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關于汽輪機轉子振動故障

2026-01-04

汽輪機因振動過大形成的事故一般有：轉軸徑向碰磨引起彎軸和軸封嚴重磨損，軸系破壞毀機，軸瓦烏金碾壓和碎裂，軸瓦緊力消失，轉動部件不均勻磨損，動靜件疲勞損壞，危急保安器及保護儀表誤動作等事故。

一、轉子質量不平衡引起的軸系破壞

根據機組大量運行經驗、振動故障診斷實踐，國內外軸系破壞事故調查結果歸納，轉子質量不平衡是汽輪發電機組最常見的振動故障，它約占故障總數的80%。

隨著制造廠加工，裝配精度以及電廠檢修質量的提高，這類故障的發生率正在逐漸減少，過去國內大型汽輪機廠中只有個別廠家可以對大型汽輪機轉子進行高速動平衡，現在幾乎全部廠家都可以做。至于發電機轉子的高速平衡，各電機廠早已能夠進行。現場檢修過程中的轉子平衡方法也在不斷改進。低速動平衡有些電廠已經拋棄了老式的動平衡機，取而代之是使用先進的移動式動平衡機。即便如此，質量不平衡目前仍是現場振動的主要故障。

轉子質量不平衡的特征

汽輪發電機組轉子的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、松動以及轉子的熱彎曲，其中原始不平衡是主要原因。

原始質量不平衡

原始質量不平衡指的是轉子開始轉動之前在轉子上已經有的不平衡，它通常是在加工制造過程中或檢修時更換轉動部件造成的。

這種不平衡的特點除了上面介紹的振幅和相位的常規特征外，它的最顯著特征是“穩定”。這個穩定是指在一定的轉速下振動特征穩定，振幅和相位受機組參數影響不大，與升速或帶負荷的時間延續沒有直接的關聯，也不受啟動方式的影響。

轉動部件飛脫和松動

汽輪發電機組振動發生轉動部件飛脫可能有葉片、圍帶、拉金以及平衡質量塊，發生松動的部件可能有轉子線圈、槽楔、聯軸器等。

飛脫時產生的工頻振動是突發性的，在數秒內以某一瓦振或軸振為主，振幅迅速增大到一個固定值，相位也同時出現一個固定的變化。相鄰軸承振動也會增大，但變化的量值不及前者大。這種故障一般發生在機組帶有某一負荷的情況。

轉動部件損壞飛脫，對轉子將產生不平衡力沖擊，激起瞬態響應，待瞬態響應消失后，有可能還會產生穩定的不平衡振動。穩定的不平衡振動能否產生，是由飛脫部件結構決定的。部件的碎裂飛脫，一般只激起瞬態響應，不會產生穩態的不平衡振動。

轉子熱彎曲

轉子熱彎曲引起的質量不平衡的主要特征是工頻振動隨時間的變化，隨機組參數的提高和高參數下運行時間的延續，工頻振幅逐漸增大，相位也隨之緩慢變化，一定時間內這種變化趨緩，基本保持不變。存在熱彎曲的轉子降速過程的振幅，尤其是過臨界轉速時的振幅，要比轉子溫度低啟機升速的振幅大。兩種情況下的波特圖可以用來判斷是否存在熱彎曲。

新機轉子的熱彎曲一般來自材質熱應力。這種熱彎曲是固有的，可重復的，因而可用平衡的方法處理。有時運行原因也會導致熱彎曲，如汽缸進水、進冷空氣、動靜摩擦等。只要沒有使轉子發生永久朔性變行，這類熱彎曲都是可以恢復的，引起熱彎曲的根源消除后，工頻振動大的現象也會隨之自行消失。

二、動靜摩擦

汽輪機轉動部件與靜止部件的碰摩是運行中常見故障。隨著現代機械向著高性能、高效率發展，動靜間隙變小，碰摩的可能性隨之增加。

碰摩使轉子產生非常復雜的振動，是轉子系統發生失穩的一個重要原因。輕者使得機組出現強烈振動，嚴重的可以造成轉軸永久彎曲，甚至整個軸系毀壞。

因此，對汽輪機碰摩的診斷和預報無疑會有效地提高運行的安全性，防止重大事故發生。

1.機組動靜碰磨起因

機組動靜碰磨通常是由于轉軸振動過大。引起轉子臨界轉速下轉軸振動過大的原因：

轉子存在穩定的一階不平衡

轉子原來不平衡較大或存在彎曲，機組每次啟停在臨界轉速下都會產生顯著振動，這種不平衡量值和方向雖是穩定的，但當軸封間隙較小時，會引起轉軸徑向碰磨，而使轉子一階不平衡顯著增大。

轉子殘留熱彎曲

機組啟動前和運行中，轉子都可能產生明顯的熱彎曲。前者啟動中發生較大振動，后者在帶負荷和停機過程中發生較大振動，兩者都會使轉軸產生碰磨而形成彎軸。

轉子殘留熱彎曲啟動，一方面使轉子產生顯著的一階不平衡，另一方面使轉子中部晃擺值增大，在正常的軸封間隙下，也會使轉軸發生碰磨，當轉速接近臨界轉速時，因共振放大和碰磨重點與熱彎曲高點相同，可使轉子中部撓曲迅速擴大，使轉軸碰磨很快進入晚期。

2.機組動靜碰摩的診斷方法

機組動靜碰摩的現場診斷是一項難度比較大的技術，如果認為發生了碰摩，常常需要開缸處理，工作量較大，這就要求診斷的高準確性。

現有的診斷方法主要還是根據振幅、頻譜和軸心軌跡。碰摩的確定，還需要了解機組安裝或大修中的情況，查閱有關的間隙記錄。這些在診斷過程可以有機的結合起來，提高診斷的準確性。但要注意，由于高中壓缸都是雙層缸，有的機組低壓缸也是雙層缸，通流部分的碰摩很難傳出來，只有軸端汽封的碰摩聲比較容易聽到。因而，不能片面地將某一種方法的結論作為是否發生碰摩的決定性判據。

三、汽流激振

汽流激振通常發生在高參數機組的高壓轉子上，特別是超臨界機組，都出現過高壓轉子軸振過大現象。

渦動震蕩自激振動的進動方向是向前的，軌跡是圓或近似圓形。振蕩是隨振幅逐漸接近偏心率，自激振動的頻率接近轉子橫向的固有頻率。

汽流激振的治理：增大軸頸在軸承中的偏心率；增大油膜的徑向剛度；改變潤滑油溫；加轉子的剛度。

四、聯軸器不對中

聯軸器不對中也是汽輪機振動常見故障。關于機組軸線的幾何形狀有兩個定義，一個是軸承的對中，它是指軸承內孔幾何中心在橫截面的垂直和水平方向上與轉子軸頸中心預定位置的重合程度。另一個是聯軸器的對中，也就是軸系轉子個軸線的對中。

聯軸器不對中是指相鄰兩根轉軸軸線不在同一直線上，或不是一根光滑的曲線，在聯軸器部位存在拐點或階躍點。設計階段，根據選用的軸承、轉子的質量、軸承標高的熱變化量等確定各軸承的負荷分配，再計算確定各個軸頸中心在軸承中的偏心角和偏心率，即軸頸靜態位置。然后根據轉子的重力撓度曲線確定各軸承的揚度，供安裝時使用，同時各軸承的靜態負荷也隨之確定。

機組安裝時依照這些值對各軸承座和缸體進行找正找平，使各個軸承的靜態負荷達到預定值，同時也自然保證了軸頸中心在軸承中的位置與原定的一致。

五、轉子中心孔進油

汽輪機轉子中心孔進油在現場時有發生。造成進油的原因有兩種可能：

一是中心孔探傷后油沒有及時清理干凈，殘存在孔內；

二是大軸端部堵頭不嚴，運轉起來后由于孔內外壓差使的潤滑油被逐漸吸入孔內。

中心孔有油后會使轉軸出現振動問題，它造成的振動在機理上有數種不同的說法：

一種說法認為，轉動時孔內液體轉速比轉軸低，這樣液體會產生一個比轉動頻率低，但是頻率接近轉速的次同步激振力，這個激振力和工作轉速合成后可以產生拍振或和差振動。

另一種說法認為，當轉子加熱到一定溫度時，黏附在中心孔壁上的潤滑油發生熱交換，使轉子產生不對稱溫差，轉子內壁局部被加熱或冷卻進而發生熱彎曲，所產生的不平衡質量引起振動增大。

來源：焦化干熄焦技術

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