黃永亮，張曉旭

(1.哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱150001)

汽輪機(jī)動(dòng)靜碰摩的特征及診斷要點(diǎn)

黃永亮1，張曉旭2

(1.哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱150001)

汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰摩是由于在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)中的部件與靜止部件之間的摩擦碰撞產(chǎn)生的，在大型汽輪機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因碰摩而產(chǎn)生的故障。隨著我國(guó)大型汽輪機(jī)組工作效率的不斷提高，汽輪機(jī)的動(dòng)靜碰摩情況增加，主要是由于動(dòng)靜間隙變小所導(dǎo)致。從汽輪機(jī)動(dòng)靜碰摩的起因和特征出發(fā)，重點(diǎn)介紹其解決要點(diǎn)。

汽輪機(jī)組；動(dòng)靜碰摩；診斷要點(diǎn)；故障特征

從汽輪機(jī)的碰撞原因分析，汽輪機(jī)組之間有時(shí)是因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理、系統(tǒng)膨脹不暢導(dǎo)致的，還有一些原因是由于制造公差、汽缸和隔板套之間的關(guān)鍵材料在熱處理時(shí)處理不當(dāng)而產(chǎn)生的。在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙的技術(shù)要求和技術(shù)規(guī)范來(lái)精細(xì)安裝，在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，其參數(shù)控制不嚴(yán)謹(jǐn)也會(huì)產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致系統(tǒng)的檢修。動(dòng)靜碰摩通常會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生比較大的振動(dòng)，在轉(zhuǎn)子和軸瓦接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，使轉(zhuǎn)子因受熱而發(fā)生彎曲。在進(jìn)一步分析軸瓦和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)情況后，會(huì)發(fā)現(xiàn)碰摩情況發(fā)生更加頻繁，易導(dǎo)致振動(dòng)和碰摩的惡性循環(huán)。當(dāng)碰摩情況發(fā)生嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的葉片發(fā)生斷裂及軸的塑性變形，甚至整個(gè)軸系都會(huì)遭到破壞。除了造成一定的經(jīng)濟(jì)損失外，還可能在類似故障發(fā)生后帶來(lái)電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至其他惡性事故。因此，增加對(duì)汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰摩的原因分析非常必要。

1 汽輪機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)靜碰摩原因

轉(zhuǎn)子在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中，轉(zhuǎn)子中心偏離靜止的幾何中心，偏心量以及振幅矢量都會(huì)達(dá)到間隙碰撞的數(shù)值，在出現(xiàn)動(dòng)靜碰撞時(shí)，靜止的部件和轉(zhuǎn)動(dòng)的部件之間會(huì)發(fā)生相互碰撞產(chǎn)生摩擦，在摩擦的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，持續(xù)碰撞摩擦后，碰摩點(diǎn)會(huì)有一個(gè)較大的局部溫度上升空間，其溫度高達(dá)上千度，相互接觸碰摩的位置也有上百度的溫度。由于局部的高溫不均衡，轉(zhuǎn)子會(huì)由于過(guò)熱而發(fā)生變形，導(dǎo)致新的質(zhì)量不平衡。當(dāng)汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/s的恒速時(shí)，碰摩的情況沒(méi)有出現(xiàn)，不平衡質(zhì)量和機(jī)組的轉(zhuǎn)速就會(huì)形成一個(gè)固定的角度，在碰撞過(guò)程中，轉(zhuǎn)子和靜止的部件相互接觸會(huì)重新達(dá)到一個(gè)新高點(diǎn)，在對(duì)新高點(diǎn)進(jìn)行局部加熱時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)向高點(diǎn)進(jìn)行彎曲偏移，并在翻轉(zhuǎn)位置上重新附加一個(gè)不平衡質(zhì)量，此時(shí)，要逆轉(zhuǎn)角度，如從高點(diǎn)滯后的不平衡質(zhì)量點(diǎn)看，不僅角度是固定的，不平衡質(zhì)量以及高點(diǎn)也會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在不斷的碰撞摩擦過(guò)程中造成機(jī)組振動(dòng)位置發(fā)生變化，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)為靜止接觸的全過(guò)程摩擦，通過(guò)一周接觸的部分碰撞摩擦之后，另一部分的碰撞摩擦也會(huì)集中出現(xiàn)各種物理現(xiàn)象與剛度變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子的碰撞呈現(xiàn)周期性發(fā)展時(shí)，在不平衡質(zhì)量上轉(zhuǎn)軸振動(dòng)會(huì)引起同步，同時(shí)，在相應(yīng)基礎(chǔ)的前提下由同一個(gè)碰撞力所產(chǎn)生的周期振動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)相同頻率，固有頻率與自由振動(dòng)頻率相同，碰撞摩擦?xí)a(chǎn)生剛度變化。因此，在碰摩轉(zhuǎn)子的響應(yīng)部分，也有同步、次同步、超同步的區(qū)別。在實(shí)際碰摩過(guò)程中，碰摩的發(fā)生軸位置會(huì)影響相互碰撞，對(duì)銳度和結(jié)構(gòu)造成沖擊，使信號(hào)成分變得更加復(fù)雜，在不同情況下，使其發(fā)生不同的同步分量與超同步分量。

汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰摩的原因。第一，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)效果不好，使轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲、失穩(wěn)的現(xiàn)象，無(wú)論從哪種情況帶來(lái)的振幅增大，都會(huì)使轉(zhuǎn)子存在于靜止部分的碰摩，碰摩時(shí)機(jī)組故障的中間過(guò)程，不是振動(dòng)直接引起的。第二，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡。由于轉(zhuǎn)子制造偏差、磨損、腐蝕等因素造成轉(zhuǎn)子的中心與幾何旋轉(zhuǎn)中心不一致，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不平衡的離心力也是造成碰摩的原因之一。第三，動(dòng)靜間隙不足。圖紙的技術(shù)要求中間隙定得過(guò)小，要求安裝間隙的公差值不當(dāng)；也可能是由于安裝、檢修檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確導(dǎo)致超差。而實(shí)際汽輪機(jī)通流間隙是水質(zhì)、真空度、上下缸體溫差等因素影響，開缸與全實(shí)缸狀態(tài)下的間隙也有變化。第四，缸體調(diào)整不合格或缸體變形。大容量汽輪機(jī)高壓部分的前汽封長(zhǎng)，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，啟機(jī)速度及暖機(jī)時(shí)間未按規(guī)程執(zhí)行，導(dǎo)致上下缸的溫差參數(shù)超出了合理的范圍區(qū)間，出現(xiàn)碰撞摩擦問(wèn)題，甚至造成轉(zhuǎn)子塑性彎曲。

2 汽輪機(jī)動(dòng)靜碰摩時(shí)的故障振動(dòng)特征

2.1 碰摩故障的頻譜特征

發(fā)生動(dòng)靜碰摩時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖碰撞激振力，整個(gè)動(dòng)靜系統(tǒng)出現(xiàn)固有的頻率，一旦產(chǎn)生碰撞故障，振動(dòng)頻譜就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)豐富的特征?？蓪⒐收闲盘?hào)分為1X、2X、3X、4X，有時(shí)也可能出現(xiàn)5X的高頻分量。振動(dòng)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，且快慢不定。嚴(yán)重碰摩產(chǎn)生明顯的高次諧波分量。

2.2 碰摩故障波形特征

汽輪機(jī)組在正常工作時(shí)發(fā)出的波形圖是正弦波，經(jīng)過(guò)動(dòng)靜碰撞摩擦之后，其波形會(huì)發(fā)生一定的變化，尤其是當(dāng)碰撞摩擦的情況較為嚴(yán)重時(shí)，波形上也會(huì)出現(xiàn)較為明顯的削波現(xiàn)象。

2.3 碰摩故障軸心曲線特征

當(dāng)靜止部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分二者之間出現(xiàn)單點(diǎn)局部碰摩時(shí)，若只有一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)的軸心將呈現(xiàn)出8字形；如在動(dòng)靜部分上發(fā)生了多點(diǎn)碰摩問(wèn)題，此時(shí)的軸心軌跡就會(huì)出現(xiàn)相互作用，將呈現(xiàn)出花瓣形狀。從動(dòng)靜部分的實(shí)際發(fā)生規(guī)律來(lái)看，當(dāng)發(fā)生周期性碰摩時(shí)，每個(gè)點(diǎn)都會(huì)發(fā)生碰摩，轉(zhuǎn)子的軸心軌跡將呈圓形或橢圓形，但軌跡都很紊亂。

2.4 碰摩故障隨時(shí)間變化的特征

當(dāng)汽輪機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子和軸瓦在振動(dòng)時(shí)的相位變化是非常穩(wěn)定的。如果出現(xiàn)了故障問(wèn)題，在碰撞摩擦上就會(huì)出現(xiàn)額外的附加矢量力，使振動(dòng)振幅、相位大小極不穩(wěn)定。在碰撞故障發(fā)生后，特征與敏感參數(shù)如下所示：主要的頻率分為高倍頻率、低倍頻率、高低組合頻率；伴倍頻率主要是一倍頻；不僅不穩(wěn)定且隨機(jī)性較大；相位存在著反相變化與突然變化；軸心軌跡呈現(xiàn)出擴(kuò)散狀、紊亂狀；進(jìn)動(dòng)方向呈現(xiàn)出正進(jìn)動(dòng)與反進(jìn)動(dòng)兩種；波形會(huì)出現(xiàn)削波現(xiàn)象；和轉(zhuǎn)速、壓力、負(fù)荷、油溫、流量等均無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 判斷汽輪機(jī)動(dòng)靜碰摩故障的要點(diǎn)

碰摩故障的典型特征：第一，振幅變大，在發(fā)生碰摩時(shí)，振幅呈緩慢，甚至中速增加；第二，相位變大，在恒定的轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子碰摩發(fā)生的熱彎曲會(huì)使不平衡質(zhì)量點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使相位發(fā)生連續(xù)增大；第三，振幅、相位出現(xiàn)變化時(shí)應(yīng)該滯后于運(yùn)行工況的變化。第四，一倍頻為主，振幅相位的變化均以一倍頻為主，當(dāng)碰摩情況發(fā)生嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二到三倍頻振幅的變化；第五，碰摩的認(rèn)定應(yīng)該在排除了轉(zhuǎn)子材料熱處理工藝不合理、頂軸油供油不足、負(fù)荷變化率過(guò)快等故障之后。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)汽輪機(jī)組發(fā)展技術(shù)的日益提高，汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子彎曲事故也日益增多，根本原因是因?yàn)閯?dòng)靜碰摩造成的，甚至還會(huì)造成整個(gè)軸系的破壞。在進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)故障排查過(guò)程中，要嚴(yán)格防止轉(zhuǎn)子彎曲和軸系系統(tǒng)事故的發(fā)生。本文介紹了汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰摩故障的原理、緣由、特征及診斷動(dòng)靜碰摩故障的要點(diǎn)，可以在動(dòng)靜碰摩的故障診斷和狀態(tài)中進(jìn)行綜合考慮并加以應(yīng)用，以便為今后更好的處理汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰摩積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。

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Characteristicsanddiagnosingessentialsofturbinemotionandrubbing

HUANG Yong-liang1, ZHANG Xiao-xu2

(1. Harbin Electric Power Co., Ltd., Harbin 150001, China; 2. Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150001, China)

The dynamic and static rubbing of the steam turbine is caused by the friction between the moving parts and the stationary parts during the operation of the unit. During the operation of the large steam turbine, there is often a fault caused by rubbing. With the continuous improvement of the efficiency of large-scale steam turbine units in China, the increase of static and dynamic friction of the steam turbine is mainly due to the smaller static and dynamic gap. Starting from the causes and characteristics of steam turbine vibration and rubbing, the main points of the solution are introduced.

Steam turbine; Dynamic rubbing; Diagnostic point; Fault characteristics

TK26

B

1674-8646(2017)19-0040-02

2017-08-15