姜英棟

（晉能控股電力集團(tuán)國峰煤電，山西呂梁 032200）

文章首先介紹了汽輪機振動的基本概念，分析了汽輪機振動會產(chǎn)生的危害。然后根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出造成汽輪機安裝振動的產(chǎn)生主要是設(shè)計制造、動靜部位摩擦、氣流振動、油膜渦動和油膜振蕩等誘因造成的。最后總結(jié)可以通過做好設(shè)備運行檢查管理、加強動靜部位摩擦故障診斷、做好氣流激振和油膜振蕩分析以及積極應(yīng)用振動檢測技術(shù)等方法來有效預(yù)防汽輪機振動的情況出現(xiàn)。希望通過本文的分析總結(jié)，為汽輪機安裝振動原因與預(yù)防對策提供有價值的意見和建議。

1 汽輪機振動分析

1.1 汽輪機振動的概念

對于大部分轉(zhuǎn)動機械來說，在工作過程中產(chǎn)生一定的振動是不可避免的，一般來說，每種機械都有一個規(guī)定范圍內(nèi)的振動幅度，汽輪機也是如此，只要不超過標(biāo)準(zhǔn)的振動幅度，都算是正常運轉(zhuǎn)下會產(chǎn)生的振動。而本文討論的是，在振動幅度超過標(biāo)準(zhǔn)范圍時，會對設(shè)備造成損害、會影響汽輪機正常運轉(zhuǎn)的異常振動。汽輪機本身是一種比較精細(xì)的設(shè)備，它集合了自動化控制、機械和電力等學(xué)科技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在化工和電力行業(yè)中。通常影響汽輪機振動的外在原因有軸系質(zhì)量原因、摩擦力原因、膨脹系數(shù)、軸承磨損或軸承座松動、電磁力不平衡等[1]。如果僅僅是這些原因自身出現(xiàn)問題，不會對汽輪機的振動帶來致命傷，問題就在于在這個過程中，汽輪機的異常振動會影響其他零部件產(chǎn)生松動或損壞，在異常振動—零件損壞—動靜摩擦增大—引發(fā)進(jìn)一步強烈振動的惡性循環(huán)中，汽輪機就會出現(xiàn)明顯的故障。

所謂振動，就是設(shè)備的零部件在工作過程中偏離了原定的平衡位置，動能導(dǎo)致其位能產(chǎn)生改變，位能的改變又進(jìn)一步使其動能發(fā)生變化，所產(chǎn)生的連續(xù)性的影響運動。從一般概念來講，汽輪機在做功時產(chǎn)生的自主振動是正常的，不會對機體造成進(jìn)一步的損害，而當(dāng)汽輪機受到一定程度的受迫振動時，振動就會超出規(guī)定的范圍，難以承受的連續(xù)沖擊力會對汽輪機的零件和正常工作造成不良影響。判斷振動是否出現(xiàn)異常的指標(biāo)是振動的頻率，影響振動頻率的因素包括振動的方向和振動的幅度，通過在某一時間內(nèi)對汽輪機振動頻率的統(tǒng)計，包括振動的橫向、縱向和扭轉(zhuǎn)方向以及雙向、單向振幅的監(jiān)測，就能知道汽輪機的工作運轉(zhuǎn)是否正常[2]。

1.2 汽輪機振動的危害

在上文振動的概念中介紹到，汽輪機在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的振動，對機體零部件和正常運行的影響是在可接受范圍內(nèi)的，這樣的振動被稱為自主振動，同時也是正常振動[3]。而當(dāng)振動的頻率或幅度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時，就會對機體本身的零件或結(jié)構(gòu)造成沖擊和破壞，進(jìn)而影響汽輪機的運行和電廠的正常工作。無論是汽輪機的正常工作、機械和電廠的安全性能還是電廠的經(jīng)濟(jì)收益、工作人員的人身安全，都會遭受巨大的負(fù)面影響。汽輪機振動產(chǎn)生危害的機制主要有三個方面：①汽輪機異常振動時，由于振動的頻率過高、振動的幅度太大，牽連了其他零部件的振動，導(dǎo)致零部件松動，機組的穩(wěn)定性不足；②汽輪機振動時導(dǎo)致零部件振動加強了機體的整體受力和電機零部件之間的摩擦力，導(dǎo)致汽輪機的自身損耗負(fù)載；③異常振動會影響正常的工作效率，降低電廠發(fā)電的質(zhì)量，同時出現(xiàn)異常還需要對汽輪機進(jìn)行檢修和停工整頓，導(dǎo)致電廠的經(jīng)濟(jì)效益大為受損。因此，在汽輪機投入使用前，要對其進(jìn)行運行測試，保證各個軸承和零件安裝連接完好，振動的幅度和頻率在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在運行過程中一旦發(fā)現(xiàn)異常振動，要立即停機檢查，找出問題的根源并采取積極的方案措施解決問題，直到機器調(diào)試好之后才能繼續(xù)投入使用。

2 汽輪機振動異常的原因

2.1 設(shè)計制造

汽輪機在工作過程中，其動力來源是由連接旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)子，在高速旋轉(zhuǎn)的動能下提供的，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，要圍繞一個穩(wěn)定的中心以相同的速度和角度旋轉(zhuǎn)，才能保持離心力的平衡，從而保持機械總體上的平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子與其所連接的旋轉(zhuǎn)中心重合性較差時，高速旋轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生偏差，影響整個機械的穩(wěn)定性。由旋轉(zhuǎn)帶來的晃動會引發(fā)汽輪機的異常振動。所謂的離心力可以理解為月亮圍著地球轉(zhuǎn)、地球圍著太陽轉(zhuǎn)，以及地球、月球自轉(zhuǎn)的能力，可見離心力的能量是十分強大甚至具有一定的破壞性的。在轉(zhuǎn)子和中心連接良好，轉(zhuǎn)動自如的情況下，離心力是相對穩(wěn)定的，而一旦轉(zhuǎn)子的質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心不能很好地重合，離心力就會超過一定的范圍，破壞汽輪機工作的秩序性。因此，在設(shè)計、制造汽輪機時，要保證裝配的質(zhì)量、機械加工的精度、生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量把控問題等。

導(dǎo)致汽輪機出廠不合格的因素有很多：①設(shè)計方面的問題。汽輪機的設(shè)計方案沒有按照其使用要求來設(shè)定，所設(shè)計的生產(chǎn)方案與實際需求不匹配，即便按照設(shè)計方案生產(chǎn)出來的機器本身沒有問題，但是使用時不能達(dá)到電廠對汽輪機的工作要求，造成可用性低下。②制造方面的問題。在制造過程中，機械的加工精度不夠細(xì)致，導(dǎo)致汽輪機的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，在高速或者低速運轉(zhuǎn)過程中都會造成汽輪機的異常振動。因此在設(shè)計制造汽輪機時，要時刻注意機械加工的精度，保證所生產(chǎn)的部件足夠優(yōu)質(zhì)和裝配的質(zhì)量達(dá)到要求。在安裝轉(zhuǎn)子之前，要對每一級葉片進(jìn)行動平衡試驗，保證每一級葉片的轉(zhuǎn)動都是連續(xù)、順暢、質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心重合的。在安裝好質(zhì)子之后，要對質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行高速動平衡和低速動平衡檢測，保證轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力在合理范圍內(nèi)。

2.2 動靜部位摩擦

汽輪機在運轉(zhuǎn)過程中，質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)是一個必然的過程。由于汽輪機的機械零部件是一個可活動的、由各個零部件相互連接起來的整體，當(dāng)質(zhì)子旋轉(zhuǎn)時，零部件會因為振動而被帶動著活動，當(dāng)運轉(zhuǎn)的時間足夠長，零部件之間就會因為日復(fù)一日的輕微晃動而松動，直至轉(zhuǎn)子的中心偏離幾何中心。一旦轉(zhuǎn)子偏離了旋轉(zhuǎn)的幾何中心，軸心和連接點之間產(chǎn)生的間隙就會越來越大，當(dāng)偏離的距離達(dá)到兩端支承軸承的徑向間隙時，轉(zhuǎn)子就會觸碰到其他的零部件。其他零部件在轉(zhuǎn)子離心力的影響下，會產(chǎn)生一個相對的摩擦力，從而造成汽輪機動靜部位摩擦的問題出現(xiàn)。由此可以總結(jié)出，產(chǎn)生動靜部位摩擦的原因有三點：①轉(zhuǎn)子的振動引起零部件之間的摩擦；②軸心偏斜導(dǎo)致離心力超過正常的范圍，引起動靜部位的碰磨；③動靜間隙過小，導(dǎo)致離心力的進(jìn)一步加大和轉(zhuǎn)子對靜部位造成直接的影響，引起劇烈的振動。在實際的檢查過程中，要根據(jù)情況具體分析，判斷出異常振動出現(xiàn)的真實原因，再按照實際需求來解決問題。

2.3 氣流激振

氣流激振是指在汽輪機運轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的氣體影響了機械內(nèi)部的壓力，壓力降低的情況下轉(zhuǎn)子由于受力發(fā)生變化而產(chǎn)生了相對的位移。又由于轉(zhuǎn)子一直處在旋轉(zhuǎn)過程中，在邊位移邊旋轉(zhuǎn)的情況下會形成一個漩渦，進(jìn)而引起汽輪機振動異常。在實際工作中，可以依據(jù)低頻分量的數(shù)值和運行參數(shù)來對氣缸是否產(chǎn)生偏移做評估，出現(xiàn)較大值的低頻分量或是運行參數(shù)異常，都是存在汽流激振的特征[4]。

出現(xiàn)汽流激振的原因主要有兩點：①由葉片不均衡引起的；②由軸封故障引起的。葉片的不均衡會引發(fā)氣流沖擊，造成氣流激振。從實際情況來看，由于汽輪機的葉片較大較長，末端受控制程度較低，因此即便是前端出現(xiàn)輕微的不均衡，也會引起末端的膨脹使其在旋轉(zhuǎn)過程中造成流體紊亂，引發(fā)氣流激振。軸封所引發(fā)的氣流激振問題需要長時間對機組振動的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測記錄才能評估出來。在機組工作過程中，要將其滿負(fù)荷數(shù)據(jù)做成機組曲線表，通過對照曲線表觀察機組工作時升降負(fù)荷速率的改變，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就要根據(jù)曲線的變化對汽門的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，針對性地解決氣流激振的問題。

2.4 油膜渦動和油膜振蕩

除了軸封故障引起的氣流激振會導(dǎo)致汽輪機異常振動，軸系一旦出現(xiàn)問題，也會造成同樣的后果。軸系是汽輪機工作過程中用以支撐滑動軸承的，油膜渦動正是出現(xiàn)在這個環(huán)節(jié)中。當(dāng)滑動軸承所承受的力量超過其負(fù)荷時，軸系中軸頸就會隨著負(fù)載的變化產(chǎn)生位移，在位移的過程中又會因為慣性而進(jìn)一步加強其活動的動力，形成一股機械本身難以阻擋的動載荷。動載荷在汽輪機的運轉(zhuǎn)過程中會不斷對軸頸的運動產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其離軸承的中心位置越來越遠(yuǎn)。這個時候如果加入一股外界的擾動力，就會改變軸頸的運動軌跡，兩股作用力相互影響下，軸頸就會回到原來的位置或是找到一個新的平衡點，讓軸承回到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)影響軸頸運動的兩股作用力無法讓軸頸在運動過程中回歸平衡時，軸頸仍會圍繞軸頸中心的平衡線發(fā)生偏移運動，這種狀態(tài)就被稱為油膜渦動。油膜振蕩出現(xiàn)在油膜渦動的頻率與轉(zhuǎn)子的固有頻率相等的時候，此時油膜渦動和轉(zhuǎn)子運動會引起共振，由于共振產(chǎn)生的影響會讓汽輪機振動異常。在這個過程中，不是在油膜渦動的初始階段就會發(fā)生共振，通常來說油的平均流速是轉(zhuǎn)軸角速度的一半，因此油膜渦動又叫做半速渦動，當(dāng)半速渦動的轉(zhuǎn)速提高到兩倍時，其運動頻率就會不斷趨近于轉(zhuǎn)子的固有頻率，就會產(chǎn)生油膜振蕩。

3 預(yù)防汽輪機振動的對策方法

3.1 做好設(shè)備運行檢查管理工作

汽輪機作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多的機器設(shè)備，要做好其設(shè)備的運行檢查和管理工作是一件較為繁瑣的事情。因此對于參與汽輪機操作和檢查的工作人員，應(yīng)進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的崗位技能教育培訓(xùn)。在培訓(xùn)過程中嚴(yán)格按照汽輪機的運行規(guī)程來展開學(xué)習(xí)，加強安全操作意識，保證能夠在后期的監(jiān)視、檢測過程中嚴(yán)格按照要求標(biāo)準(zhǔn)來。操作人員更要在操作過程中以一絲不茍的態(tài)度和專業(yè)的知識來完成工作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)汽輪機出現(xiàn)異常振動時，要有及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

在檢查管理過程中主要要檢查五個方面的內(nèi)容：①檢查汽輪機的轉(zhuǎn)子是否符合工作要求，各個葉片的位置、工作狀態(tài)是否正常，出現(xiàn)問題的時候要及時對各個部位之間的動靜間隙進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，對于需要更換的葉片要及時做更換處理；②在汽輪機工作過程中，對轉(zhuǎn)子和氣缸的膨脹規(guī)律進(jìn)行記錄分析，在開機之前和運轉(zhuǎn)一段時間后要進(jìn)行停機檢查和調(diào)試；③在機組停機的時候，對設(shè)備工作過程中的各項參數(shù)仔細(xì)觀察，尤其是蒸汽參數(shù)的變化、溫度的變化以及壓力和軸承振動的變化，要在再次啟動之前將出現(xiàn)異常的部位調(diào)整好；④在機組運動時時刻避免水分沖擊到汽缸，無論是開機還是停機時都要避免冷水或冷汽進(jìn)入汽缸；⑤在機器的運轉(zhuǎn)發(fā)生劇烈變化時監(jiān)視其轉(zhuǎn)子晃動和振動的頻率，一旦晃動或振動的頻率超過了規(guī)定范圍內(nèi)，要立刻停機。

3.2 加強動靜部位摩擦故障診斷

在汽輪機工作過程中，摩擦幾乎出現(xiàn)在每一個環(huán)節(jié)中，這為汽輪機動靜部位的診斷增加了難度。在對動靜部位的摩擦進(jìn)行診斷時，需要運用多種手段進(jìn)行組合來提高診斷的準(zhǔn)確性。其中包括但不限于汽輪機啟動和停止時的波特圖、極坐標(biāo)圖、全頻譜級聯(lián)圖以及汽輪機的安裝、檢修情況等。在確定存在動靜部位摩擦的情況后，要利用電渦流傳感器進(jìn)行確診，如果沒有安裝電渦流傳感器，則要先安裝好之后再進(jìn)行下面的診斷。

3.3 做好氣流激振和油膜振蕩分析

在對氣流激振故障進(jìn)行檢測時，首先要將汽流激振相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行搜集整理，然后將這些信息以圖表的形式展現(xiàn)出來，通過對圖表形狀數(shù)據(jù)的對比，找出產(chǎn)生本次氣流激振的內(nèi)在規(guī)律，然后有針對性地制定解決方案。而要對油膜振蕩進(jìn)行診斷的方法則有很多，其中主要有軸瓦比壓增高法、減小軸瓦頂部間隙法、增加軸瓦軸承合金寬度法、適當(dāng)縮小軸頸與軸瓦的接觸角度法、減小潤滑油動力粘連度、調(diào)整轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)等方法，在診斷時選擇最為合適的一種方式進(jìn)行分析即可。

3.4 積極應(yīng)用振動監(jiān)測技術(shù)

一般來說汽輪機出現(xiàn)故障不是一蹴而就的，而是在持續(xù)的動態(tài)工作中變化形成的，要了解這個過程，在出現(xiàn)嚴(yán)重故障之前找到問題，就需要利用現(xiàn)代技術(shù)對其進(jìn)行監(jiān)測。通過有效的監(jiān)測，可以將汽輪機當(dāng)前的工作狀態(tài)與正常的工作狀態(tài)進(jìn)行對比，觀察運行過程中各項狀態(tài)的變化。對于存在異常的環(huán)節(jié)要及時采取有效的解決措施，以降低故障出現(xiàn)的概率，節(jié)約后期的維修成本，提高設(shè)備的使用壽命和價值。

4 結(jié)束語

本文對汽輪機安裝振動的原因展開了分析，并提出了一些可行性較高的預(yù)防政策，旨在能夠推動我國發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，為居民的生活生產(chǎn)用電安全提供有力的保障。