汽轮发电机组摩擦振动的研究与辨识齐文飞

汽轮发电机组摩擦振动的研究与辨识齐文飞

齐文飞

（河北大唐国际唐山热电有限责任公司河北唐山063029）

摘要：摩擦振动是汽轮发电机组常见的故障，直接影响汽轮发电机组发电效果，因此，识别摩擦振动的特点，并采取有效的措施控制振动现象发生显得至关重要。本文就汽轮发电机组运行特点分析产生汽轮发电机组出现摩擦振动现象原因和发生摩擦现象的部位，制定有效摩擦振动防治措施，有效缓解汽轮发电机组摩擦振动现象。

关键词：汽轮发电机组；摩擦振动；故障分析

引言

现阶段，我国各个行业都在开展节能减排，汽轮发电机组的应用，能够降低火力发电能源消耗，提高电力节能效果。对汽轮发电机组进行不定期检查，适当调整设备动静间隙，有效预防汽轮发电机组故障。由于火电厂中汽轮发电机处于长时间运行状态，指标控制力度不高，经常出现振动现象，影响火电厂节能减排要求的落实。

一、动静接触对转子运转的影响

有效控制汽轮发电机组动静间隙距离，确保汽轮发电机组运行效果。现阶段，火电厂内部汽轮发电机组出现动静局部接触现象的可能性大幅度提升。一般来说，汽轮发电机组动静局部接触时会出现三种现象，即冲击力、摩擦力和系统刚度变化，这三种现象均属于汽轮发电机组物理变化现象，加强对这三种物理现象的研究，能够明确汽轮发电机组故障，并对有效解决上述故障。

1、冲击现象

冲击现象的产生，主要因为发电机组动静局部接触，尽管发电机组自身冲击力度不大，但是在汽轮发电机组运行时，动静局部接触会造成汽轮发电机组内部转子大幅度振动，与汽轮发电机组振动相互重合，形成冲击现象，阻碍汽轮发电机组正常运行。

2、摩擦力

摩擦作为发电机组运行时常见现象，在长时间摩擦状态下，汽轮发电机组自身性能发生变化。总的来说，汽轮发电机组摩擦会导致设备接入点转动方向异常，继而产生等同平行力，影响汽轮发电机组运转速度和稳定性。如果不对汽轮发电机组摩擦现象加以制止，势必造成汽轮发电机组阻尼力变小，在阻尼力小于摩擦力的条件下，汽轮发电机组轮轴转速降低，严重影响火电厂发电效果。对于动静接触产生的摩擦现象来说，表现为非线性摩擦，这种摩擦现象对汽轮发电机组各个方面都有严重的影响。而且发电机组摩擦和振动现象处于相辅相成的状态下，一旦汽轮发电机组出现摩擦现象，势必导致发电机组振动幅度增大。

3、系统刚度变化

汽轮发电机组的发电原理主要表现在轮轴转动过程中将动能转化为电能上，因此，在汽轮发电机组运行时，必须保证轮轴运行的稳定性和合理性。在汽轮发电机组转子和静子相互接触时，会导致汽轮发电机组机械刚度发生变化，这里所说的刚度主要表现为轴和支座等方面刚度变化，不仅仅影响汽轮转速，对汽轮发电机组发电效果和电力行业发展趋势也有很大的影响。如果不对上述状况进行有效解决，势必导致汽轮发电机组轮轴稳定性下降。

二、动静碰摩引起机组振动的机理及分类

1、动静碰摩的机理

汽轮发电机组的振动高点与转子质量不平衡位置和转子转速相关，学术上将振动高点滞后于不平衡质量的角度称为机械滞后角，当振动发生在临界转速时机械滞后角为90°，低于临界转速时发生的振动其机械滞后角小于90°，高于临界转速时发生的振动其机械滞后角大于90°。当机组由于某种因素引发动静碰摩时，转子碰摩处会产生局部热量，使转子产生不均匀膨胀或者临时性弯曲，于是将在转子上附加一定量的不平衡质量，这个附加的不平衡质量将与转子的原始不平衡质量叠加，形成一个新的不平衡质量，这个新的不平衡质量将决定机组振动的大小。通常，动静碰摩会发生在机组振动的高点，所以动静碰摩产生的附加不平衡质量方向与原始振动的方向相同。当机组在临界转速以下运行时，原始不平衡质量和附加不平衡质量叠加后形成一个更大的不平衡质量，引起机组振动上升；当机组的转速超过临界转速后，原始不平衡质量和附加不平衡质量叠加后将形成一个较小的不平衡质量，振动会降低。

2、动静碰摩的分类

按动静碰摩的方向，动静碰摩可以分为轴向碰摩和径向碰摩。当转动部件和静止部件之间的轴向间隙消失时发生的碰摩为轴向碰摩；当转动部件和静止部件之间的径向间隙消失时发生的碰摩为径向碰摩。按转子碰摩的接触面情况，径向碰摩可以分为全周碰摩和部分碰摩。当转子在其转动的一周中始终与静子保持接触时为全周碰摩；当转子在其转动的一周中只与静子部分弧段接触时为部分碰摩。

三、摩擦振动的特征

1、振幅大幅波动或迅速爬升

振幅大幅波动或迅速爬升是碰摩振动的最为明显的特征。启动过程中发生碰摩的另一个明显特征是，在转速不变时，振动仍会不断增加。工作转速下的碰摩振动，其振幅的变化可能有3种形式。

1.1振幅在一定范围内波动，可以持续很长时间，这是由连续、轻微的摩擦所造成；

1.2振幅的波动间断出现，这种现象表明动静部分时而接触、时而脱离；

1.3振幅随时间的延长以较快的速度不断爬升，振幅值短时间内就能达到跳机值。这表明动静接触始终不能脱离，摩擦程度越来越严重，形成越磨越弯、越弯越磨的恶性循环。

2、振动的频谱特征

2.1当转轴与汽封或油挡碰磨时，振动增大的主因是由转轴热弯曲引起，所以振动多以工频分量为主，谐波分量很小，有的机组甚至不出现谐波分量。

2.2若碰磨部位是转轴的外缘如叶轮、叶片、轴封套等碰触到了阻汽片或隔板等部件，振动的增大则主要是由瞬间的冲击力所造成，这种情况一般不会造成转轴的热弯曲。根据前面的理论分析，若瞬间的冲击力足够大时，振动的半频分量可能比较大，同时还可能包含有多种高阶频率分量。

四、碰摩的诊断

1、启停过程中的碰摩

大型机组启动过程中往往需要通过汽轮机和发电机的一阶或二阶临界转速，如果在低于临界转速时发生摩擦，摩擦引起的热弯曲与原始弯曲在同一方向，因此摩擦会使转子的挠度越来越大，碰摩进一步加剧。所以在临界转速附近发生动静摩擦是最危险的。一旦发生，必须迅速降低转速。在机组启动过程中，汽轮机高、中压转子比较容易发生摩擦振动。这是因为一方面汽机高压转子在整个轴系中的径向间隙最小，启动中转子与汽缸的同心度变化较大；二是蒸汽参数高、膨胀量大，汽缸容易出现变形，转子容易出现热弯曲；三是由于汽封比较长，有的汽封段接近跨中，恰与一阶振型最大部位重合，极易引起动静接触。启停过程中发生的动静碰磨，由于影响振动的因素较为明确，振动的特征明显，诊断这种故障较容易，其关键在于与转子不平衡的正确区分。

2、带负荷中的碰摩

现场具体诊断时，首先应排除与其振动特征相类似的一些振动故障，如大轴热弯曲、联轴器松动、转轴与水接触等，它与启动中碰磨的不同点主要是：

2.1振幅的波动幅度可能比启动中小，但波动持续时间长。带负荷时的碰磨，不同形式的机组或同一台机组，都会出现不同的不稳定形式。这是因为带负荷下发生的动静摩擦，接触部分金属不会很快磨损和熔化的缘故。

2.2转子热弯曲不确定带负荷时转子发生碰磨，转子是否会出现热弯曲，主要取决于碰磨的部位。当转轴本身碰磨时转子会发生热弯曲，打闸停机过临界转速振动会比开机时大；大多还会呈现明显的热不平衡特征，即振动的增大和消失存在一定的时滞。当转轴的部件如围带、叶顶等与静止部件磨碰时，转子则不会发生热弯曲，通过临界转速的振动亦变化不大。

五、结束语

由于摩擦振动的表现形式较多，而且容易与其他原因引起的振动相混淆，要针对动静碰摩发生的不同部位和原因采取不同的措施来消除。同时，应从设计、制造、安装、检修和运行等各方面采取措施预防摩擦振动的发生，方能使汽轮发电机组安全、稳定及高效地运行。

参考文献

[1]张鹏飞.汽轮发电机组突发性不稳定振动[J].湖南农机.2013(01).

[2]钟成春，段明爱，叶灿.汽轮发电机组本体大修技术探讨[J].中国高新技术企业.2013(23).