汽輪機(jī)組振動(dòng)初探

1、汽輪機(jī)組振動(dòng)初探周 宏摘要：汽輪機(jī)組過(guò)大的振動(dòng)危害極大，為了確保機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，了解振動(dòng)的相關(guān)知識(shí)對(duì)汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行意義重大。 關(guān)鍵詞：振動(dòng) 頻譜 診斷 分析the discussion about steam turbines vibrationZHOU Hong(Power Plant,ChongQing Iron & Steel Co. Ltd.，ChongQing 400084，China)AbstractSteam turbines larger vibration is harmful.In order to ensure the safety of steam tu

2、rbine，we should study some knowledge about steam turbines vibration , it is very important to us.Key words：vibration spectra diagnosis analysis1 引言動(dòng)力廠的旋轉(zhuǎn)設(shè)備較多，其中尤以汽輪鼓風(fēng)機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)和TRT發(fā)電機(jī)最為重要。由于汽輪機(jī)組是高速運(yùn)行的回轉(zhuǎn)設(shè)備，通常都有一定程度的振動(dòng)。然而，振動(dòng)是汽輪機(jī)組運(yùn)行中最常見(jiàn)的主要故障之一，當(dāng)機(jī)組發(fā)生過(guò)大的振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下危害：直接造成汽輪機(jī)組事故：如果機(jī)組振動(dòng)過(guò)大，且發(fā)生在機(jī)組前部，則有可能引起危急保安器誤動(dòng)作

3、，導(dǎo)致故障停機(jī)；損壞機(jī)組事故：如汽輪機(jī)組的各軸瓦面因振動(dòng)造成巴氏合金破裂或者脫落、軸承支座的連接螺釘松動(dòng)以及與機(jī)組連接的部分管道損壞；動(dòng)靜部分摩擦：汽輪機(jī)組過(guò)大的振動(dòng)可能導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片圍帶磨損引起葉片松動(dòng)甚至金屬塊脫落撞擊后級(jí)葉片造成轉(zhuǎn)子損壞的特大事故，還可能導(dǎo)致高低壓汽封和隔板汽封(鼓風(fēng)機(jī)的前后氣封)、軸承油擋發(fā)生磨損，嚴(yán)重時(shí)劃傷軸頸，甚至造成轉(zhuǎn)子彎曲等嚴(yán)重事故；損壞機(jī)組轉(zhuǎn)子零部件：機(jī)組轉(zhuǎn)子零部件松動(dòng)或造成機(jī)組基礎(chǔ)松動(dòng)及周圍建筑物的損壞。由于振動(dòng)過(guò)大的危害性極大，所以在機(jī)組啟停及正常運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)組振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，保證其振動(dòng)值控制在規(guī)定的范圍以內(nèi)，確保機(jī)組安全運(yùn)行。本文就汽輪機(jī)組振

4、動(dòng)的相關(guān)知識(shí)及故障診斷進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。2 振動(dòng)的周期信號(hào)和離散頻譜 雖然汽輪機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中由于負(fù)荷的變化可能引起機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化波動(dòng)，但是在某一時(shí)間段內(nèi)，我們可以將汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速視為恒定轉(zhuǎn)速，其振動(dòng)信號(hào)即可視為周期信號(hào)。周期信號(hào)是按一定的時(shí)間間隔T(周期)不斷重復(fù)的信號(hào)，它通常滿足以下關(guān)系式；x(t)=x(t+nt)根據(jù)高等數(shù)學(xué)知識(shí)，在有限區(qū)間上，任何周期函數(shù)(信號(hào))x(t)凡滿足狄里赫利條件都可以展開(kāi)成傅立葉級(jí)數(shù)。傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開(kāi)式如下： 其中： T 周期 圓頻率，=2/T，n=1，2，3將表達(dá)式中的同頻項(xiàng)合并，可以改寫(xiě)成：其中： tg=/ 從以上表達(dá)式我們可以得出一個(gè)結(jié)論：任何一

5、個(gè)滿足狄里赫利條件的復(fù)雜周期信號(hào)，都可以看作是一個(gè)直流分量和若干個(gè)具有諧波分量的正弦信號(hào)之和。以圓頻率為橫坐標(biāo)，幅值或相角為縱坐標(biāo)所作的圖稱為頻譜圖，圖叫幅頻譜，圖為相頻譜。由于n為整數(shù)序列，相鄰頻率的間隔=2/T，即各頻譜都是的整數(shù)倍，因而頻譜是離散的。其中稱為基頻，n次倍頻成分稱為n次諧波。因此，我們看到的汽輪機(jī)組振動(dòng)頻譜分析中看到的并不是連續(xù)的頻譜，而是離散的頻譜。3 振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試 目前動(dòng)力廠使用的振動(dòng)測(cè)試裝置主要有以下三種；1、便攜式振動(dòng)儀：這種振動(dòng)儀可以簡(jiǎn)單測(cè)量汽輪機(jī)組軸承蓋殼體的振動(dòng)位移、速度和加速度值，測(cè)量簡(jiǎn)單，攜帶方便，不需要特殊的要求；2、專業(yè)復(fù)合型振動(dòng)測(cè)試儀：如在新風(fēng)機(jī)使

6、用的美國(guó)本特利3300監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它測(cè)試的是機(jī)組的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)，因此其測(cè)量的數(shù)值較便攜式測(cè)振儀更加準(zhǔn)確，但是由于傳感器離高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸較近，故它對(duì)安裝的要求較高。它采用模塊化設(shè)計(jì)，可以加裝不同的測(cè)量模塊同時(shí)測(cè)量機(jī)組的熱膨脹和軸向位移；3、專業(yè)振動(dòng)頻譜分析儀：它測(cè)量汽輪機(jī)機(jī)組軸承蓋殼體的振動(dòng)位移、速度和加速度值，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出振動(dòng)的時(shí)域記錄(即時(shí)間峰值圖)，由于時(shí)域記錄只能給出強(qiáng)度的概念，可以將它經(jīng)過(guò)頻譜分析后則可以得到頻域記錄(即頻率峰值圖)，我們據(jù)此可以探尋其振動(dòng)的根源，因此它較前兩種振動(dòng)測(cè)量裝置而言更加可靠實(shí)用，可以用于大部分機(jī)械振動(dòng)故障的分析和診斷。由于便攜式振動(dòng)儀的使用比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)主要對(duì)后

7、兩種裝置進(jìn)行概述。 專業(yè)復(fù)合型測(cè)試儀和專業(yè)振動(dòng)頻譜分析儀主要由振動(dòng)傳感器和儀表本體(分析軟件)兩個(gè)部分組成，其振動(dòng)傳感器也稱為拾振器，它的作用是將機(jī)械振動(dòng)的位移、速度和加速度轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電荷信號(hào)，輸入儀表系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理后顯示出位移、速度和加速度值，或經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分析后得到時(shí)域圖和頻譜圖等相關(guān)信息。專業(yè)復(fù)合型振動(dòng)測(cè)試儀 專業(yè)振動(dòng)復(fù)合型振動(dòng)測(cè)試儀的傳感器通常是固定在支架上，而支架又固定在軸瓦或者軸承支座上，所以通過(guò)此方法測(cè)量出來(lái)的轉(zhuǎn)軸振動(dòng)值實(shí)際上是轉(zhuǎn)軸相對(duì)于軸瓦或軸承支座的相對(duì)振動(dòng)。其傳感器的安裝一般采用右圖所示的安裝方法。 在安裝過(guò)程中，我們應(yīng)該特別注意傳感器的初始間隙值，它的大小直

8、接影響測(cè)量的精確度。如果間隙值太小，那么在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中就有可能導(dǎo)致傳感器被高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸摩擦損壞；如果間隙太大，則在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中就有可能得到較大誤差的測(cè)量值，從而影響機(jī)組的安全正常運(yùn)行。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和機(jī)組帶負(fù)荷后，轉(zhuǎn)子相對(duì)于傳感器將發(fā)生一定的位移。為了獲得合適的傳感器工作間隙值，在安裝時(shí)應(yīng)先估算出轉(zhuǎn)子從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)機(jī)組帶負(fù)荷后軸頸位移值和位移方向，以便使測(cè)量更為精確。根據(jù)相關(guān)資料得知，轉(zhuǎn)子從靜態(tài)到工作轉(zhuǎn)速，軸頸抬高大約為軸瓦頂隙的1/2，水平方向位移與軸瓦的形式、軸瓦兩側(cè)間隙和機(jī)組的滑銷系統(tǒng)工作狀況有關(guān)，一般位移值為0.050.20mm，位移方向如左圖所示。 此外，在安裝過(guò)程中，應(yīng)采用

9、屏蔽性能較好的儀表傳輸線，以防止其他儀表或無(wú)線電信號(hào)對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，影響機(jī)組振動(dòng)的測(cè)量精確度。專業(yè)振動(dòng)頻譜分析儀專業(yè)振動(dòng)頻譜分析儀的傳感器是一個(gè)磁性裝置，測(cè)量時(shí)將它固定在被測(cè)機(jī)組的軸承蓋上。此測(cè)量裝置一般只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向，即垂直于轉(zhuǎn)軸軸線的垂直方向和機(jī)組轉(zhuǎn)子軸線方向就可以得到機(jī)組運(yùn)行的振動(dòng)狀況。其連接示意圖如右所示。 在測(cè)量過(guò)程中，可以通過(guò)選擇相應(yīng)的位移、速度和加速度檔就測(cè)得相應(yīng)的數(shù)值。4 振動(dòng)參數(shù)的合理選擇 在振動(dòng)測(cè)試中合理選擇測(cè)振儀器是十分重要的，如果選擇不當(dāng)往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)果。主要是選擇適當(dāng)?shù)念l率特性、靈敏度和量程范圍。由于低頻振動(dòng)的位移較大，但是其加速度值卻很小。反之，在高頻振動(dòng)中

10、盡管位移很小，然而加速度值卻很大。因此，對(duì)于低頻旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其頻率為10 Hz200 Hz(頻率f=轉(zhuǎn)速n/60)時(shí)，一般應(yīng)用位移和速度檔進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于高頻旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其頻率為20kHz時(shí)，則應(yīng)用加速度檔進(jìn)行測(cè)量，此類設(shè)備還包括齒輪和滾動(dòng)軸承等。5 振動(dòng)值的分析評(píng)價(jià) 評(píng)定機(jī)組的振動(dòng)良好狀況有三種方法；通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定 在我國(guó)制定的電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)中規(guī)定，評(píng)定機(jī)組振動(dòng)以軸承垂直、水平、軸向三個(gè)方向振動(dòng)中最大者作為評(píng)定的依據(jù)。這三個(gè)方向分別為：軸承垂直振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在軸承座頂蓋上的正中位置；水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在軸承蓋中分面正中位置，平行于水平面，垂直于轉(zhuǎn)子軸線；軸向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在軸承蓋上方與轉(zhuǎn)子軸線平行。評(píng)定

11、汽輪機(jī)組振動(dòng)的運(yùn)行工況時(shí)，是以機(jī)組在工作轉(zhuǎn)速下以各種負(fù)荷(包括滿負(fù)荷)下某一軸承某一方向的振動(dòng)最大值作為機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的依據(jù)。電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)中規(guī)定的汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(雙振幅：m)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速(r/min)優(yōu)良合格15003050703000203050相對(duì)評(píng)定法 我們可以將汽輪機(jī)組當(dāng)前測(cè)量的振動(dòng)值與以前測(cè)量的振動(dòng)值進(jìn)行比較，并繪制出振動(dòng)值趨勢(shì)圖，當(dāng)出現(xiàn)劣化的趨勢(shì)時(shí)應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的措施確保機(jī)組安全運(yùn)行。類比評(píng)定法 汽輪鼓風(fēng)機(jī)組的振動(dòng)規(guī)定值以機(jī)組的說(shuō)明書(shū)為依據(jù)，也可參照電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)中規(guī)定的汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)實(shí)際情況修正后作為測(cè)量的依據(jù)。6 振動(dòng)的故障分析判斷實(shí)例便攜式

12、振動(dòng)儀測(cè)量的簡(jiǎn)易判斷：V垂直位置的振動(dòng)值，H水平位置的振動(dòng)值，A軸向位置的振動(dòng)值當(dāng)V的數(shù)值遠(yuǎn)大于H值和A值時(shí)，可以判定故障為機(jī)組基礎(chǔ)松動(dòng)所致；當(dāng)H的數(shù)值遠(yuǎn)大于V值和A值時(shí)，可以判定故障為轉(zhuǎn)子軸系不平衡所致；當(dāng)A的數(shù)值遠(yuǎn)大于V值和H值時(shí)，可以判定故障為汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)(鼓風(fēng)機(jī))轉(zhuǎn)子不對(duì)中所致。專業(yè)振動(dòng)頻譜分析儀測(cè)量的簡(jiǎn)易判斷：如下所示為2002年4月30日測(cè)量的6#電動(dòng)風(fēng)機(jī)1#軸承的時(shí)域圖和頻譜圖： 時(shí)域圖頻譜圖說(shuō)明：上半部分為1#軸承，下半部分為2#軸承由于電動(dòng)風(fēng)機(jī)的主電機(jī)轉(zhuǎn)速為1485r/min，其基頻應(yīng)該為=1485/60=24.75Hz。從頻譜圖中我們可以看出：名 稱1#軸承振幅2#軸承振

13、幅結(jié) 論25 Hz(基頻)1.95m0.93m兩軸承振動(dòng)狀況合格50 Hz(2倍頻)29.14m1.07m1#軸承振幅偏大，應(yīng)盡快檢修由于1#軸承的振幅明顯偏大，故決定利用高爐休風(fēng)期間對(duì)1#軸承進(jìn)行解體檢查。經(jīng)過(guò)對(duì)軸承解體檢查后發(fā)現(xiàn)1#軸承的瓦面上附著有一薄層細(xì)微的油雜質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行了清洗處理。經(jīng)過(guò)檢修后對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行了測(cè)量，其時(shí)域圖和頻譜圖如下：時(shí)域圖頻譜圖從以上頻譜圖中我們可以得知：名 稱1#軸承振幅2#軸承振幅結(jié) 論25 Hz(基頻)0.96m1.22m兩軸承振動(dòng)狀況優(yōu)良50 Hz(2倍頻)0.18m0.21m兩軸承振動(dòng)狀況優(yōu)良在使用專業(yè)振動(dòng)頻譜分析儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

14、當(dāng)頻譜所示振幅較大或頻率不符時(shí)，應(yīng)重復(fù)測(cè)量多次，以避免由于偶然誤差引起的誤判斷，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。如果測(cè)量所得振幅偏大(不論頻率正常與否)，應(yīng)對(duì)其垂直方向、水平方向和軸向方向全部進(jìn)行測(cè)試，初步診斷其成因，并擬訂相關(guān)施工方案，須盡快進(jìn)行檢修，以消除振動(dòng)對(duì)機(jī)組的影響。如果測(cè)量所得振幅偏小，但是基頻與倍頻率的振幅不符合變化規(guī)律時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注振動(dòng)的變化情況，利用正常停機(jī)時(shí)間對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢修。 根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域圖和頻譜圖進(jìn)行設(shè)備的故障診斷是一項(xiàng)難度很大的工作，主要是由于同一故障可以表現(xiàn)出多種癥狀，同一癥狀可由不同故障引起，不同類型的設(shè)備其故障與癥狀的對(duì)應(yīng)關(guān)系也可能不盡一樣，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系與運(yùn)行條件、環(huán)境條

15、件、故障歷史及維修情況有著密切聯(lián)系。下面就一般的情況進(jìn)行歸納總結(jié)： .汽輪機(jī)組軸系不平衡主要引起基頻振動(dòng)； .機(jī)組軸系不對(duì)中不僅影響基頻振動(dòng)，還可引起2倍頻及其它高倍頻振動(dòng)； .滑動(dòng)軸承油膜渦動(dòng)的振動(dòng)頻率為(0.420.48)倍頻×轉(zhuǎn)速n，油膜振蕩的振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速頻率； .機(jī)組轉(zhuǎn)子與固定部件之間的摩擦激發(fā)較寬頻帶的振動(dòng)，可能包括基頻、倍頻、次諧波、轉(zhuǎn)子零部件固有頻率； .機(jī)組轉(zhuǎn)子組件松動(dòng)的振動(dòng)頻率以基頻為主，可能伴有倍頻或1/2×轉(zhuǎn)速n、1/3×轉(zhuǎn)速n等分?jǐn)?shù)倍頻； .不平衡量增大，則徑向水平、垂直兩個(gè)方向的振幅同時(shí)增加； .機(jī)組軸系不對(duì)中徑向振幅增大，但同時(shí)還可引起軸向振動(dòng)增大； .機(jī)組基礎(chǔ)松動(dòng)時(shí)垂直方向振動(dòng)明顯大于水平方向振動(dòng)； .機(jī)組轉(zhuǎn)子組件松動(dòng)引起的振動(dòng)，其幅值不穩(wěn)定； .軸承油膜渦動(dòng)和油膜振蕩則以徑向振動(dòng)為主，振幅不穩(wěn)定； .機(jī)組轉(zhuǎn)子裂紋引起的2倍頻振動(dòng)，水平方向和垂直方向的振幅大小相近。汽輪機(jī)組振動(dòng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，而且其成因較多，以上所述猶如大海中的一滴