汽輪發(fā)電機組振動故障分析

汽輪發(fā)電機組振動故障分析當前第1頁\共有114頁\編于星期二\9點引言近些年來，中國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，超臨界/超超臨界等大型先進發(fā)電機組相繼投運，新技術不斷涌現(xiàn)。大容量、高參數機組的結構越來越復雜，軸系長度大大增加，在運行中會面臨更多新的振動問題。為了解決這些問題，必須開展基于狀態(tài)監(jiān)測的設備故障診斷技術的研究與開發(fā)。在設備管理工作中，如果采用狀態(tài)檢修，就能大大提高設備的可用率，減少設備重大事故的發(fā)生，設備大修間隔延長、小修頻率降低，避免了維修不足、盲目檢修和檢修過剩。這樣，不僅可有效地降低檢修費用，而且為發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行提供了可靠的技術和管理保障，因而可帶來巨大的經濟效益。為了實現(xiàn)狀態(tài)檢修，需要對設備故障有正確的認識。當前第2頁\共有114頁\編于星期二\9點汽輪發(fā)電機組軸系故障有很多類型，但其中數種常見故障的發(fā)生率占總數的80%以上，根據現(xiàn)場經驗，如果能對這些典型故障做出準確的判斷，則足以應付生產實際的需要。因此，對典型、常發(fā)故障的掌握有十分重要的工程意義。在這里主要對以下10種常見故障模式的故障機理及故障特征進行講解。

當前第3頁\共有114頁\編于星期二\9點實例機組信息某機組軸系布置圖該汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、三缸、四排汽、單軸凝汽式600MW汽輪機，型號N600-16.7/538/538-1型。汽輪機整個軸系由3根轉子加1個中間軸組成，高中壓轉子跨距6100mm，低壓轉子跨距5740mm；高中壓轉子和1號低壓轉子采用剛性聯(lián)軸器連接，低壓轉子之間通過中間軸連接；2號低壓轉子和發(fā)電機轉子采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接。機組共有7個軸承，6個支持軸承和一個推力軸承。其中支持軸承全部采用四瓦塊可傾瓦軸承。推力軸承位于高中壓缸電端的中軸承箱內，采用KINGSBURY－LEG推力軸承，推力盤兩側的支承環(huán)內各安裝10塊可滑動的推力瓦塊。當前第4頁\共有114頁\編于星期二\9點機組10種常見振動故障分析4質量不平衡引起的故障

1235轉子熱彎曲引起的故障

動靜碰摩引起的故障

轉子不對中引起的故障

自激振動引起的故障

6支撐松動引起的故障結構共振引起的故障軸承座軸向振動引起的故障轉子裂紋引起的故障汽輪發(fā)電機振動故障78910當前第5頁\共有114頁\編于星期二\9點1.1質量不平衡故障概述

轉子質量不平衡是汽輪發(fā)電機組最為常見的故障。據有關統(tǒng)計，在現(xiàn)場發(fā)生的機組振動故障中，有轉子不平衡造成的約占80%，屬于轉子質量不平衡的將達到90%左右。轉子質量不平衡是指在工程實際中，由于材料的不均勻和設計、制造及安裝的偏差，轉子的慣性主軸與旋轉軸線多少有些偏離。在轉子轉動中，偏心質量產生的離心力是個不平衡力系，傳遞到轉子的支撐軸承和基礎上將產生振動。當轉速一定時，離心力的大小正比于質量與偏心距的乘積，在平衡技術中將其稱為不平衡量，簡稱不平衡。1.質量不平衡引起的故障當前第6頁\共有114頁\編于星期二\9點1.1.1故障分類原始質量不平衡轉子質量不平衡轉動部件松動脫落當前第7頁\共有114頁\編于星期二\9點1.1.2故障后果分析安全性影響機組可靠性機組經濟性轉子發(fā)生大振動，誘發(fā)動靜碰磨，構成軸系破壞和毀機事故，這種事故在舊機組上都可能發(fā)生；對轉子將產生不平衡力沖擊，且嚴重時可能會使轉軸產生塑性彎曲變形，并有可能產生穩(wěn)定的不平衡振動。如果轉子撓曲形成快速發(fā)散，軸系破壞就會發(fā)生。若汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)轉動部件脫落故障，不僅影響機組整個軸系的安全，還會造成非計劃停機，影響整個電網。由于原始質量不平衡，反復的進行啟停機操作，對轉子以及各零部件都有損耗，促使材料疲勞或損壞，汽輪發(fā)電機組的可靠性會降低。運行中轉動部件脫落后，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)停機處理，可能會對轉子上其它部件造成影響，使其壽命降低，機組可靠性降低；原始轉子質量不平衡造成振動將使汽輪發(fā)電機組因振動過大無法正常啟機，使機組經濟性降低；如果發(fā)生轉子部件脫落導致機組破壞，會造成非計劃停機，影響機組的經濟性。如果不及時進行停機修理，將會增加維修費用，致使對經濟性造成更大的影響。當前第8頁\共有114頁\編于星期二\9點11.2質量不平衡故障機理轉子質量不平衡產生振動的機理是，轉子各橫截面的質心連線與各截面的幾何中心連線不重合，從而使轉子在旋轉時，各截面的離心力構成一個空間連續(xù)力系，轉子的撓度曲線為一連續(xù)的三維曲線，如下圖所示。式中:—不平衡質量—不平衡質量偏心距

—轉動角速度當前第9頁\共有114頁\編于星期二\9點11.3質量不平衡故障診斷汽輪發(fā)電機組轉子質量不平衡產生的原因有三個：原始不平衡；轉動過程中的部件飛脫以及轉子熱彎曲。原始不平衡是主要原因。診斷任務的生成在運行、啟機或停機過程中，5號軸承X，Y向振動值明顯增大，高于正常運行振動值和相鄰軸承振動值，則診斷該軸承所支撐的轉子段發(fā)生了故障。故障模式類的確定1）對5號軸承振動信號進行幅頻分析，計算各階振動頻譜幅值形成故障征兆集合。2）對頻譜分析數據采用主元分析方法進行特征提取。3）計算主元分析數據的貼近度，與標準模式V之間具有最大貼近度的就是它所屬的故障模式類。當前第10頁\共有114頁\編于星期二\9點1.3質量不平衡故障診斷

區(qū)分出具體的故障模式

轉子不平衡故障頻譜圖作為嚴密的診斷，汽輪發(fā)電機組的質量不平衡應該具有以下的特征：1）振動以基頻(1X)為主，同時，出現(xiàn)較小的高次諧波，整個頻譜呈所謂的“樅樹形”。2）在轉速一定時振幅和相位是穩(wěn)定的3）多次啟動振動有再現(xiàn)性4）可以排除剛度、共振等因素5）振動隨負荷變化不明顯6）軸心運動軌跡為圓形或橢圓形

轉子軸心軌跡5號瓦y方向的振動趨勢圖當前第11頁\共有114頁\編于星期二\9點1.3質量不平衡故障診斷查找故障位置不穩(wěn)定不平衡軸向位置判斷的主要依據，是軸系各轉子臨界轉速、工作轉速（空負荷、帶負荷）下振動變化量及其在軸系中的分布。依據現(xiàn)場檢測到的振動變化現(xiàn)象，可歸納為下列幾種類型：1）工作轉速下振動變化不大，第一臨界轉速下振動變化十分顯著。平衡變化是發(fā)生在轉子中部，或沿轉子長度均布。2）工作轉速和第一臨界轉速下振動變化均較大。當平衡變化發(fā)生在轉子一端，或兩端不對稱，轉子外伸端平衡變化是由轉子撓曲增大引起的，例如外伸端轉軸碰磨，也會產生這種振動特征。3）工作轉速下振動變化很顯著，第一臨界轉速下振動變化不大。平衡變化發(fā)生在轉子外伸端，從有關測點振動變化量值大小，可直接判明平衡變化是發(fā)生在轉子外伸的哪一端。當前第12頁\共有114頁\編于星期二\9點1.3質量不平衡故障診斷查找故障原因在對故障發(fā)生的故障模式確認后，對原始質量不平衡故障原因查找知識庫中相對應的規(guī)則進行逐條驗證，得到各查找規(guī)則結論的可信度。只要可信度不為零，那么所搜索得到的故障原因就都可能存在。原始質量不平衡的原因主要有：結構不合理，制造誤差大，動平衡精度低，材質不均等。查找故障影響對故障發(fā)生的位置和原因確認后，對故障產生的影響進行查找。對故障影響查找知識庫中的規(guī)則進行逐條驗證，根據規(guī)則匹配，得到故障影響。當前第13頁\共有114頁\編于星期二\9點1.3質量不平衡故障診斷查找故障處理措施出具故障診斷報告對故障產生的位置、原因和影響確認后，對故障的處理措施進行查找。對故障處理措施查找知識庫中的規(guī)則進行逐條驗證。根據規(guī)則匹配，得到相應的故障處理措施，如：（1）按技術要求對轉子進行動平衡；（2）轉子除垢，進行修復。在上述幾步工作都完成之后，出具一份故障診斷報告，供檢修人員決策參考，確定檢修計劃。診斷報告主要內容包括：故障診斷任務故障模式故障位置故障原因故障影響故障處理措施當前第14頁\共有114頁\編于星期二\9點11.4機組監(jiān)測要求振動監(jiān)測值

現(xiàn)場測點信號如下：（1）鍵相（2）機組X、Y向軸振（3）機組垂直方向瓦振（4）軸承入口油溫、回油溫度（5）轉子偏心（6）油壓（7）負荷（8）轉速（9）蒸汽流量測點要求當前第15頁\共有114頁\編于星期二\9點2.1轉子熱彎曲故障概述

轉子受熱后出現(xiàn)的彎曲變形稱為熱彎曲。熱彎曲將導致轉子平衡狀態(tài)的變化，因此熱彎曲又稱為熱不平衡。轉子熱不平衡是指轉子受熱后（如機組帶有功負荷或發(fā)電機轉子加勵磁電流后）產生附加的不平衡力而出現(xiàn)振動改變的現(xiàn)象。熱彎曲是一種機組較為常見的振動故障，引起熱彎曲的原因也是多種多樣。針對整個汽輪發(fā)電機組而言，可分為兩部分來研究熱彎曲故障，包括汽輪機轉子熱彎曲和發(fā)電機轉子熱彎曲。2.轉子熱彎曲引起的故障當前第16頁\共有114頁\編于星期二\9點熱彎曲故障對機組影響后果分析如下：

安全性影響機組可靠性機組經濟性轉子一旦發(fā)生熱彎曲故障，機組軸振、瓦振將明顯超標，甚至會引發(fā)機組跳機，嚴重影響了機組的安全運行。由于汽輪機汽封等間隙較小，當熱彎曲產生的振動增大到一定程度，會引起轉子出現(xiàn)動靜碰摩，發(fā)生摩擦振動，使熱彎曲量繼續(xù)增大，振動也就不斷增大，產生惡性循環(huán)，嚴重時會形成永久彎曲。中心孔積油引起的汽輪機轉子熱彎曲，振動隨負荷增加及運行時間的延長而較快增大，數十分鐘或1～2h振動就會超限。轉子熱彎曲故障由于引發(fā)原因的不同，對汽輪機組可靠性的影響也有顯著的不同。例如動靜摩擦、汽缸進水引起的轉子熱彎曲，再控制、處理不恰當的情況下甚至可以導致轉子發(fā)生永久性彎曲，縮短了機組轉軸的使用壽命。汽輪發(fā)電機轉子發(fā)生永久性彎曲事故，是火力發(fā)電廠的重大惡性事故之一，它不僅增加機組非計劃停運時間，而且還要耗用相當多的檢修費用，造成重大經濟損失和嚴重的不良影響。當前第17頁\共有114頁\編于星期二\9點12.2轉子熱彎曲故障機理汽輪機轉子在高溫和高壓的蒸汽介質中工作，發(fā)電機轉子在投入勵磁電流后也會被加熱。一般來說，轉子溫度的均勻增加只會引起長度的增加，而不會使轉子產生彎曲。之所以發(fā)生彎曲，是由于轉子截面存在著某種不對稱的因素，包括溫度不對稱、受力不對稱、材質不對稱等，左下圖轉子上下表面溫度不等，右下圖中由于摩擦效應在轉子表面產生的軸向力F。當前第18頁\共有114頁\編于星期二\9點12.3轉子熱彎曲故障診斷

轉子熱彎曲的故障特征

轉子熱彎曲故障模式的確定

轉子熱彎曲故障位置的判定

轉子熱彎曲故障原因的查找

轉子熱彎曲故障的處理措施當前第19頁\共有114頁\編于星期二\9點2.3.1轉子熱彎曲的故障特征汽輪機轉子熱彎曲的故障特征(1)特征頻率為1X；(2)振幅不會發(fā)生跳躍式的變化，振動的相位不穩(wěn)定；(3)振動隨轉速的變化關系明顯；(4)振動隨負荷的變化關系明顯；(5)停機過程的振動會明顯高于啟動過程發(fā)電機轉子熱彎曲故障特征(1)振動與勵磁電流有密切關系。(2)發(fā)電機轉子冷卻系統(tǒng)不均勻引起熱彎曲時，冷卻介質入口溫度越低，則振動越大；入口溫度越高，則振動越小。(3)發(fā)電機轉子出現(xiàn)的熱彎曲大多是暫態(tài)彎曲。(4)因摩擦效應導致轉子出現(xiàn)不均勻軸向力引起的熱彎曲，振動的增大具有一定的突發(fā)性。(5)發(fā)電機轉子熱彎曲分為可逆和不可逆兩者情況。當前第20頁\共有114頁\編于星期二\9點2.3.2轉子熱彎曲故障模式的確定1.依據軸承的振動信號的頻譜分析正向推理，機組各瓦振動以基頻為主的普通強迫振動，確定故障屬于1X故障類。2.依據確定的故障特征作為模式確定判據，進行反向推理，為每一條故障特征設置故障模式確認權重，匹配故障模式。2.3.3轉子熱彎曲故障位置的判定一般熱彎曲故障位置的判定就是依據振動信號異常的位置來確定。譬如由3號軸瓦的異常振動診斷出熱彎曲故障，則故障應該是發(fā)生在1號低壓缸的。當前第21頁\共有114頁\編于星期二\9點2.3.4熱彎曲故障原因

汽輪機轉子熱彎曲原因

（1）轉軸上內應力過大，轉軸材質不均。（2）汽輪機葉輪的輪轂之間或軸上其他套裝零件與軸凸臺之間軸向間隙不足或不均勻。（3）轉軸存在徑向不對稱溫差。（4）轉子與水或冷蒸汽接觸。（5）動靜摩擦。發(fā)電機轉子熱彎曲原因（1）轉子鍛件材質不均勻。（2）匝間短路。（3）冷卻系統(tǒng)故障。發(fā)電機轉子的冷卻方式分為空冷、水冷和氫冷。它們都可能出現(xiàn)冷卻系統(tǒng)故障。（4）絕緣變化。（5）轉子線圈膨脹受阻。（6）轉軸上套裝零件失去緊力。（7）楔條緊力不一致。當前第22頁\共有114頁\編于星期二\9點2.4機組熱彎曲故障監(jiān)測要求

測點要求

（1）機組X、Y方向軸振（2）機組垂直方向瓦振（3）負荷（4）勵磁電流（5）轉速（6）機組疏水、蒸汽管路（7）汽缸溫度（8）大軸彎曲值測量值(1)測取機組啟停機時，各瓦和轉軸通頻、基頻振幅和相位(2)測取振動較大軸瓦和轉軸，在空負荷、帶負荷運行時，通頻、基頻振幅和相位(3)若振動較大軸承，為發(fā)電機支持軸承，測取在不同勵磁電流下，軸瓦振幅當前第23頁\共有114頁\編于星期二\9點12.5熱彎曲故障解決措施(1)如果發(fā)電機轉子的振動與冷卻介質的溫度有關，這時需要進行轉子通風試驗和流量試驗（來確定局部堵塞部位，然后進行反沖洗，疏通冷卻通道。(2)當懷疑發(fā)生繞組局部短路或匝間短路時，需要進行一些電氣試驗查找短路部位，如氣隙探測繞組實驗。發(fā)電機轉子熱彎曲故障解決措施

對于汽輪機轉子熱彎曲產生的振動，如果振動在限值以內，也可不予考慮。當超過限值，但振動增量相對不大且較為穩(wěn)定，以及無法查明熱彎曲原因，或已查明原因但一時無法處理時，則可以考慮對汽輪機轉子進行熱平衡，補償一部分熱彎曲產生的質量不平衡。汽輪機轉子熱彎曲故障對策

當前第24頁\共有114頁\編于星期二\9點3.1動靜碰摩故障概述

3.1.1動靜碰摩故障分類3.動靜碰摩引起的故障按碰摩方向分類按轉子摩擦的接觸面情況（徑向碰摩）徑向碰摩軸向碰摩按碰摩的位置（徑向碰摩）全周碰摩部分碰摩轉動部分的摩擦部位在非轉軸的轉動部件

轉動部分的摩擦直接發(fā)生在轉軸本身當前第25頁\共有114頁\編于星期二\9點3.1.2動靜碰摩故障后果分析安全性影響機組可靠性機組經濟性由可靠性概念可知，動靜碰摩故障的嚴重程度對于機組的可靠性運行具有重大的影響。動靜碰摩可以導致機組部件的磨損、破壞，甚至引起轉軸彎曲，直接影響了機組的使用壽命。隨著大型機組對效率的不斷提高，動靜間隙變小，碰摩可能性增加。當前，大型機組的碰摩振動故障的發(fā)生率僅次于質量不平衡故障的發(fā)生率，稱為大機組的第二大類振動故障。碰摩使轉子產生非常復雜的運動，輕者使機組出現(xiàn)強烈振動，嚴重的可造成轉軸永久性彎曲，甚至整個軸系破壞。要想避免在機組啟動過程中發(fā)生軸封動靜碰摩，首先要在機組的檢修過程中調整好軸封間隙，軸封間隙偏大，雖然可以有效地防止動靜碰摩，但會增加軸封汽泄露損失，降低機組的經濟性能；反之，如果軸封間隙偏小，經濟性是提高了，但安全性又成了問題。因此，需要根據機組的安裝、調試、檢修和運行情況，確定一個恰當的軸封間隙，兼顧機組的經濟性與安全性。當前第26頁\共有114頁\編于星期二\9點13.1.3轉軸碰摩故障機理當前第27頁\共有114頁\編于星期二\9點13.1.4動靜碰摩故障診斷動靜碰摩故障振動信號特征

啟停中轉軸碰摩診斷

工作轉速下轉軸碰摩診斷

機組動靜碰摩的識別

當前第28頁\共有114頁\編于星期二\9點3.1.5機組動靜碰摩的故障征兆當前第29頁\共有114頁\編于星期二\9點3.1.5機組動靜碰摩的故障征兆當前第30頁\共有114頁\編于星期二\9點測點布置

（1）鍵相（2）機組X、Y向軸振（3）機組垂直方向瓦振（4）軸向位移（5）脹差（6）真空度（7）負荷（8）汽缸溫度（9）凝汽器水位監(jiān)測方法在啟動中轉軸碰摩危害最大的是高、中亞轉子。平時不論1、2、3號瓦軸振是否較大，在啟動中必須重點監(jiān)測這些軸瓦的軸振或瓦振。使用振動表或振動儀應連續(xù)觀察1～2min振幅(不測相位也可以)與時間的關系，才能捕捉到轉軸碰摩振動特征。因此診斷轉軸碰摩最為有效的振動監(jiān)測方式是連續(xù)監(jiān)測。13.1.6機組動靜碰摩監(jiān)測當前第31頁\共有114頁\編于星期二\9點13.1.7動靜接觸的原因（1）汽缸跑偏或基礎不均勻沉陷。（2）蒸汽溫度的變化。如果蒸汽溫度的變化過于劇烈，將引起靜止部件的變形。（3）汽缸進水和保溫不良。（4）排汽缸的快速加熱和冷卻。（5）汽封損壞。（6）暖機不充分，在轉子存在較大晃度的情況下開機。（7）劇烈振動。當前第32頁\共有114頁\編于星期二\9點13.1.8碰摩故障解決措施當出現(xiàn)動靜碰摩時，現(xiàn)場采取的一個有效措施就是在控制軸振動、保證機組運行安全的前提下進行“磨合”。在啟動過程中，機組發(fā)生動靜摩擦時不能強行升速，否則容易造成大軸永久彎曲。如果轉速在臨界轉速一下，應該立即打閘停機，盤車一段時間正常后再啟動；如果在臨界轉速以上，則在振動可以控制的轉速上多停留一段時間，磨合出一定的間隙后再升速。如果摩擦發(fā)生在帶負荷階段，只要控制振動在一定的變化范圍，可以觀察運行一段時間，以磨合出適當的間隙；如果振動不斷增加，應該降低負荷或打閘停機，以免危害機組安全。當前第33頁\共有114頁\編于星期二\9點

自激振動是由于系統(tǒng)自身的運動誘發(fā)的振動，其機理和特點與強迫振動有本質不同。汽輪發(fā)電機組自激振動包括軸承自激振動和汽流激振，前者由軸承的油膜力引起，后者由蒸汽力引起。4.自激振動故障4.1自激振動振動系統(tǒng)由于自身運動引發(fā)的振動稱為自激振動。當系統(tǒng)失穩(wěn)力大于阻尼力時，振動發(fā)散，稱為振動系統(tǒng)失穩(wěn)。

實際系統(tǒng)自激振動的振幅不會無限增大，其正阻尼和負阻尼都與振幅有關：在振幅增大過程中，正阻尼增大，負阻尼減小；當振幅達到一定值時，正負阻尼相等，此時振幅停止增長。當前第34頁\共有114頁\編于星期二\9點單輪盤轉子的力系

對于轉子系統(tǒng)而言，轉子離心力與彈性恢復力在連線上，阻尼力與失穩(wěn)力與垂直，兩者方向相反。如果失穩(wěn)力大于阻尼力，則系統(tǒng)失穩(wěn)。當前第35頁\共有114頁\編于星期二\9點

軸瓦自激振動是現(xiàn)場較常見的一種自激振動，它常常發(fā)生在機組啟動升速過程中，特別是在超速時。當轉子轉速升到某一值時，轉子突然發(fā)生渦動使軸瓦振動增大，而且很快波及軸系各個軸瓦，使軸瓦失去穩(wěn)定性，這個轉速為失穩(wěn)轉速。軸瓦自激振動對機組影響后果有：4.2軸承自激振動安全性影響機組可靠性機組經濟性

油膜振蕩造成大振動導致轉子軸系破壞和機組毀壞；振動過大導致動靜碰摩，引起轉子彎曲或斷裂；

由于軸瓦自激振動造成的停機，它不僅增加機組非計劃停運時間，而且還要耗用相當多的檢修費用，造成重大經濟損失和嚴重的不良影響。

油膜渦動造成軸系穩(wěn)定性降低，誘發(fā)轉子失穩(wěn)，致使軸系可靠性降低；油壓波動，造成鎢金瓦疲勞破壞或損壞軸頸，導致軸系可靠性降低；相對振動過大引起支撐部分損壞或導致軸瓦預緊力喪失，機組可靠性降低；當前第36頁\共有114頁\編于星期二\9點

汽輪機和發(fā)電機轉子支承在滑動軸承上。轉子轉動時軸頸與軸瓦之間形成一層很薄的油膜，這層油膜避免了軸頸與軸瓦的直接接觸。潤滑油帶走軸承中摩擦產生的熱量，保證工作溫度正常。4.2.1軸瓦自激振動機理當前第37頁\共有114頁\編于星期二\9點4.2.1.1軸瓦自激振動分類半速渦動是指轉子軸頸在作高速運轉的同時，還圍繞軸頸某一平衡中心作公轉運動。如果轉子軸頸主要是由于油膜力的激勵作用引起的渦動，則軸頸的渦動速度接近軸頸轉速的一半，故稱半速渦動。這種振動的振幅始終不大，而且在機組加速過程中，永遠不會與轉子的第一臨界轉速發(fā)生共振，因此對機組安全一般不會造成嚴重威脅。一、半速渦動二、油膜振蕩當軸頸轉速升高到第一臨界轉速兩倍的附近時，渦動頻率與轉子的第一臨界回轉頻率重合，轉子軸承系統(tǒng)會發(fā)生激烈共振，這種渦動就是變?yōu)橛湍ふ袷?，其特點是來勢很猛，瞬時振幅突然升高，很快就會發(fā)生局部油膜破裂，引起軸頸與軸瓦之間的劇烈摩擦，結果會嚴重損壞軸承和轉子。當前第38頁\共有114頁\編于星期二\9點4.2.1.2軸瓦自激振動的原因軸頸擾動過大，不是指轉子暫態(tài)瞬間產生的擾動，而是指穩(wěn)定的擾動，進一步說是指軸頸與軸瓦之間的相對振動，簡稱轉軸振動。一、軸頸擾動過大二、轉子熱彎曲與轉子永久彎曲運行的機組中，產生熱彎曲是一種較為常見的振動故障。如果軸瓦突然發(fā)生自激振動，而且與機組的有功負荷有著一定得對應關系，例如有功負荷增加越快，振動越劇烈，這種現(xiàn)象大部分是由于轉子發(fā)生熱彎曲所致。三、軸承座剛度過大增大軸承座的動剛度雖然能單純減少軸瓦的振動，但是這會引起轉軸相對振動的增大，對軸瓦穩(wěn)定運行不利。當前第39頁\共有114頁\編于星期二\9點

當汽輪發(fā)電機組上發(fā)生的低頻振動的頻率接近轉子轉動頻率的一半時，在絕大多數情況下，如不是蒸汽激振，就是油膜失穩(wěn)。由于蒸汽激振一般發(fā)生在汽輪機高壓轉子的軸承上，并且對負荷或壓力敏感，振動的重復性好，較易于判斷。油膜振蕩的頻率與轉子第一臨界轉速相近，而且一旦發(fā)生，不論轉速升至多高，振蕩的頻率將始終保持為轉子第一臨界轉速的頻率，所以易于診斷。4.2.2軸承自激振動的診斷范圍(或部位)特征自激振動的特征4.2.2.1自激振動的特征某機組運行時監(jiān)測參數顯示振動異常，通過觀察分析頻譜圖，振動頻率有很大的低頻分量，頻率為25Hz，并且主要集中在1和2號軸瓦上，1號瓦的低頻分量最大達到了120um左右，工頻以及倍頻低于均50um，可以知道振動過大的原因主要是低頻分量引起的。當前第40頁\共有114頁\編于星期二\9點特性(或影響后果)特征：（1）振幅在瞬間突然增大（2）振動達到高位后仍不穩(wěn)定（3）頻率（4）振動的突發(fā)性（5）與負荷無關（6）異音（7）低頻分量問題當前第41頁\共有114頁\編于星期二\9點現(xiàn)場自激振動診斷可以分為振動性質的診斷和具體故障原因的診斷兩個步驟。4.2.2.2現(xiàn)場故障診斷及測點信號要求1）振動性質的診斷2）軸頸擾動是否過大3）軸瓦自激振動源的診斷◆振動頻率◆低頻振動呈現(xiàn)的次序◆垂直振動幅值4）了解同型機組相同軸瓦的運行情況當前第42頁\共有114頁\編于星期二\9點分諧波共振、軸瓦自激振動、汽流激振的特性區(qū)分當前第43頁\共有114頁\編于星期二\9點機組測點信號及監(jiān)測要求如下：機組X、Y向軸振，機組垂直方向瓦振，軸承入口油溫、回油溫度，軸承鎢金溫度，軸承標高，頂軸油壓，負荷，軸瓦頂隙，軸承型式信號閾值：X、Y向軸振：低頻振幅<100μm（報警）；瓦振：低頻振幅<80μm（報警）；入口油溫：40～48℃；回油溫度：<50℃；（65℃上限報警）軸瓦頂隙：頂隙比1.2～1.5‰；鎢金瓦溫度：<60℃（80℃上限報警）頂軸油壓判據：低于標準值標高變化：<-0.2mm當前第44頁\共有114頁\編于星期二\9點現(xiàn)場經常采用以下措施消除軸瓦的自激振動：（1）提高油溫（2）調整中心（3）調整軸承頂隙（4）增加軸承比壓（5）消除軸瓦的缺陷（6）調整平衡（7）軸承類型對穩(wěn)定性的影響4.2.3處理措施描述軸承動態(tài)特性的一個綜合指標是承載系數，又稱為索馬費爾德數?？梢钥闯鯯越大，軸承的穩(wěn)定性越高。承載系數取決于比壓、間隙比、潤滑油黏度和軸頸轉速這幾個參數。比壓和間隙比越大、潤滑油黏度越小，則越大，軸承的穩(wěn)定性越高。當前第45頁\共有114頁\編于星期二\9點汽流激振的機理（1）靜態(tài)力（2）動態(tài)力4.3汽流激振安全性影響機組可靠性機組經濟性蒸汽激振造成大振動導致轉子軸系破壞和機組毀壞；振動過大導致動靜碰摩，引起轉子彎曲或斷裂；蒸汽激振引起的不穩(wěn)定振動是限制超臨界機組出力的重要因素，直接影響了機組的可用率；對于調整靜葉與動葉軸向間隙或頂隙等避免蒸汽激振的措施，會導致機組內效率降低，直接影響機組的經濟性；對于蒸汽激振引起的非計劃停機，將給電廠造成經濟損失。蒸汽激振造成軸系穩(wěn)定性降低，誘發(fā)轉子失穩(wěn)，致使軸系可靠性降低；油壓波動，造成鎢金瓦疲勞破壞或損壞軸頸，導致軸系可靠性降低；汽流激振是由于汽流力引起的自激振動。為了提高機組效率，通常采用提高蒸汽參數的方法。這就產生了一種可以導致軸承失穩(wěn)的激振力。汽流激振在高參數汽輪機上尤為突出，特別是高壓轉子。當前第46頁\共有114頁\編于星期二\9點（1）靜態(tài)力

采用噴嘴調節(jié)的汽輪機，蒸汽除了在轉子調節(jié)級葉片上產生力偶而使轉子旋轉之外，還有一個作用于轉子中心的力。因調節(jié)閥開啟順序的原因，可能使此力成為抬起轉子的恒定力，從而減小轉子的比壓，使轉子失穩(wěn)。（2）動態(tài)力

汽輪機的轉動部分與靜止部分之間有一定的間隙，比保證運行時不發(fā)生動靜摩擦。為了減小蒸汽的泄漏，汽輪機都裝有汽封裝置。在蒸汽通過汽封時，每通過一個汽封齒就產生一個次節(jié)流作用，蒸汽的壓力隨之降低。機組經濟性4.3.1汽流激振的機理作用在轉子上的蒸汽激振力可分為靜態(tài)力和動態(tài)力兩類。靜態(tài)力是指恒定的力，而動態(tài)力是交變的。這兩類力都可以引起汽流激振。當前第47頁\共有114頁\編于星期二\9點特性(或影響后果)特征（1）振動頻率為工作轉速的一半，即屬于半頻。（2）振動與負荷有關，有良好的再現(xiàn)性。（3）低頻振動有個一門檻值。（4）與軸承自激振動的區(qū)別：發(fā)生的部位；與負荷的關系。4.3.2汽流激振的診斷4.3.2.1汽流激振特征范圍(或部位)特征在運行、啟機或停機過程中，某個軸承X，Y向振動值明顯增大，高于正常運行振動值和相鄰軸承振動值，則診斷該軸承所支撐的轉子段發(fā)生了故障。當前第48頁\共有114頁\編于星期二\9點造成機組激流激振的原因主要有以下幾個方面：1）轉子與汽缸同心度偏差大2）動葉與靜葉（噴嘴）之間的軸向間隙過大3）氣門開啟順序不合適4）軸瓦穩(wěn)定性差5）轉子不平衡現(xiàn)場診斷機組汽流激振具體原因和部位步驟如下：1）查看轉子是否存在不平衡，如果存在首先消除轉子不平衡2）查看調節(jié)氣門開啟順序，看是否存在單側進汽的情況3）查找轉子中心，檢查轉子與汽缸同心度，看是否存在偏差過大的情況4）調整動葉和靜葉之間的軸向間隙5）查看軸承型式，潤滑油溫度，軸承標高等影響軸瓦穩(wěn)定性的因素4.3.2.2汽流激振的診斷方法和步驟（1）振動類別和故障性質判斷（2）汽流激振原因以及故障部位的診斷當前第49頁\共有114頁\編于星期二\9點機組測點信號及監(jiān)測要求如下：機組X、Y向軸振機組垂直方向瓦振負荷軸承型式機組同心度氣閥開啟順序信號閾值：X、Y向軸振：1#、2#軸振低頻振幅<100μm（報警）；瓦振：1#、2#瓦低頻振幅<80μm（報警）；機組同心度：偏差<0.2mm4.3.2.3測點信號要求當前第50頁\共有114頁\編于星期二\9點（1）增加軸瓦比壓增加在軸瓦單位垂直投影面積上的軸承載荷，可以提高軸承工作的穩(wěn)定性。在現(xiàn)場應用最多的方法是縮短軸瓦長度，降低長徑比。（2）減小蒸汽靜態(tài)力蒸汽向上的靜態(tài)力使軸承比壓降低，可通過改變調節(jié)閥的開啟順序或開啟重疊度盡量減小這樣的靜態(tài)力。但要通過反復試驗才能找到最佳的開啟方式。（3）減小蒸汽激振力蒸汽激振力與蒸汽密度和級前后壓差成正比，這是汽流激振發(fā)生在大功率高參數汽輪機上的原因所在。激振力還與汽封的結構、長度、間隙的大小有關，且其隨著徑向間隙的增大而減小，隨著軸向間隙的增大而增大。4.3.3處理措施當前第51頁\共有114頁\編于星期二\9點（4）減少軸瓦頂隙與擴大兩側間隙這種措施就是增加軸承的橢圓度，提高軸瓦的穩(wěn)定性，它比單純提高軸瓦比壓活減少長徑比等其他措施有效。（5）降低潤滑油的粘度潤滑油的粘度越大，油分子間的凝聚力也越大，軸頸旋轉時所帶動的油分子也越多，油膜厚度就越大，穩(wěn)定性也越差。（6）增大上瓦的軸襯寬度增大上瓦的軸襯寬度，以便形成油膜，可以提高上瓦的油膜力，增強軸瓦的穩(wěn)定性。當前第52頁\共有114頁\編于星期二\9點

汽輪發(fā)電機組是多轉子連接而成的軸系，轉子之間由聯(lián)軸器連接。對中是指在運行狀態(tài)下，軸系中各個轉子的中心線在一連續(xù)的軸線上，并使各軸承的負荷滿足設計要求。如果不能達到這樣的要求，則稱為不對中。5.轉子不對中引起的故障5.1轉子不對中

轉子不對中是汽輪發(fā)電機組及輔機設備最常發(fā)生的故障之一。當轉子系統(tǒng)出現(xiàn)不對中后，在其運動過程中將產生一系列不利于設備運行的動態(tài)效應，引起設備的振動、聯(lián)軸器的偏轉、軸承的磨損和油膜失穩(wěn)、轉軸的撓曲變形等，危害極大。根據國外相關資料介紹，60%-70%的旋轉機械振動故障由軸系不對中引起或與之相關。存在不對中故障的汽輪發(fā)電機組若長期運行,有可能產生非常嚴重的后果。因此,研究大型汽輪發(fā)電機組軸系不對中故障的振動特征、振動診斷及處理方法就有較大的經濟價值。當前第53頁\共有114頁\編于星期二\9點聯(lián)軸器不對中聯(lián)軸器不對中是指相鄰兩根轉軸軸線不在同一直線上，或不是一條連續(xù)的光滑曲線，在聯(lián)軸器部位存在拐點或階躍點。聯(lián)軸器不對中包括三種情況：一是聯(lián)軸器端面與軸心線不垂直（端面瓢偏）形成偏角不對中；二是聯(lián)軸器的有關圓柱面和連接螺栓孔節(jié)圓中心和軸頸不同心（圓周偏差）形成平行不對中；三是前兩種不對中的組合，即平行偏角不對中。

軸承不對中軸承不對中包括偏角不對中和標高變化兩種情況。目前多使用自位軸承，一般的軸承偏角不對中容易消除。但軸承位置標高的變化會使軸承載荷重新分配，從而影響整個軸系的穩(wěn)定性。5.1.1故障的分類轉子不對中分類示意圖當前第54頁\共有114頁\編于星期二\9點5.1.2故障的后果分析安全性影響機組可靠性

誘發(fā)大幅的同步相對轉軸振動,造成動靜間隙周向不均,可能誘發(fā)動靜碰摩故障。由于支撐負荷變化,造成軸系臨界轉速變化,激發(fā)結構共振。軸承不對中導致高壓汽輪機汽封間隙不均勻誘發(fā)間歇激振。高(中)壓轉子的嚴重不對中可誘發(fā)大負荷工況下的低頻振動。

軸承載荷發(fā)生變化,輕載軸瓦可能發(fā)生失穩(wěn)問題,過載軸瓦的瓦溫可能超限。由于軸承不對中造成各軸承負荷分配變化和軸承的動特性變化,從而影響整個轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于支撐負荷變化造成工作轉速下軸系振型的變化,使轉子不平衡敏感度發(fā)生變化。不對中的一對軸承,負荷大的軸承油膜吳現(xiàn)較大的非線性,在不平衡擾動力的作用下,在一定的條件下可導致軸振動出現(xiàn)各種諧波響應。當前第55頁\共有114頁\編于星期二\9點聯(lián)軸器不對中軸承不對中經過分析可知，平行不對中時振動頻率為轉子工頻的兩倍。偏角不對中使聯(lián)軸器附加一個彎矩，彎矩的作用是力圖減小兩軸中心線的偏角。軸旋轉一周，彎矩作用方向交變一次，因此，偏角不對中增加了轉子的軸向力，使轉子在軸向產生工頻振動。平行偏角不對中是以上兩種情況的綜合，當轉子運轉時，就有一個兩倍頻的附加徑向力作用于靠近聯(lián)軸器的軸承上，有一個同頻的附加軸向力作用于止推軸承上，從而激勵轉子發(fā)生徑向和軸向振動。軸承不對中實際上反映的是軸承座標高和左右位置的偏差。由于結構上的原因，軸承在水平方向和垂直方向上具有不同的剛度和阻尼，不對中的存在加大了這種差別。雖然油膜既有彈性又有阻尼，能夠在一定程度上彌補不對中影響，但當不對中過大時，會使軸承的工作條件改變，使轉子產生附加的力和力矩，甚至使轉子失穩(wěn)和產生碰摩。5.2轉子不對中引起的振動機理當前第56頁\共有114頁\編于星期二\9點5.2.1轉子不對中的原因分類一、設計對中考慮不夠及計算偏差；二、安裝找正誤差和對熱態(tài)轉子不對中量考慮欠佳；三、運行操作上超負荷運行和機組保溫不良，軸系各轉子熱變形不一；四、機器基礎、底座沉降不均使對中超差和軟地腳造成對中不良；五、環(huán)境溫度變化大，機器熱變形不同。當前第57頁\共有114頁\編于星期二\9點5.2.2轉子不對中的振動特征分析畸變過程正常運行狀態(tài)圖故障運行狀態(tài)圖軸系不對中本身不會產生振動，主要影響到油膜性能和阻尼，在轉子不平衡時，由于軸承不對中對不平衡力的反作用，會出現(xiàn)工頻振動；當其不對中過大時，有可能使轉子失穩(wěn)或產生碰摩，在一定條件下會出現(xiàn)高次諧波振動(負荷大時)或引起油膜渦動進而導致油膜振蕩(負荷輕時)。而軸系不對中將導致軸向、徑向交變力，引起其振動特征頻率為轉子工頻的軸向振動和2倍頻分量的徑向振動。對于齒式聯(lián)軸器,平行不對中時產生以軸向為主的振動，角度不對中及綜合不對中時和剛性聯(lián)軸器不對中一樣，會產生徑向振動和軸向振動。機組正常時，其軸心軌跡是一個較為穩(wěn)定的規(guī)則橢圓。而機組異常時，軸心軌跡圖畸變?yōu)楸粨p傷的香蕉形，如圖所示。某機組3號軸承振動異常時頻譜圖當前第58頁\共有114頁\編于星期二\9點

轉子不對中故障的診斷主要是利用故障的特征進行差別診斷，產生不對中故障的原因主要有：聯(lián)軸器安裝精度未達到要求值、機組超負荷、凝汽器真空和水位發(fā)生變化，軸承標高發(fā)生變化。5.3不對中故障的診斷范圍(或部位)特征

某電廠的汽輪發(fā)電機組3號軸承在正常運行過程中，振動幅值呈逐步平緩上升趨勢，機組正常時，垂直方向和水平方向上均呈現(xiàn)出平穩(wěn)的等幅正弦波；其通頻雙振幅值，垂直方向上為8μm，水平方向上為38μm，而機組異常時，垂直、水平兩方向上的波形均發(fā)生畸變，尤其在水平方向上呈現(xiàn)出明顯的工頻、2倍頻迭加的“M”形波形；其通頻雙振幅值，垂直方向上為42μm，水平方向上為64μm，且已超過振動標準的“良好”，其振值是正常時的1.7倍。為避免設備運行狀態(tài)惡化，需查找故障源消除異常振動。5.3.1故障特征分析當前第59頁\共有114頁\編于星期二\9點

汽輪發(fā)電機組在運轉過程中出現(xiàn)的故障很多，這些故障引起轉子振動的異常變化，我們檢測到的信號中包含著很多的故障信息，通過對振動信號的分析，就可以發(fā)現(xiàn)這些異常變化，進而推斷出故障發(fā)生的原因。運用的分析方法有頻譜分析法，就是通過分析振動頻率和幅值的關系來判斷引起振動的原因，這種方法是分析振動故障的一種重要手段。①對聯(lián)軸器兩側的轉子徑向振動和軸向振動進行頻譜分析②不對中故障是屬于普通強迫振動③在普通強迫振動中，有質量不平衡、剛度降低、共振和不對中等故障④當轉子徑向振動和軸向振動的頻譜中出現(xiàn)較大的二倍頻（2X）和其他高倍頻，且二倍頻為主要特征信號，這樣就具有不對中故障的特征，同時可以排除基頻故障的可能。⑤轉子故障的不同，反映出來的軸心軌跡有很大的差異⑥另外，根據轉子不對中故障的其他相關特征對故障進行核實確認⑦如果軸向振動大于徑向振動，聯(lián)軸器兩側軸承測量的軸向振動相位差基本為180°

⑧軸承不對中包括偏角不對中和標高變化兩種情況5.3.2診斷方法當前第60頁\共有114頁\編于星期二\9點監(jiān)測要求（1）監(jiān)測參數（2）振動監(jiān)測閾值5.3.3現(xiàn)場測點布置及振動標準測點布置每一個軸瓦建議安裝兩個相互垂直的傳感器。對于機組長期運行的振動監(jiān)測，可以在軸瓦處只安裝一個傳感器，但由于軸瓦的油膜剛度在各方向都不同，不同方向軸振幅值也不同，因此最好每個軸瓦安裝兩個傳感器。特殊情況下，可以裝一個。當前第61頁\共有114頁\編于星期二\9點診斷轉子不對中需監(jiān)測參數和某300MW機組參考參數值當前第62頁\共有114頁\編于星期二\9點①在安裝和檢修過程中應嚴格進行軸系找中、在運行過程中應避免對機組軸系形成沖擊負荷,才能保證大型汽輪發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定、經濟運行。②提高檢修和工藝水平，安裝保證聯(lián)軸器無飄偏和偏心，處理接觸面銹蝕和改進潤滑系統(tǒng)，消除滑銷系統(tǒng)卡澀，消除支撐軸承標高偏差。③控制機組的負荷符合規(guī)定，禁止機組超負荷運行。④如果是由于支撐軸承標高的變化導致的軸承不對中，查找影響軸承中心的因素如：軸承座垂直方向的熱膨脹、油膜厚度的影響、基礎框架受熱不均的影響、凝汽器水位和真空的影響。5.4處理措施當前第63頁\共有114頁\編于星期二\9點

支承松動引起系統(tǒng)的結構剛度變小，很小的激振力會引起較大的振動。支承松動引起的振動屬于強迫強迫振動的范疇，由于因為松動引起的振動不穩(wěn)定，所以大部分振動是不穩(wěn)定的，可以看作非定常強迫振動。6.1支撐松動故障概述6.支撐松動引起的故障安全性影響機組可靠性機組經濟性

共振造成大振動導致轉子軸系破壞和機組毀壞；振動過大導致動靜碰摩，引起轉子彎曲或斷裂；

結構共振造成振動將限制機組負荷或停機，使機組經濟性降低；如果發(fā)生大振動導致機組破壞將會增加維修費用，致使經濟性降低。

偏移方向發(fā)生改變，造成本體部件配合錯位，致使可靠性降低；容易使振動部件疲勞破壞，導致機組可靠性降低。當前第64頁\共有114頁\編于星期二\9點

系統(tǒng)振動是由兩方面決定的，即激振力和軸承剛度。支撐松動會影響軸承剛度，進一步使系統(tǒng)振動增大。（1）連接螺栓松動。（2）軸承座與臺板接觸不好。（3）墊鐵松動。（4）汽缸的膨脹不暢、滑銷系統(tǒng)的卡澀。（5）結構形式。（6）大型機組軸承座徑向振動多發(fā)生在低壓缸軸承上。以下因素可以導致支承剛度的降低：6.2支撐松動故障機理當前第65頁\共有114頁\編于星期二\9點

由于支承松動引起的振動，有如下的特點：（1）相位不穩(wěn)定。（2）振動隨轉速變化明顯。（3）振動隨負荷變化明顯。（4）基頻及分數諧波振幅大，伴隨2f3f...等高頻振幅。（5）振動不穩(wěn)定，轉速達某一域值是振幅突然增大或變小。（6）水平和垂直方向具有不同的臨界轉速。（7）松動的方向振動大。（8）軸承座的振動會明顯增大。6.3支撐松動故障診斷特性(或影響后果)特征范圍(或部位)特征某廠機組大修結束后，電廠進行沖轉，但在啟動過程中定速3000r/min時，勵磁機轉子的兩個支撐軸承的水平振動不斷爬升，最大達到73um。在帶負荷過程中，再次出現(xiàn)了勵磁機前后軸承水平振動大幅度爬升，最大振動達到100um。最后經過診斷分析主要原因是軸承座與臺板整理接觸不良，導致水平剛度大幅度下降，從而導致振動增大。6.3.1故障特性分析當前第66頁\共有114頁\編于星期二\9點現(xiàn)場最常見的是軸承座與臺板、臺板與基礎之間的接觸不良，可以通過測量他們之間振動的差異來判斷。6.3.2支撐松動診斷方法研究

支承松動引起的振動會引起軸承座較大的振動，所以對于該類型振動的診斷可以通過測量軸承座的振動來進一步確定。直接檢查的方法有測量差別振動和用手觸摸兩種。測量差別振動用手指觸摸用手指緊貼在軸承座與臺板結合處，當兩者結合不好時，在交變振動力的作用下，手指會有擠壓感。用同樣的方法可以檢查臺板與基礎的結合情況。當前第67頁\共有114頁\編于星期二\9點6.3.3現(xiàn)場測點信號及監(jiān)測要求鍵相機組X、Y向軸振機組垂直方向瓦振轉子偏心負荷轉速蒸汽流量

對于支承松動引起的振動，可以通過來自各軸的振動信號分析，但進一步的確診需要測量軸承座的振動當前第68頁\共有114頁\編于星期二\9點6.3.4診斷判據

對于一般的軸承座來說，在同一軸向位置，如圖所示，測點上下標高差在100mm以內的兩個連接部件，在連接緊固的情況下垂直方向的差別振動應小于2μm；滑動面之間正常的差別振動應小于5μm；對于發(fā)電機后軸承座與臺板之間有絕緣者，其差別振動應小于7μm。當兩個相鄰部件差別振動明顯大于這些數據時，即可判斷連接剛度不足。差別振動越大，故障越嚴重。在測量軸承各點振動時，除測量垂直振幅和相位外，必要時對該點水平和軸向振動也應測量；在測量時若發(fā)現(xiàn)差別振動異常，必須復測一次；只有兩次結果基本一致，才能認為數據可靠。檢測軸承座差別振動的測點分布當前第69頁\共有114頁\編于星期二\9點（1）按技術要求安裝，保證配合要求。（2）從差別振動中發(fā)現(xiàn)松動的發(fā)生部位，采取緊固措施。（3）防止機殼或基礎變形。（4）合理運行，防止低壓缸支承部分的變形。（5）軸承座與臺板整理接觸不良，導致水平剛度大幅度降低，能夠降低水平振動的有效方法就是采用高速動平衡手段來降低轉子上殘余的不平衡激振力。（6）對于投產時間較長的機組，由于運行時間長，會導致基礎剛度有所下降，因而檢修中應注意對整理剛度的檢查，適當將檢修標準控制嚴格一些。6.4支撐松動處理措施當前第70頁\共有114頁\編于星期二\9點7.1結構共振故障概述

結構共振是指汽輪發(fā)電機組的靜止部件的固有頻率接近工作轉速。如果這些部件存在共振，會加速部件的疲勞破壞。特別是轉子的支承部件，如軸承箱、端蓋、汽缸、基礎等，當這些部件存在共振時，會導致整個軸系振動的惡化。結構共振屬于強迫振動的范疇。7.結構共振引起的故障

工作轉速是指機組長期運行的轉速，為避免共振，固有頻率應避開50hz。通常要求避開率為20%，即固有頻率為低于40Hz（2400r/min）和高于60Hz（3600r/min）。

共振是指激振力的頻率與振動系統(tǒng)的固有頻率重合，這時振幅急劇增大，相位急劇變化。當前第71頁\共有114頁\編于星期二\9點安全性影響機組可靠性機組經濟性

共振造成大振動導致轉子軸系破壞和機組毀壞；振動過大導致動靜碰摩，引起轉子彎曲或斷裂；

結構共振造成振動將限制機組負荷或停機，使機組經濟性降低；如果發(fā)生大振動導致機組破壞將會增加維修費用，致使經濟性降低。

偏移方向發(fā)生改變，造成本體部件配合錯位，致使可靠性降低；容易使振動部件疲勞破壞，導致機組可靠性降低。結構共振故障對機組影響后果分析：當前第72頁\共有114頁\編于星期二\9點7.2故障機理（1）轉子的臨界轉速、葉片的固有頻率都有嚴格的要求。（2）大的結構部件（如汽缸、發(fā)電機端蓋、軸承箱）由于其形狀復雜，無論從計算角度還是從試驗角度，在設計階段確定其固有頻率的難度都比較大。（3）今年從西方國家引進的機組額定頻率為60Hz。這些機組的部件如果存在50Hz的固有頻率，在國外的運行條件并不是一個問題，但在我國運行就會存在問題，這時引進機械共振問題比較多的原因。（4）基礎共振。汽輪發(fā)電機組基礎（汽輪機平臺、混凝土框架）的固有頻率也應該避開50Hz。有的機組本身振動不大，但站在汽輪機平臺上卻有明顯的振感，這往往是基礎存在共振引起的。（5）運行過程的損壞。運行過程中部件出現(xiàn)的裂紋、松動等，可以引起部件剛度的降低，使固有頻率落入共振區(qū)。（6）汽輪發(fā)電機的給水泵、循環(huán)水泵、凝結水泵等輔助設備。由于這些輔助設備通過配管系統(tǒng)與主設備連接，有時配管系統(tǒng)的振動既影響輔助設備的振動也會影響主設備的振動。結構共振與部件的結構有很大關系，同時疲勞、松動等發(fā)生后會改變部件的固有頻率。當前第73頁\共有114頁\編于星期二\9點7.3結構共振故障診斷故障特征分析范圍(或部位)特征

在運行、啟機或停機過程中，某個軸承X，Y向振動值明顯增大，高于正常運行振動值和相鄰軸承振動值，則診斷該軸承所支撐的轉子段發(fā)生了故障。特性(或影響后果)特征（1）可以排除轉子的臨界轉速。（2）主要觀察軸承座的振動。（3）結構物在三個方向的固有頻率不一致。（4）如果汽輪機的缸體、發(fā)電機、勵磁機的外殼振動特別大，而轉子的軸振并不大，則這些部件共振的可能性很大。（5）如果軸承座振動不大，而汽輪機平臺的振動大，則存在基礎共振的可能性大。（6）如果結構物的阻尼比較小，則共振區(qū)域振動變化率大。有時轉速變化幾十轉，振動就有明顯的變化。（7）存在結構共振時往往振動不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)波動。（8）結構共振發(fā)生時相位也會發(fā)生劇烈變化。（9）發(fā)電機容易出現(xiàn)2X的振動。結構共振發(fā)生在汽輪機的靜止部件上，所以在檢測時要多留意軸承座的振動，同時要注意是否振動是由于汽輪機的各種管道振動引起的，可以采用移動監(jiān)測的方法進行進一步確認。當前第74頁\共有114頁\編于星期二\9點診斷方法

對于新安裝機組，結構共振多是由于機組安裝時導致的結構共振?？梢詤⒖赐愋偷臋C組的安裝及處理過程。運行一段時間后的結構共振多為機組靜止部件老化或者是由于運行時導致的機組靜止部件的變形。

結構共振發(fā)生于汽輪機的靜止部分，對其監(jiān)測應在軸承座等靜止部件?？梢栽谌菀装l(fā)生結構共振的部分安裝速度傳感器。傳感器需要在水平、軸向以及垂直方向安裝。

對于確定支持系統(tǒng)是否共振的基本方法就是進行轉速實驗。在共振轉速附近，部件的振幅和轉速的關系完全由振動系統(tǒng)的阻尼和激振力幅值決定。為了確定這些振動是由于激振力的變化引起的還是由于部件的動態(tài)特性變化的影響，在實際的機組上往往首先從激振力著手。當前第75頁\共有114頁\編于星期二\9點現(xiàn)場測點信號及監(jiān)測要求

鍵相機組X、Y向軸振機組垂直方向瓦振轉子偏心負荷轉速靜止部件的振幅當前第76頁\共有114頁\編于星期二\9點

診斷判據

判斷支承系統(tǒng)是否共振的方法是由軸承座頂部振幅與基礎之比或由轉軸的相對振動與軸承振動的比值大小確定。對于坐落在基礎上的軸承座來說判斷共振時，發(fā)生共振時，其頂部振幅和基礎振幅很接近，有些情況下甚至振幅大于軸承振幅。國外資料認為，軸承頂部振幅與基礎振幅之比小于1.5—2.0時，表面支承系統(tǒng)存在共振。對于軸承座落在排氣缸上的系統(tǒng)來說，可用軸振與軸承振動之比來判斷支承系統(tǒng)是否存在共振或動剛度不足。如果軸振和軸承振動接近，甚至小于軸承振動，則可判斷支承系統(tǒng)存在共振現(xiàn)象。當前第77頁\共有114頁\編于星期二\9點

圖為某電廠#4機系東方汽輪廠生產的N300-16.7/537/537-3型亞臨界中間再熱雙缸雙排汽凝汽式汽輪機3#和4#軸承座的降速曲線,從降速曲線可以看出3#和4#軸承座在3000r/min附近振動幅值急劇增加，表明在3000r/min附近存在共振區(qū)。因此，轉子不平衡振動響應靈敏度高,抗干擾能力差。分析知道，引發(fā)3#和4#軸承座振動的原因是：軸承座支撐系統(tǒng)剛度較低且在3000r/min附近存在共振區(qū)，低壓轉子上有一定的不平衡量。

當前第78頁\共有114頁\編于星期二\9點7.4結構共振處理措施

在機組安裝過程中，要保證基礎的二次灌漿良好，要保證軸承座底板與臺版、臺板與基礎、軸承座中分面接觸良好，以及連接螺栓緊力足夠且均勻。在大型發(fā)電機定子安裝中，應進行定子負荷分配實驗，按照安裝工藝階梯型布置墊片，保證定子四周承載均勻。對已運行的機組應從以下幾方面入手：（1）檢查部件有無裂紋、脫焊、連接不良等情況；（2）采用中增加支撐等措施，改變結構的固有頻率；（3）提高轉子的平衡精確度，減小激振力以降低共振峰值。（4）定期對發(fā)電機端部繞組振動特性進行測試，防止線棒松動等引起端部繞組結構共振。當前第79頁\共有114頁\編于星期二\9點在診斷機組振動故障時，常常發(fā)現(xiàn)軸承座存在較大的軸向振動，對于這類故障，應先檢測軸承座的軸向動剛度。從現(xiàn)場實際情況看，引起過大軸向振動的原因大部分是軸承座的軸向動剛度不足，特別是臺板和基礎之間的松動；其次是軸承座和發(fā)電機的端蓋軸承軸向剛度不足。4臺德國巴布科克公司提供技術和主要關鍵設備與中國武漢鍋爐廠合作制造的830t/h全液態(tài)排渣鍋爐一期工程（1999）二期工程（2007）二期擴建工程（建設中）3臺35MW聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產機組2臺F級燃機“二拖一”燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組4臺俄羅斯動力機械進出口公司的雙抽氣汽輪機，其中，兩臺為16.5萬千瓦的雙抽氣汽輪機，兩臺為18.5萬千瓦的單抽氣汽輪機長期振動過大，對機組的影響很大，易發(fā)生更嚴重的事故。振動幅度過大，造成動靜摩擦，損壞軸封。安全性影響機組可靠性機組經濟性機組零部件承受很大應力，促使材料疲勞或損壞，設備可靠性降低螺栓、螺帽等緊固件松弛，造成氣缸中分面等處的蒸汽泄露，機組可靠性降低造成振動將限制機組負荷或停機，使機組經濟性降低如果發(fā)生大振動導致機組破壞將會增加維修費用，致使經濟性降低偏移方向發(fā)生改變，造成本體部件配合錯位。發(fā)生動靜碰磨，造成轉子彎曲或機組損壞8.軸承座軸向振動引起的故障8.1軸承故障概述當前第80頁\共有114頁\編于星期二\9點軸向電磁力不平衡

轉子彎曲軸承座局部不穩(wěn)固球面瓦軸承卡澀故障機理軸承座受到過大的軸向推力力矩

軸承座軸向共振轉子存在較大的二階質量不平衡8.2故障機理當前第81頁\共有114頁\編于星期二\9點軸向電磁力不平衡

發(fā)電機轉子中心與定子中心偏移情況示意圖當前第82頁\共有114頁\編于星期二\9點軸承座局部不穩(wěn)固

軸承座底部與基礎臺板中部接觸不良示意圖2．臺板3.地腳螺栓4.軸承座當前第83頁\共有114頁\編于星期二\9點8.3軸承座軸向振動故障診斷

軸承座的軸向振動是指與轉軸中心線同一方向的振動。在機組軸系振動測試過程中，經常發(fā)現(xiàn)軸承座的軸向振動是其垂直或水平振動的數倍甚至幾十倍，與轉子徑向振動和軸承座垂直、水平振動一樣，過大的軸承座振動也會影響機組的安全運行。4臺德國巴布科克公司提供技術和主要關鍵設備與中國武漢鍋爐廠合作制造的830t/h全液態(tài)排渣鍋爐一期工程（1999）二期工程（2007）3臺35MW聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產機組4臺俄羅斯動力機械進出口公司的雙抽氣汽輪機，其中，兩臺為16.5萬千瓦的雙抽氣汽輪機，兩臺為18.5萬千瓦的單抽氣汽輪機診斷方法研究軸向振動主要表現(xiàn)為汽輪機支撐系統(tǒng)軸向的振動。但軸向振動的發(fā)生是由于汽輪機的其他因素有關，如，軸向振動發(fā)生在發(fā)電機和勵磁機部位則很有可能是電磁力不平衡引起的；過大的熱彎曲有時也可以造成軸承座的軸向振動；為了進一步確定振動的原因，需要測其是否與有功負荷有關，與支撐系統(tǒng)是否有關，與激振力是否有關。軸承座的軸向振動的特征為汽輪機軸承的軸向振動大。但引起軸承座軸向振動的原因很多，發(fā)生軸向振動時，也要注意其發(fā)生部位，頻譜特性等以便進一步確定引起振動的原因。故障特征分析

當前第84頁\共有114頁\編于星期二\9點8.4現(xiàn)場測點信號及監(jiān)測要求

鍵相#5機組X、Y向軸振機組垂直方向瓦振轉子偏心轉速及蒸汽流量

負荷當前第85頁\共有114頁\編于星期二\9點8.5診斷判據汽輪發(fā)電機的軸振動的國際標準有兩種：一種是ISO標準，它由國際標準化組織制定的；另一種是IEC標準。我國制定的標準一般與ISO標準接軌。軸承座振動標準比較

原水利部標準當前第86頁\共有114頁\編于星期二\9點區(qū)域界限區(qū)域A：好；區(qū)域B：合格；區(qū)域C：報警；區(qū)域D：停機當前第87頁\共有114頁\編于星期二\9點8.6處理措施6.通過支承系統(tǒng)軸向振動的變轉速實驗或激振實驗，確實證明有50和100Hz左右的固有頻率時，則判斷存在軸向共振。消除和控制此共振可采取兩種手段：①對共振部件進行調頻處理，如機座加固、改善軸承穩(wěn)定性及消除某些設備缺陷等；②減小共振源的激振力，如對于50Hz共振提高轉子的動平衡精度，對100Hz共振則消除電磁力不平衡以及改善轉子的對中狀態(tài)等。3.軸承座局部不穩(wěn)固引起的軸向振動可采用5種方法。2.當確定軸向振動與轉子的彎曲（熱彎曲）有關，且彎曲量較大時，則需要進行直軸處理或查找熱彎曲原因予以處理。如彎曲量不大，則可嘗試采用動平衡方法使轉子撓曲減小，降低徑向和軸向振動。1.如果發(fā)電機和勵磁機軸承的軸向振動與電磁力有關，可以調整發(fā)電機或勵磁機的磁力中心，消除電磁力的不平衡。4.對于汽輪機膨脹死點的軸承座或可滑動的軸承座，可采用下列方法控制軸向振動：①修刮軸承座與臺板的滑動面；②充油臺板定期加油，保證其潤滑良好，以減小氣缸膨脹時其移動的摩擦阻力；③消除管道對汽缸的反作用力，保證在汽缸接口處的管道力在允許的范圍內；④更換剛度大的軸承座。5.針對軸瓦緊力不合適引起的軸向振動，可重新調整軸承與瓦殼之間的過盈量。確保軸承內緊力均在標準規(guī)定的范圍內，使軸瓦能夠追隨軸頸偏轉，不再使軸承座受軸頸和軸瓦的牽制。7.當軸向振動與轉子二階質量不平衡有關時，那么，對轉子進行平衡時。無論徑向振動還是軸向振動都可以得到改善。當前第88頁\共有114頁\編于星期二\9點據國外資料報道，十年來三十多臺大型汽輪發(fā)電機組發(fā)生過轉子裂紋的事故，其中有些事災難性的。這類事故在國內也有發(fā)生。引起裂紋事故增加的原因是：①機組的大型化帶來蒸汽參數提高。②機組壽命的延長使運行時間增加。③機組調峰運行。由于轉子裂紋的危險性，迫切需要進行有效地監(jiān)測，以盡可能早地發(fā)現(xiàn)事故征兆，至少在發(fā)展為災難性事故前能夠覺察。目前直接確定裂紋的方法如超聲波、紅外線、磁力探傷等僅能夠在停機條件下檢測，而不能提供運行狀態(tài)下的測量。因而通過振動測量診斷裂紋的故障的技術尤為重要。9.轉子裂紋引起的故障9.1轉子裂紋故障概述當前第89頁\共有114頁\編于星期二\9點9.2故障機理有徑向裂紋的轉子，其橫向剛度下降，且轉子的剛度不對稱，由此產生彈性不平衡力。當轉子以旋轉時，伴隨其非同步的彎曲振動使裂紋分別以固有頻率和(為裂紋閉合時轉子的固有頻率，為裂紋張開時轉子的固有頻率)周期性開閉，不斷改變裂紋的性質。由于裂紋性質的改變導致轉子剛度的變化，改變了轉子對主要激振力即重力的動力響應。裂紋轉子由重力引起的響應除一倍頻外，還有二倍頻、三倍頻……分量。由于裂紋改變了轉子的剛度，從而使轉子的各階臨界轉速比正常值要小，裂紋越嚴重，各階臨界轉速減小得越多；由于裂紋造成剛度變化且不對稱，從而使轉子的共振轉速擴展為一個區(qū)域；裂紋轉子在作強迫響應時，一次分量的分散度較無裂紋時大；在恒定轉速下，各階諧波幅值及其相位不穩(wěn)定，且尤以二倍頻最為突出；裂紋轉子引起剛度不對稱，使轉子動平衡發(fā)生困難，往往多次試加平衡質量也達不到所要求的平衡精度。當前第90頁\共有114頁\編于星期二\9點9.3轉子裂紋故障診斷

裂紋的出現(xiàn)，說明在轉子裂紋區(qū)存在軸向的拉應力，在拉應力的作用下，轉子彎曲。裂紋的出現(xiàn)使得轉子的橫向剛度降低，也會引起彎曲。這種彎曲必然導致平衡狀態(tài)的惡化。因轉子裂紋引起的振動具有以下的特點：晃度：轉子裂紋將使轉子在低速下的晃度增大。

熱彎曲：裂紋影響到轉子的熱傳導，引起轉子的熱彎曲，表現(xiàn)為振動隨負荷而增大。對平衡的不正常反應

轉子裂紋引起轉子剛度的不對稱，引起2X振動高次諧波基頻（1X）振動：轉子裂紋將使轉子的振動增大

9.3.1故障特征分析當前第91頁\共有114頁\編于星期二\9點9.3.2診斷方法研究對于懷疑有裂紋的轉軸，根據振動信號進行診斷和監(jiān)測是唯一的有效的手段。所監(jiān)測的內容有如下兩個方面：4臺德國巴布科克公司提供技術和主要關鍵設備與中國武漢鍋爐廠合作制造的830t/h全液態(tài)排渣鍋爐一期工程（1999）4臺俄羅斯動力機械進出口公司的雙抽氣汽輪機，其中，兩臺為16.5萬千瓦的雙抽氣汽輪機，兩臺為18.5萬千瓦的單抽氣汽輪機在機組穩(wěn)態(tài)運行條件下，如果有一或兩個軸承（轉軸）的工頻和兩倍頻振幅出現(xiàn)十分緩慢地增加，相位也發(fā)生緩慢地變化，在排除了轉軸中心孔進油、軸承標高變化、聯(lián)軸器中心變化、轉動部件位置緩慢偏移等可能性之后，可以將其作為懷疑轉子出現(xiàn)裂紋的一條根據。定轉速下的工頻和兩倍頻振幅及相位5#軸承頻率幅值曲線當前第92頁\共有114頁\編于星期二\9點9.3.2診斷方法對于懷疑有裂紋的轉軸，根據振動信號進行診斷和監(jiān)測是唯一的有效的手段。所監(jiān)測的內容有如下兩個方面：4臺德國巴布科克公司提供技術和主要關鍵設備與中國武漢鍋爐廠合作制造的830t/h全液態(tài)排渣鍋爐一期工程（1999）二期工程（2007）4臺俄羅斯動力機械進出口公司的雙抽氣汽輪機，其中，兩臺為16.5萬千瓦的雙抽氣汽輪機，兩臺為18.5萬千瓦的單抽氣汽輪機變轉速下的兩倍頻振幅和相位機組升降速過程在臨界轉速一般處出現(xiàn)兩倍頻共振峰是轉軸裂紋的關鍵判據，隨裂紋深度的發(fā)展，這個共振峰值應該逐漸增大。發(fā)電機轉子本體剛度不對稱和聯(lián)軸器不對中在升降速過程和裂紋產生完全相同的特征。這些故障往往難于區(qū)分。發(fā)電機轉子本體剛度不對稱產生的兩倍頻振動特征應該出現(xiàn)在發(fā)電機支撐或臨近結構部件上，兩倍頻振幅、相位不會隨時間變化；聯(lián)軸器產生的兩倍頻特征，在消除或調整了聯(lián)軸器的對中之后，應該隨之有所變化。這些情況可以用來區(qū)別它們。

5#過臨界轉速時振幅隨轉速的變化當前第93頁\共有114頁\編于星期二\9點TextTextText

9.3.3現(xiàn)場測點信號及監(jiān)測要求現(xiàn)場測點信號及監(jiān)測要求鍵相機組X、Y向軸振轉子偏心負荷轉速當前第94頁\共有114頁\編于星期二\9點9.3.4診斷判據1.振動的長期趨勢(數天、數周、數月)呈上升態(tài)勢。

2.經常需要對轉子進行平衡。3.轉子晃度經常增大。

如果轉子振動具有以下特點之一，應該將裂紋作為疑點排查。當前第95頁\共有114頁\編于星期二\9點9.4故障形成原因9.4故障形成原因引起轉子裂紋的原因包過高頻疲勞、低頻疲勞、蠕變和應力腐蝕。它們首先與轉子運轉的機械狀態(tài)有關，另外還受環(huán)境的影響，主要是熱參數和工作介質中含有腐蝕性的化學物質。運行時間長的老機組，由于應力腐蝕，會在轉子原本存在誘發(fā)點的位置產生微裂紋，其后隨著環(huán)境因素的持續(xù)作用，微裂紋逐漸擴展，發(fā)展為宏裂紋。原始的誘發(fā)點通常出現(xiàn)在應力高且材料有缺陷的地方。如軸上應力集中點、加工時留下的刀痕、劃傷處、材質存在微小缺陷的部位等。隨著機組使用壽命的延長和很多機組被用做調峰，轉軸疲勞損傷急劇，裂紋出現(xiàn)的可能性在增加。當前第96頁\共有114頁\編于星期二\9點

10.汽輪發(fā)電機振動故障發(fā)電機作為將轉子的旋轉機械能轉化為電能的設備，是電廠與電網連接的重要節(jié)點，所以發(fā)電機的安全運行尤為重要。振動狀態(tài)時衡量發(fā)電機能否持續(xù)可靠運行的重要指標。多年來，因振動加劇危及發(fā)電機組安全運行甚至損毀事故的實例并不少見?？梢哉f振動異常及加劇常常是機組發(fā)生事故的先兆10.1.1故障分類汽輪發(fā)電機是高速旋轉機械，由于本身諸多不平衡因素難以完全消除及外部干擾力的影響，運行中不可能不產生振動。發(fā)電機的振動故障可以分為機械原因和電氣原因兩個大類，其中機械原因包括轉子不對中、轉子質量不平衡、轉子裂紋、轉子剛度不對稱、動靜碰磨等故障模式；電氣原因包括電磁諧振、不對稱電磁力激振、定子鐵芯振動等故障模式。由于機械原因引起的發(fā)電機振動在前邊章節(jié)里，已做了詳盡的描述，本章著重闡述由于電氣原因而引發(fā)的汽輪發(fā)電機振動10.汽輪發(fā)電機振動引起的故障10.1汽輪發(fā)電機振動概述當前第97頁\共有114頁\編于星期二\9點4臺德國巴布科克公司提供技術和主要關鍵設備與中國武漢鍋爐廠合作制造的830t/h全液態(tài)排渣鍋爐一期工程（1999）二期工程（2007）二期擴建工程（建設中）3臺35MW聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產機組2臺F級燃機“二拖一”燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組4臺俄羅斯動力機械進出口公司的雙抽氣汽輪機，其中，兩臺為16.5萬千瓦的雙抽氣汽輪機，兩臺為18.5萬千瓦的單抽氣汽輪機對運行中的發(fā)電機組來說，振動明顯超過其允許的振動值時，將降低發(fā)電機運行可靠性、安全性及其經濟性甚至立即使發(fā)電機遭到破壞。發(fā)電機轉子一旦振動故障，機組軸振、瓦振將明顯超標，導致轉子滑環(huán)和電刷磨損加劇以及產生環(huán)火，甚至會引發(fā)機組跳機。安全性影響可靠性影響經濟性影響

冷卻系統(tǒng)堵塞、匝間短路引起的轉子熱彎曲，嚴重時造成振動幅值過大，嚴重時將會導致機組密封系統(tǒng)被破壞，并造成轉子永久彎曲。使機組運行可靠性降低。

電磁力激振導致線圈、電刷等磨損使發(fā)電機運行的可靠性降低。汽輪發(fā)電機轉子發(fā)生永久性彎曲事故、汽輪發(fā)電機轉子斷裂事故，是火力發(fā)電廠的重大惡性事故之一，它不僅增加機組非計劃停運時間，而且還要耗用相當多的檢修費用，造成重大經濟損失和嚴重的不良影響。若發(fā)電機轉子出現(xiàn)熱彎曲故障，不僅影響機組整個軸系的安全，甚至會影響電廠按時并網發(fā)電。連接部位松弛和應力增大并危及發(fā)電機的基礎部分