之间。由于机组在冷、热、静、转等工况下的轴向间隙很小，动、静两种工况的差异较大，因此，由于轴向间隙较小，在运行中存在较大的摩擦力。总而言之，所述的径向摩擦元件包括：①转子及末端气封；②转子及桨叶顶端气封；③轴及膜片密封；④转子和桥密封；⑤电机转子及密封件；⑥电机转子及炭刷；⑦电机转子及静子。

2.2动静摩擦时间

在机组启动阶段，温升状况发生了很大的改变。由于转子系统具有比汽缸更低的热惯性，因而在制冷或升温过程中，转子系统与汽缸的膨胀会出现不协调，动静元件间的间隙也会随之改变。在移动零件与固定零件间的空隙消失后，就会发生摩擦振动。无论在冷态还是热态条件下，转子的扩展速度都要快于汽缸。在轴向方向，该设备会有一个不同的扩展。在膨胀差大的情况下，由于轴向的动静摩擦，使轴向的轴向摩擦增大；由于转子的迅速扩张，使其内部的间隙逐渐减小，从而引起了径向的摩擦力；在原位启动时，由于油管的扩张会受到阻碍，造成油管的变形和位移，使油管更容易发生动、静摩擦。在热、超热启动条件下，若汽水温度太低，或在低转速工况下，则会导致转子、汽缸的冷却。在这种情况下，汽缸缩得慢，转子缩得快，从而使汽缸的径向间隙消失，汽缸发生了变形，从而使汽缸在动静两个方向上发生了变化，同时也使汽缸的负胀率相差很大。在负张量大于某一数值后，动静间隙消失，出现轴向摩擦力；在启动时无论采用何种脉冲方式，都可能导致启动时转子与气缸之间的相对位置发生变化，从而导致启动时气缸与支承座标高度的变化。在径向间隙较小的情况下，极易产生径向动、静摩擦以及径向摩擦。在提高临界转速过程中，因机组初始振动强度较大，转子与固定件之间存在着动、静摩擦。在负载初期，与机组的启动相似，其受热状况也会发生剧烈的改变，因而也会产生类似的动静摩擦现象。在稳态运行条件下，电机的转子会因外界的冲击而产生动态和静力摩擦。有些装置，即便没有受到外界的影响，但由于使用的时间长了，在隔油板等部位的油脂会积累和碳化，从而导致这个缝隙变得更小，最后完全消失，这样就很容易导致动、静元件间发生摩擦，从而导致摩擦振动的发生。

3.建议和措施

启动时若出现动、静摩擦，则机组仍需低速运转，动、静摩擦部位需经磨擦逐步脱开。当震动超出某一极限时，必须立即停车，经过一段时间的加热后，再重新启动，以使转子弯折回复到正常状态。用这种方法，经过几次反复，磨擦一般就会消失了。不要使用触动转折点来强制启动，这样会造成透平主轴永久性的弯折，具体如下：

(1)在启动或带载操作过程中，为防止振动急剧升高而导致设备的损伤，振动保护不能解除。

(2)若振动持续增大，应及时停机，或减载，以免影响装置的安全性：若在加载过程中出现摩擦力，可将振动限制在某一波动区间，并可观测运转一段时期，使其在合适的空隙中产生爆震。

(3)启动时，如果机器存在动、静摩擦力，则不可强制提升速度，以免使大轴头产生永久性的变形。当转速大于临界转速时，转速保持在一个能使振动可控的转速，当转速达到某一值时，转速就会升高。当车速降到临界转速以下时，应马上停机，过一段时间后，可再次启动。

(4)汽轮机的动态和静态径向间隙很小，所以，在启动之前，一定要把胀差，气缸温差，轴偏心等几个主要参数，都控制在一定的范围之内，不然，摩擦力就会造成转子弯折，振动增大，甚至无法启动。

(5)判定所生成的动态与静态摩擦元件的振动特征，以在频谱中以工作频率成分为主。冠层中的高频成分、双频成分和低频成分非常小，因此，在冠层中存在着削顶的现象。当旋转速度大于某一阈值时，相对于该阈值，该阈值大于该阈值时，该阈值增大。与初始值比较，机组停止运行后，转子的摇摆幅度增大，系统的频率振荡幅度、相位不断变化。

4.结语

在汽机初启动时，由于轴向摩擦，转子会产生热偏振，由此产生动、静两种摩擦。所以有必要对动、静摩擦的部位进行分析，找到摩擦振动故障的成因，并给出相应的对策，对摩擦振动的成因进行分析，在对汽轮机组进行持续的开发与改造的同时，逐渐地对其在运转中所面临的各类问题进行改进，从而提升设备的运转效率，提升操作的安全性，确保汽轮机组可持续地运转。

参考文献：

[1]杨鑫,范帅.某电厂135MW汽轮机热态启动振动分析及处理[J].科学家,2017,5(03):46-48.

[2]杨光兰,孙利强.浅析600MW汽轮发电机组6.9m平台振动大的原因及解决方法[J].内蒙古科技与经济,2016(24):93-95.

[3]孙天行.大港发电厂320兆瓦汽机调试技术总结[J].北京电力技术,1979(11):1-31+46.D