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摘要：針對大型汽輪發(fā)電機組在運行過程當(dāng)中經(jīng)常發(fā)生動靜碰摩故障的情況，介紹汽輪發(fā)電機組碰摩故障的原因、機理、振動特征以及處理措施，并給出了現(xiàn)場的實際案例，分析該案例中機組的振動特征和故障原因，確定機組發(fā)生了局部動靜碰摩，并結(jié)合實際運行情況給出了處理措施。

關(guān)鍵詞：汽輪機組；動靜碰摩；振動特性

汽輪發(fā)電機組動靜部件之間碰摩是日常運行中常見故障，轉(zhuǎn)子碰摩會產(chǎn)生復(fù)雜的振動情況，而對轉(zhuǎn)子碰摩的研究大多基于理論和實驗室數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)場振動特征具有多樣化，振動起因多元化，因此實際機組的碰摩情況遠比模擬實驗復(fù)雜的多。轉(zhuǎn)子碰摩故障若不及時發(fā)現(xiàn)并處理可能會造成嚴重后果，例如轉(zhuǎn)軸的永久彎曲，更嚴重的可能會造成整個軸系毀壞[1-2]，因此對碰摩故障進行準確判斷分析，及時正確處理轉(zhuǎn)子碰摩故障，可有效提高機組的運行安全性。

1機組動靜碰摩原因及振動特性

1.1機組動靜碰摩原因

汽輪機動靜碰摩通常發(fā)生在隔板汽封、葉片圍帶汽封以及軸端汽封，同時也有可能發(fā)生在軸承油擋、擋汽片部位，以下列出了動靜碰摩的常見原因[3]。a.機組徑向碰摩的常見原因一般分為以下幾種情況：動靜間隙太??；轉(zhuǎn)動軸承振動過大；轉(zhuǎn)子與軸承對中不好；缸體或軸承座的跑偏、彎曲或變形。b.機組軸向碰摩的常見原因一般分為以下幾種情況：推力軸承損壞以及軸向力不平衡；隔板材料問題；軸向位移及脹差控制效果差。

1.2機組動靜碰摩機理及振動特征

通常情況下，機組動靜部位的碰摩為局部碰摩，這樣由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)會使摩擦部位產(chǎn)生高溫，這時轉(zhuǎn)軸表面受熱不均發(fā)生轉(zhuǎn)子熱彎曲變形，從而引起新的質(zhì)量不平衡。由于在未發(fā)生碰摩故障時，振動高點滯后于不平衡量一個角度，碰摩發(fā)生后高點產(chǎn)生高溫使其發(fā)生形變，結(jié)果在其反方向產(chǎn)生新不平衡量，這個不平衡量與原有不平衡量合成新平衡量后產(chǎn)生一個逆轉(zhuǎn)角度，這個逆轉(zhuǎn)角度是基本不變的，也就是高點相對于新不平衡量點的滯后角度不變，這使得在碰摩故障中相位呈周期性變化[4]。摩擦振動是非線性振動，會使振動頻率中出現(xiàn)高頻和低頻成分。轉(zhuǎn)子與靜止件碰摩還會使轉(zhuǎn)子發(fā)生橫向自由振動，其振動頻率與轉(zhuǎn)子渦動頻率一致，是碰摩過程中的主要頻率；同時轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中會繞轉(zhuǎn)子中心點振動，其運動軌跡就是軸心軌跡，當(dāng)動靜碰摩發(fā)生時軸心軌跡會也隨轉(zhuǎn)子渦動而發(fā)生渦動。動靜碰摩的振動特征[5]：振幅主要以1倍頻為主，伴隨高頻或低頻出現(xiàn)；同時相位出現(xiàn)周期性變化；軸心軌跡發(fā)生渦動。

2動靜碰摩故障易發(fā)部位及處理措施

2.1機組經(jīng)常發(fā)生碰摩的部位

動靜碰摩所表現(xiàn)出的振動特征與碰摩位置、碰摩狀態(tài)、造成原因以及汽輪機組工況等都有關(guān)系。常見的碰摩位置是油擋、軸端汽封等部位。機組不同部位所發(fā)生的碰摩一般表現(xiàn)出不同的振動特征，在此對一些容易發(fā)生動靜碰摩部位的振動情況進行介紹[6]。a.轉(zhuǎn)子與固定油擋的碰摩。當(dāng)轉(zhuǎn)子振動很大，或者油擋間隙調(diào)整的太小時，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子與固定油擋接觸從而引發(fā)碰摩的情況。b.轉(zhuǎn)子與端部汽封的碰摩。高、中壓轉(zhuǎn)子在機組啟動或是中速暖機過程中容易發(fā)生碰摩故障。c.發(fā)電機轉(zhuǎn)子與密封瓦的碰摩。d.轉(zhuǎn)子與浮動油擋的碰摩。由浮動油擋引起的振動常表現(xiàn)出軸承振動迅速攀升，后又逐漸減小，振動周期不穩(wěn)定等情況。e.轉(zhuǎn)子與碳刷的碰摩。機組運行過程中，發(fā)電機的滑環(huán)與碳刷以及勵磁機整流子與碳刷時刻保持接觸，二者之間會出現(xiàn)連續(xù)摩擦。

2.2動靜碰摩故障識別及處理措施

2.2.1故障識別

汽輪機組動靜碰摩有多種征兆，現(xiàn)場對于碰摩故障的識別一般都是通過這些征兆來判斷的，振動信號的特征同外界因素有密切聯(lián)系，所以采用哪些征兆來識別碰摩故障就顯得尤為重要。對于徑向碰摩故障的識別一般可以通過分析振動數(shù)據(jù)來判斷，現(xiàn)有的診斷方法主要是根據(jù)振幅、相位、頻譜和軸心軌跡特征進行判斷，一般徑向碰摩會發(fā)生振幅波動及相位持續(xù)變化，同時軸心軌跡也會發(fā)生渦動。針對軸向碰摩一般是通過檢測軸向位移以及脹差兩個振動指標(biāo)來判斷?，F(xiàn)場動靜碰摩主要判別依據(jù)有：轉(zhuǎn)速不變情況下，振幅緩慢變化，主要為1倍頻變量，同時相位不斷改變；輕微碰摩時不會出現(xiàn)高頻增大的現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)嚴重碰摩現(xiàn)象時，2倍頻、3倍頻成分明顯增大；碰摩主要發(fā)生在定速暖機、帶負荷以及升速過程中，其主要根據(jù)定轉(zhuǎn)速工況下的振幅、相位變化情況來進行判斷。

2.2.2處理措施

a.有效控制軸的振動，在確保安全運行的基礎(chǔ)上進行“磨合”。b.啟動過程中發(fā)生碰摩時，當(dāng)轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以下時不能強行升速，應(yīng)打閘停機進行盤車，振動正常后再啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以上時，在可控振動轉(zhuǎn)速上定速，磨合一段時間后再升速[7]。c.若帶負荷過程中有碰摩情況出現(xiàn)，正常振動范圍內(nèi)可以密切觀察振動情況，以磨出合適間隙。d.若振動持續(xù)增大，應(yīng)降低負荷或者停機。e.開啟頂軸油泵，以減小密封瓦與轉(zhuǎn)子殼體之間出現(xiàn)的摩擦振動。

3實例分析

3.1機組概況

某電廠21號機為東方汽輪機廠制造的300/220-16.7/0.3/537/537型沖動式、亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機，額定功率為330MW，主蒸汽壓力為16.7MPa，主蒸汽溫度為537℃，再熱蒸汽壓力為3.047MPa，再熱蒸汽溫度為537℃。發(fā)電機為東方電機股份有限公司制造的QFSN-300-2-20B型水－氫－氫冷發(fā)電機，采用靜態(tài)勵磁。汽輪發(fā)電機組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子（HIP）、低壓轉(zhuǎn)子（LP）、發(fā)電機轉(zhuǎn)子（G）及集電環(huán)轉(zhuǎn)子（E）組成，各轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)接。軸系由7個軸承支撐，汽輪機兩個轉(zhuǎn)子為雙支承方式，發(fā)電機與集電環(huán)采用三支承，高中壓轉(zhuǎn)子的1號瓦、2號瓦為可傾瓦、落地式，低壓轉(zhuǎn)子的3號瓦、4號瓦為圓筒瓦，坐落在排汽缸上，發(fā)電機的5號瓦和6號瓦為端蓋式橢圓瓦。試驗采用美國本特利公司生產(chǎn)的ADREFORWINDOWS208DAIU8通道振動數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行測試與分析。

3.2機組的故障振動特征

2016年11月22日對21號機進行了振動測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：21號機3號、4號軸承振動呈周期性變化，其頻譜和軸心軌跡也出現(xiàn)一定規(guī)律性。其中，21號機3號軸承X方向和4號軸承X方向振動都呈周期性波動，波動周期為8h左右，在一個變化周期內(nèi)3號軸承X方向振動幅值在35～50um，相位在60°范圍內(nèi)變化；而同一個周期內(nèi)4號軸承X方向振動變化幅值為85～120um，相位變化范圍為360°。3號軸承X方向與4號軸承X方向振動幅值主要以1倍頻為主，且有倍頻出現(xiàn)，同時3號軸承X方向出現(xiàn)低頻成分；4號軸承的X方向都出現(xiàn)渦動情況，同時3號軸承X方向軸心軌跡比較紊亂且多處出現(xiàn)鋸齒狀尖角，4號軸承X方向軸心軌跡基本呈扁橢圓狀。由上述特征可判斷21號機3號、4號軸承位置發(fā)生碰摩故障。

3.3機組振動情況分析及處理措施

發(fā)電機轉(zhuǎn)子在3號、4號軸承位置受到碰摩，在直徑方向上受熱不均勻引起熱彎曲，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)性不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子熱彎曲產(chǎn)生的不平衡量與轉(zhuǎn)子不平衡量完全重合時，呈現(xiàn)的振動最大；相反，呈現(xiàn)的振動最小。由于碰摩狀態(tài)近似恒定和持續(xù)的存在，碰摩產(chǎn)生的熱彎曲所引起的不平衡量基本穩(wěn)定；4號軸承X方向振動相位在360°內(nèi)變化，3號軸承X方向振動相位變化范圍僅為60°，說明在4號軸承處碰摩產(chǎn)生的振動要大于其原來的振動，在3號軸承處碰摩產(chǎn)生的振動小于其原始振動；3號軸承的動剛度遠高于4號軸承，因此4號軸承的不平衡響應(yīng)高于3號軸承，所以該處的碰摩較3號軸承處會產(chǎn)生更為顯著的振動。而浮動油檔作為軸瓦的外油檔，一般情況下少量的漏油在轉(zhuǎn)子與浮動環(huán)之間形成油膜，但是在個別情況下由于漏油量較小，不能滿足油膜的正常形成，造成轉(zhuǎn)子與油檔摩擦。由于該機組發(fā)電機為氫冷，未安裝密封瓦，基本可以確定為軸瓦油檔與轉(zhuǎn)子碰摩。停機調(diào)整浮動環(huán)與轉(zhuǎn)子間隙，適當(dāng)增加漏油量后，重新啟機測得振動值，其振動恢復(fù)正常。

4結(jié)論

該電廠21號汽輪機4號軸承振動大的問題主要是由于該軸承位置的油檔密封與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩造成的，因此應(yīng)注意以下問題：a.由于浮動環(huán)具有耐磨性，碰摩造成的振動在很長時間內(nèi)持續(xù)發(fā)生；21號機4號軸承通過調(diào)整浮動環(huán)與轉(zhuǎn)子之間的動靜間隙，適當(dāng)增加漏油量，從而使振動值降低，消除異常振動情況。b.21號機4號軸承動剛度遠小于3號軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡量較大時4號軸承振動值明顯增大，且大于3號軸承振動值。因此可以通過增加4號軸承支撐剛度來降低異常振動。c.盡管浮動環(huán)自身材料較軟且有自潤滑的特性，但是與轉(zhuǎn)子接觸壓力較高時，摩擦發(fā)熱量較大，熱彎曲產(chǎn)生的振動增大，浮動環(huán)軸向變形，原來的間隙發(fā)生變化造成浮動環(huán)卡澀，同時造成轉(zhuǎn)子軸頸磨損，所以碰到類似情況后建議停機檢查浮動環(huán)與轉(zhuǎn)子的間隙是否合理。

參考文獻：

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[5]　張文斌，唐貴基，王維珍.大型汽輪機動靜碰摩故障的分析和處理[J]．東方電氣評論，2004，(04):231-234.

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[7]　陸頌元.汽輪發(fā)電機振動[M].北京:中國電力出版社，2000.

作者:唐貴基 李琛 盧盛陽 張偉江 高翔 單位:華北電力大學(xué)