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浮動和接觸密封對軸系振動影響的測試及分析

2026-01-07

施維新

摘　要：介紹安裝在容量為25～660MW發電機組軸系不同軸向位置上的浮動和接觸密封對振動影響的測試結果，分析產生振動的機理及特征，提出診斷方法和防治對策，并對發電機轉子密封瓦產生碰磨振動具備的條件作了論證。

1　前言

密封瓦作為浮動密封使用在氫冷發電機轉子上已有60多年的歷史。近十幾年來國內在汽輪發電機軸系上較廣泛地采用浮動和接觸式油擋及風擋，這些密封裝置卻引起了軸系震動，運行中振動突然升高到報警值甚至跳閘值，直接威脅機組的安全運行，大容量發電機密封瓦碰磨引起的振動及軸振快速爬升引起的跳機。本文現場實測了安裝在容量為25～660MW軸系不同軸向位置上的浮動和接觸式密封裝置對軸系振動產生了程度不同的影響，影響程度和振動特征比一般的轉軸碰磨振動要復雜。一般轉軸碰磨振動已有較深入研究，現場實用的診斷方法已較為成熟，但應用這些成熟的診斷方法，還不能準確而有效地查明這些密封裝置引起的振動故障。通過測試結果，分析了振動機理，提出浮動與接觸式密封引起軸系振動故障的診斷方法和防治對策，為認識這些密封裝置對軸系振動影響和合理的選用，提供了實驗依據和量值概念。

2　浮動和接觸式密封對軸系振動影響的概述

轉軸與靜止部件碰磨，這里稱為一般轉軸碰磨，是由于轉軸振動、晃度（彎曲），使轉軸徑向不對稱受熱引起熱彎曲，主要造成不平衡振動，這是目前大多數人都認識到的事實。但浮動和接觸密封引起的振動還沒有被認同，這是由于浮動環與轉軸不直接發生摩擦，或雖然接觸，但本身自帶潤滑，材料很軟，直觀認為不會引起明顯振動，且這種密封裝置引起的振動帶有較大的隨機性，解體檢查，不像一般轉軸碰磨那樣可直觀見到明顯的故障點，

所以認識和診斷這些密封裝置引起振動有較大的難度。現介紹目前國內采用的各種形式浮動和接觸式密封對軸系振動的影響。

1.1密封瓦

密封瓦與烏金相似，功能是密封氫氣,所以稱之為密封瓦，實際是浮動密封的一種。在以往的長期使用中，并沒有出現使人關注的振動問題。從石橫電廠1～3號機組（上海電機廠引進型330MW）和沙角C廠1～3號機組（法國阿爾斯通660MW）試運中，發電機轉子振動出現快速爬升和振動周期性波動現象后，密封瓦碰磨產生的振動在國內才引起關注。

1.2浮動油擋

20世紀90年代初，國內的浮動油擋首先在中小機組上使用，替代傳統的齒式油擋，其結構與密封瓦相同，材質是石墨和聚氟乙烯壓制（或鋁和石墨澆鑄）。前者使用在溫度較低的勵磁機、發電機、低壓轉子的軸瓦上，后者使用在溫度較高的高、中壓轉子的軸瓦上。目前大多作為軸瓦外油擋，這種浮動油擋使用以來，對軸系振動的影響一直未引起關注。由于具有良好的密封效果，受到現場歡迎，自20世紀90年代中期，逐漸在大機組上應用，而且從軸瓦外油擋擴展到發電機密封瓦內油擋。隨著浮動油擋的廣泛使用，引起軸系振動日益增多，運行中振動突然增大至報警值跳閘值時有發生。

1.3接觸式油擋和風擋

這種油擋和風擋是與轉軸直接接觸的。按接觸材料種類劃分為下列3種。

1.3.1石墨和聚氟乙烯接觸油擋

自浮動油擋使用以來，為進一步改善密封效果，制造廠近幾年來新推出的一種密封裝置。為減小摩擦發熱量，與軸接觸部分車有2～3道齒，與轉軸接觸壓力設計要求為0.03Mpa。經多臺機組振動測試結果分析表明，這種接觸式油擋對機組振動產生顯著影響，如湖南金竹山電廠6號機（上海汽輪機廠125MW），大修中在2號瓦處安裝了零重力接觸油擋，在帶負荷過程中，2～4號瓦振動值多次升高，最高達80μm，不得不停機，揭低壓缸檢查，未發現問題，把接觸油擋拆除后，振動消除。

1.3.2毛氈條接觸油擋和風擋

早期在中小機組上，為改善密封效果，在發電機端蓋風擋和軸瓦式油擋的齒間加裝毛氈條，由于毛氈條與轉軸直接接觸，所以稱它為接觸式油擋、風擋。經多臺機組振動測試得知，這種接觸式油擋和風擋對軸系振動的影響主要決定于毛氈條與轉軸間的壓力，其壓力愈大，而且當壓力過高時，還會限制軸頸上浮，造成烏金回油溫度升高和燒瓦。

1.3.3聚氟乙烯接觸風擋

為減小發電機端部漏風（氫），在端部與轉軸處加裝聚氟乙烯密封齒條，這種密封裝置目前在大機組上較廣泛采用。這種接觸式風擋對軸系振動的影響，主要決定于轉動狀態下聚氟乙烯齒條與轉軸間的壓力，當其壓力過大時，

將使軸系產生顯著振動。如一臺引進型300MW發電機，在一次小修中加裝了密封齒條，靜態下與轉軸間的四周間隙均為0.05～0.10mm，小修后啟動轉速升至2040r/min不到5min，5、6號瓦垂直振動爬升至200μm、150μm，很快又升至300μm、210μm，打閘停機，發現6號瓦處密封齒條已軟化變形。另有一臺25MW機組，大修后啟動，2～4號瓦振動大，不得不調整發電機轉子平衡，歷時2周，啟動50多次，平衡未取得效果。后經同行分析、指點，將大修中發電機兩端填裝的聚氟乙烯密封齒條拆除后，發電機轉子只經2次加重，機組各瓦振動即達到良好水平。

3　浮動和接觸式密封引起軸系振動機理及特征

不論是浮動還是接觸式密封，引起軸系振動的機理，都屬于轉軸碰磨，使其直徑方向受熱不均引起熱彎曲，其振動特征主要表現為旋轉性不平衡振動，具體引起的碰磨故障，轉子受熱不均特征，與密封裝置的結構有直接關系。從這些密封裝置對軸系產生的振動的測試結果看，其故障原因、振動機理及特征可歸納為以下幾種類型。

1.密封瓦引起的振動

1.1故障原因及振動機理

密封瓦與轉軸碰磨引起振動，經過近10多年的大量現場振動測試、分析研究，目前已查明，與一般浮動密封不同，這種密封裝置在軸系中產生振動必須同時具備下列2個條件。

1）安裝密封瓦的軸段不平衡響應很高。據現場大量振動測試、統計得知，當軸系不平衡響應值較正常值高3～5倍以上時，密封瓦與轉軸碰磨對軸系振動才產生顯著影響。能使軸系產生如此高的不平衡響應，只有發電機轉子二階臨界轉速在工作轉速以下的三支撐軸系，或大容量發電機轉子外伸長度和質量較大時，即中小機組勵磁機/發電機三支撐軸系和大機組勵磁機/發電機軸系四支撐。具備上述結構特點的勵磁機/發電機軸系，目前國內只有2中機型，一是廣東沙角C廠的1～3號機組；二是上海電機廠生產的引進型300MW機組（改進前后均如此）。前者發電機轉子二階臨界轉速為2480r/min，勵磁機沒有軸承，與發電機轉子剛性連接，呈懸臂結構（外伸長度和質量太大），勵磁機轉子有1個密封瓦，發電機轉子有2個密封瓦，后者發電機轉子二階臨界轉速為2250r/min，勵磁機轉子沒有密封瓦。

2）密封瓦卡澀。正常工作的密封瓦的密封環與轉軸間形成良好的油膜，由此可顯著減小摩擦發熱量，但由于密封瓦內外側存在較大的壓差（0.25～0.40MPa），使密封瓦緊貼密封瓦殼體，特別是雙流、雙環的密封瓦，密封環除承受靜子內外壓差的作用力外，還承受密封油將2個環壓向殼體的作用力，由此進一步增大了環與殼體間的摩擦力，造成浮動環的卡澀，使環不能在轉軸上自由浮動，形成半干摩擦，轉軸產生不均勻受熱，引起熱彎曲。這種熱彎曲產生的不平衡量，對于響應正常的軸系，不會引起明顯振動，但對于響應值很高的軸系，將會產生顯著的不平衡振動。沙角C廠的1～3號機組消除密封瓦（雙流、雙環）碰磨振動，經多個方案試驗和論證，最后采用對密封環的殼體加裝頂軸油的方法，減小密封環與殼體之間摩擦力，獲得良好的消振效果。由這3臺機的消振效果證明，在不改變軸系不平衡響應值很高的前提下，只要消除密封瓦卡澀，也能消除密封瓦碰磨振動。由此可進一步證明，密封瓦引起的碰磨振動必須同時具備該軸段響應過高和密封瓦卡澀2個條件。

1.2振動特征

密封瓦與轉軸碰磨，引起熱彎曲，產生不平衡，由于滯后角的存在，使轉子呈現的不平衡不斷后退（反轉），這是轉子形成旋轉性不平衡的原因。經多年現場振動測試觀察：密封瓦碰磨引起振動的主要特征可歸納為以下2種類型。

1）振動周期性波動。

2）迅速爬升。

4　浮動油擋引起的振動

浮動油擋與密封瓦結構十分相似，上述分析已指出，密封瓦產生碰磨振動必須同時具備該軸段不平衡響應很高和密封瓦存在卡澀2個條件，但浮動油擋產生碰磨振動只要一個條件即可，下面列舉現場實測結果，具體討論浮動油擋碰磨產生振動的特征、故障原因和機理。

1.故障原因及機理

由大量現場振動測試可知，浮動油檔碰磨振動可在任何型式軸系、不同軸向位置上產生顯著振動。造成這種現象的原因、機理為：

1）浮動環與轉軸間存在干摩擦。目前現場使用的浮動油擋絕大部分是作為軸瓦外油擋或密封瓦的內油擋，在正常運行中，這些部位絕大多數情況下只存在極少量的漏油，其漏油量遠不能滿足浮動環與轉軸間形成正常油膜的需要，因此這些浮動油擋在運行中浮動環無法浮起，實際處在干摩擦的狀態。盡管按浮動環的原設計要求，是具有自潤滑和材料軟的特點，但大量現場振動測試證明，這種干摩擦將使轉軸形成明顯的不均勻受熱，引起熱彎曲，由于浮動環具有耐磨性，因此這種碰磨振動可在很長時間內持續發生。

2）安裝不當。為獲得良好的密封效果，往往將徑向間隙設計得很小，過小的徑向和軸向間隙會引起環的卡澀；過大的軸向間隙使環失去導向和定位作用，使環在軸上發生歪斜（不垂直）引起卡澀。

3）結構不當。現場使用的有些浮動油擋，只有下半部分裝有限位殼體，上半部分可自由地軸向擺動，在徑向間隙不是十分大的情況下，浮動環顯然會發生軸向歪斜而卡澀。

4）材料不過關。目前絕大多數浮動油擋，特別是高中壓轉子軸瓦上的浮動油擋，只經幾個或十幾個小時的運行，停機檢查即可發現浮動環已產生明顯的變形和裂紋，因此在運行中，原設計間隙無法保證，浮動環的卡澀在所難免。

5）環與殼體摩擦阻力不可忽視。雖然作用在環上內外壓差引起軸向力不大，但由于環與殼體間無潤滑油，因此環與殼體間摩擦阻力不可忽視，在動態下這一阻力限制環與轉軸靈活移動，尤其是當殼體表面加工不光滑時，移動阻力更明顯，環與轉軸加重碰磨。

2.振動特征

浮動油擋引起的振動，從特征上較密封瓦和一般轉軸碰磨振動都要復雜，其難點是振動緩慢長時間爬升和變化規律的隨機性，直觀難于理解。從目前現場已測試和觀察到的振動現象，歸納有以下幾種類型：

1）運行中軸振（瓦振）迅速爬升，然后逐漸減小。

2）振動緩慢爬升。

3）軸系平衡無端惡化。

4）臨界轉速下振動無大的變化。

5　接觸式油擋、風擋引起的振動

由石墨和聚氟乙烯復合材料、毛氈條、聚氟乙烯等材料構成的接觸式油擋和風擋所產生的振動機理特征非常相似，而且在任何軸系均可產生明顯振動。

1.故障原因及機理

這些密封材料雖然軟，但都很耐磨，所以當它與轉軸間接觸壓力較高，轉軸旋轉時，摩擦發熱量較大。由于轉軸存在彎曲、晃度、振動等原因，會造成轉軸不均勻加熱引起熱彎曲，產生不平衡振動。由于密封材料與轉軸間壓力不同，將產生不同的振動特征。

2.振動特征

從目前已檢測到的振動現象歸納，其振動主要特征與浮動密封引起振動十分相似，振動爬升幅值和軸系平衡惡化程度，主要由密封件與轉子間的壓力決定，嚴重時幾分鐘內可引起跳機，而且降速時，轉子一階臨界轉速下振動明顯增大，這是由于降速過程中碰磨雖有所減輕但仍未消失。

6　振動故障診斷及防治

為對浮動和接觸式密封振動故障進行診斷，介紹了密封瓦、浮動油擋和接觸式密封引起振動的主要特征。盡管這些密封裝置產生振動的機理均屬于轉軸碰磨產生熱彎曲，引起不平衡振動，但就其振動特征看，與一般的轉軸碰磨振動尚有明顯不同，再結合軸系中是否安裝了這些密封裝置，由此可對故障原因作出明確診斷。

1.振動故障原因診斷

為獲得可靠、嚴密的診斷，對這些密封裝置引起的振動故障進行診斷時應注意以下幾點。

1.1振動性質是普通強迫振動

由于這些密封裝置產生振動的機理均是由轉軸碰磨引起熱彎曲，產生的是不平衡振動，振動基頻分量占95%以上，因此從振動性質上屬普通強迫振動，因此首先可排除運行中突發的軸瓦自激振動。

1.2區分一般轉軸碰磨振動

轉軸碰磨振動較為常見，尤其是汽輪機轉子，一般轉軸碰磨振動。早期振動存在不規則波動；而在中后期，由于轉子熱彎曲急遽增大，振動不可能形成規則的周期性波動，出現振動緩慢爬升且軸系平衡無端惡化的現象，因此需區分的是基頻振動迅速爬升，因為浮動、接觸密封和一般轉軸碰磨振動均可產生這種振動現象。工作轉速下，一般轉軸碰磨振動主要發生在低壓轉子上，高、中壓轉子很少發生。

1.3密封瓦碰磨振動只能在響應很高的軸系上發生

由于密封瓦具有良好的潤滑，長期現場運行經驗證明，只有當不平衡響應較正常值高3～5倍以上時，方可產生明顯的碰磨振動。

1.4排除轉動部件飛脫引起的振動

由于這些密封裝置引起的振動往往在機組正常運行時突然發生，它與轉動部件損壞飛脫引起的振動較相似。這2種振動主要區別有：（1）轉動部件飛脫引起的振動是真正嚴格意義上的突然發生，時滯很小（0.1s內），而密封裝置引起的振動有較大的時滯，時滯達20～40min。（2）轉動部件飛脫引起的振動絕大多數是一次性的，而密封件引起的碰磨振動會頻繁發生。

1.5振動出現和密封裝置使用歷史的相關性

機組振動發生與這些密封裝置使用時間是否直接相關。如無直接關系，即可排除密封裝置引起的振動；如有關系，還需根據振動頻譜（振動性質）和振動與時間的關系曲線作出肯定的診斷。

2.防治對策

由大量現場振動測試表明，浮動和接觸式密封對軸系振動產生了不可忽視的影響，但這些密封裝置具有良好的密封效果，目前還不能全盤否定，尤其是發電機密封瓦，因此有必要進一步討論如何減小這些密封裝置對軸系振動的影響。

據近十幾年對這些密封裝置消振經驗的總結，其防治對策可歸納為以下幾點：

1）不平衡響應高的軸系盡可能不要采用浮動和接觸式密封。對于發電機和勵磁機密封瓦，若經診斷明確振動故障是由密封瓦碰磨引起，可采用加裝頂軸油的方法，減小浮動環與殼體之間的摩擦力，消除碰磨振動。

2）使用聚氟乙烯和毛氈條為材料的接觸式密封，應保持在轉動狀態下密封件與轉軸間壓力不能過高，最好有0.05～0.10mm的間隙，為此在靜態下，上部應預留0.25～0.35mm的間隙。（3）選用結構合理、加工精細、材料過關的浮動油擋。安裝時，應保持合理的徑向和軸向間隙，寧可將徑向間隙適當放大，犧牲密封效果，也不要將徑向間隙調小，引起振動。

4）根據具有良好潤滑的密封瓦引起的碰磨振動只能發生在不平衡響應很高的軸系，對浮動油擋可采用外接潤滑油的方法，消除浮動環與轉軸之間的干摩擦，減小浮動油擋碰磨對軸系振動的影響。據廣東韶關電廠8號機組的使用經驗，經多次振動測試結果證明，運行中軸振、瓦振波動很小，沒有發生二次漏油污染。

5）建議密封裝置的制造單位應配備振動水平較高的專業人員，對這些密封裝置如何減小對軸系振動的影響進行認真、深入地研究。

7　結論

由安裝在容量為25～660MW機組軸系不同軸向位置上浮動和接觸式密封裝置對軸系振動影響測試結果和長期使用的經驗總結，可得到以下結論：

1）發電機轉子上的密封瓦引起碰磨振動，必須同時具備該軸段的不平衡響應過高和密封瓦卡澀2個條件。

2）浮動和接觸式油擋、風擋，對于軸系不平衡響應正常的軸系也會產生顯著振動。這些密封裝置引起振動的故障原因主要是密封環與轉軸之間存在干摩擦；其次是設計、制造、安裝尚待改進。

3）不平衡響應很高的軸系，盡量不要采用浮動和接觸式密封裝置。

來源：《中國電力》