汽轮机动静碰摩的特征及诊断要点

黄永亮，张晓旭

(1.哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨 150001； 2.哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨150001)

汽轮机动静碰摩的特征及诊断要点

黄永亮1，张晓旭2

(1.哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨 150001； 2.哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨150001)

汽轮机组动静碰摩是由于在机组运转过程中其运动中的部件与静止部件之间的摩擦碰撞产生的，在大型汽轮机的运行过程中经常会出现因碰摩而产生的故障。随着我国大型汽轮机组工作效率的不断提高，汽轮机的动静碰摩情况增加，主要是由于动静间隙变小所导致。从汽轮机动静碰摩的起因和特征出发，重点介绍其解决要点。

汽轮机组；动静碰摩；诊断要点；故障特征

从汽轮机的碰撞原因分析，汽轮机组之间有时是因为设计不合理、系统膨胀不畅导致的，还有一些原因是由于制造公差、汽缸和隔板套之间的关键材料在热处理时处理不当而产生的。在现场安装时，应严格按照图纸的技术要求和技术规范来精细安装，在启动和运行过程中，其参数控制不严谨也会产生碰撞，导致系统的检修。动静碰摩通常会导致转子发生比较大的振动，在转子和轴瓦接触时会产生较多的热量，使转子因受热而发生弯曲。在进一步分析轴瓦和转子的转动情况后，会发现碰摩情况发生更加频繁，易导致振动和碰摩的恶性循环。当碰摩情况发生严重时，会导致汽轮机的叶片发生断裂及轴的塑性变形，甚至整个轴系都会遭到破坏。除了造成一定的经济损失外，还可能在类似故障发生后带来电网运行不稳定，甚至其他恶性事故。因此，增加对汽轮机组动静碰摩的原因分析非常必要。

1 汽轮机组运行过程中的动静碰摩原因

转子在实际转动中，转子中心偏离静止的几何中心，偏心量以及振幅矢量都会达到间隙碰撞的数值，在出现动静碰撞时，静止的部件和转动的部件之间会发生相互碰撞产生摩擦，在摩擦的过程中会产生大量的热量，持续碰撞摩擦后，碰摩点会有一个较大的局部温度上升空间，其温度高达上千度，相互接触碰摩的位置也有上百度的温度。由于局部的高温不均衡，转子会由于过热而发生变形，导致新的质量不平衡。当汽轮机组的转速达到3 000 r/s的恒速时，碰摩的情况没有出现，不平衡质量和机组的转速就会形成一个固定的角度，在碰撞过程中，转子和静止的部件相互接触会重新达到一个新高点，在对新高点进行局部加热时，转子会向高点进行弯曲偏移，并在翻转位置上重新附加一个不平衡质量，此时，要逆转角度，如从高点滞后的不平衡质量点看，不仅角度是固定的，不平衡质量以及高点也会发生逆转，在不断的碰撞摩擦过程中造成机组振动位置发生变化，且转子转动为静止接触的全过程摩擦，通过一周接触的部分碰撞摩擦之后，另一部分的碰撞摩擦也会集中出现各种物理现象与刚度变化。当转子的碰撞呈现周期性发展时，在不平衡质量上转轴振动会引起同步，同时，在相应基础的前提下由同一个碰撞力所产生的周期振动也会出现相同频率，固有频率与自由振动频率相同，碰撞摩擦会产生刚度变化。因此，在碰摩转子的响应部分，也有同步、次同步、超同步的区别。在实际碰摩过程中，碰摩的发生轴位置会影响相互碰撞，对锐度和结构造成冲击，使信号成分变得更加复杂，在不同情况下，使其发生不同的同步分量与超同步分量。

汽轮机组动静碰摩的原因。第一，汽轮机转子振动效果不好，使转子质量不平衡，出现转子弯曲、失稳的现象，无论从哪种情况带来的振幅增大，都会使转子存在于静止部分的碰摩，碰摩时机组故障的中间过程，不是振动直接引起的。第二，转子的质量不平衡。由于转子制造偏差、磨损、腐蚀等因素造成转子的中心与几何旋转中心不一致，运行时产生不平衡的离心力也是造成碰摩的原因之一。第三，动静间隙不足。图纸的技术要求中间隙定得过小，要求安装间隙的公差值不当；也可能是由于安装、检修检测过程中，测量数据不准确导致超差。而实际汽轮机通流间隙是水质、真空度、上下缸体温差等因素影响，开缸与全实缸状态下的间隙也有变化。第四，缸体调整不合格或缸体变形。大容量汽轮机高压部分的前汽封长，冷态启动时，启机速度及暖机时间未按规程执行，导致上下缸的温差参数超出了合理的范围区间，出现碰撞摩擦问题，甚至造成转子塑性弯曲。

2 汽轮机动静碰摩时的故障振动特征

2.1 碰摩故障的频谱特征

发生动静碰摩时会产生相应的脉冲碰撞激振力，整个动静系统出现固有的频率，一旦产生碰撞故障，振动频谱就会产生相对丰富的特征。可将故障信号分为1X、2X、3X、4X，有时也可能出现5X的高频分量。振动会随时间发生变化，且快慢不定。严重碰摩产生明显的高次谐波分量。

2.2 碰摩故障波形特征

汽轮机组在正常工作时发出的波形图是正弦波，经过动静碰撞摩擦之后，其波形会发生一定的变化，尤其是当碰撞摩擦的情况较为严重时，波形上也会出现较为明显的削波现象。

2.3 碰摩故障轴心曲线特征

当静止部分与转动部分二者之间出现单点局部碰摩时，若只有一个点，此时的轴心将呈现出8字形；如在动静部分上发生了多点碰摩问题，此时的轴心轨迹就会出现相互作用，将呈现出花瓣形状。从动静部分的实际发生规律来看，当发生周期性碰摩时，每个点都会发生碰摩，转子的轴心轨迹将呈圆形或椭圆形，但轨迹都很紊乱。

2.4 碰摩故障随时间变化的特征

当汽轮机组正常运转过程中，转子和轴瓦在振动时的相位变化是非常稳定的。如果出现了故障问题，在碰撞摩擦上就会出现额外的附加矢量力，使振动振幅、相位大小极不稳定。在碰撞故障发生后，特征与敏感参数如下所示：主要的频率分为高倍频率、低倍频率、高低组合频率；伴倍频率主要是一倍频；不仅不稳定且随机性较大；相位存在着反相变化与突然变化；轴心轨迹呈现出扩散状、紊乱状；进动方向呈现出正进动与反进动两种；波形会出现削波现象；和转速、压力、负荷、油温、流量等均无明显的对应关系。

3 判断汽轮机动静碰摩故障的要点

碰摩故障的典型特征：第一，振幅变大，在发生碰摩时，振幅呈缓慢，甚至中速增加；第二，相位变大，在恒定的转速时，转子碰摩发生的热弯曲会使不平衡质量点转动，使相位发生连续增大；第三，振幅、相位出现变化时应该滞后于运行工况的变化。第四，一倍频为主，振幅相位的变化均以一倍频为主，当碰摩情况发生严重时，会出现二到三倍频振幅的变化；第五，碰摩的认定应该在排除了转子材料热处理工艺不合理、顶轴油供油不足、负荷变化率过快等故障之后。

4 结语

随着我国汽轮机组发展技术的日益提高，汽轮机组转子弯曲事故也日益增多，根本原因是因为动静碰摩造成的，甚至还会造成整个轴系的破坏。在进行机组振动故障排查过程中，要严格防止转子弯曲和轴系系统事故的发生。本文介绍了汽轮机组动静碰摩故障的原理、缘由、特征及诊断动静碰摩故障的要点，可以在动静碰摩的故障诊断和状态中进行综合考虑并加以应用，以便为今后更好的处理汽轮机组动静碰摩积累丰富的经验。

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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