汽轮机安装振动原因与预防对策刍议

姜英栋

（晋能控股电力集团国峰煤电，山西吕梁 032200）

文章首先介绍了汽轮机振动的基本概念，分析了汽轮机振动会产生的危害。然后根据经验总结出造成汽轮机安装振动的产生主要是设计制造、动静部位摩擦、气流振动、油膜涡动和油膜振荡等诱因造成的。最后总结可以通过做好设备运行检查管理、加强动静部位摩擦故障诊断、做好气流激振和油膜振荡分析以及积极应用振动检测技术等方法来有效预防汽轮机振动的情况出现。希望通过本文的分析总结，为汽轮机安装振动原因与预防对策提供有价值的意见和建议。

1 汽轮机振动分析

1.1 汽轮机振动的概念

对于大部分转动机械来说，在工作过程中产生一定的振动是不可避免的，一般来说，每种机械都有一个规定范围内的振动幅度，汽轮机也是如此，只要不超过标准的振动幅度，都算是正常运转下会产生的振动。而本文讨论的是，在振动幅度超过标准范围时，会对设备造成损害、会影响汽轮机正常运转的异常振动。汽轮机本身是一种比较精细的设备，它集合了自动化控制、机械和电力等学科技术，被广泛应用在化工和电力行业中。通常影响汽轮机振动的外在原因有轴系质量原因、摩擦力原因、膨胀系数、轴承磨损或轴承座松动、电磁力不平衡等[1]。如果仅仅是这些原因自身出现问题，不会对汽轮机的振动带来致命伤，问题就在于在这个过程中，汽轮机的异常振动会影响其他零部件产生松动或损坏，在异常振动—零件损坏—动静摩擦增大—引发进一步强烈振动的恶性循环中，汽轮机就会出现明显的故障。

所谓振动，就是设备的零部件在工作过程中偏离了原定的平衡位置，动能导致其位能产生改变，位能的改变又进一步使其动能发生变化，所产生的连续性的影响运动。从一般概念来讲，汽轮机在做功时产生的自主振动是正常的，不会对机体造成进一步的损害，而当汽轮机受到一定程度的受迫振动时，振动就会超出规定的范围，难以承受的连续冲击力会对汽轮机的零件和正常工作造成不良影响。判断振动是否出现异常的指标是振动的频率，影响振动频率的因素包括振动的方向和振动的幅度，通过在某一时间内对汽轮机振动频率的统计，包括振动的横向、纵向和扭转方向以及双向、单向振幅的监测，就能知道汽轮机的工作运转是否正常[2]。

1.2 汽轮机振动的危害

在上文振动的概念中介绍到，汽轮机在规定标准范围内的振动，对机体零部件和正常运行的影响是在可接受范围内的，这样的振动被称为自主振动，同时也是正常振动[3]。而当振动的频率或幅度超出标准范围内时，就会对机体本身的零件或结构造成冲击和破坏，进而影响汽轮机的运行和电厂的正常工作。无论是汽轮机的正常工作、机械和电厂的安全性能还是电厂的经济收益、工作人员的人身安全，都会遭受巨大的负面影响。汽轮机振动产生危害的机制主要有三个方面：①汽轮机异常振动时，由于振动的频率过高、振动的幅度太大，牵连了其他零部件的振动，导致零部件松动，机组的稳定性不足；②汽轮机振动时导致零部件振动加强了机体的整体受力和电机零部件之间的摩擦力，导致汽轮机的自身损耗负载；③异常振动会影响正常的工作效率，降低电厂发电的质量，同时出现异常还需要对汽轮机进行检修和停工整顿，导致电厂的经济效益大为受损。因此，在汽轮机投入使用前，要对其进行运行测试，保证各个轴承和零件安装连接完好，振动的幅度和频率在规定的标准范围内。在运行过程中一旦发现异常振动，要立即停机检查，找出问题的根源并采取积极的方案措施解决问题，直到机器调试好之后才能继续投入使用。

2 汽轮机振动异常的原因

2.1 设计制造

汽轮机在工作过程中，其动力来源是由连接旋转中心的转子，在高速旋转的动能下提供的，在转子旋转时，要围绕一个稳定的中心以相同的速度和角度旋转，才能保持离心力的平衡，从而保持机械总体上的平衡。当转子与其所连接的旋转中心重合性较差时，高速旋转就会产生偏差，影响整个机械的稳定性。由旋转带来的晃动会引发汽轮机的异常振动。所谓的离心力可以理解为月亮围着地球转、地球围着太阳转，以及地球、月球自转的能力，可见离心力的能量是十分强大甚至具有一定的破坏性的。在转子和中心连接良好，转动自如的情况下，离心力是相对稳定的，而一旦转子的质心和旋转中心不能很好地重合，离心力就会超过一定的范围，破坏汽轮机工作的秩序性。因此，在设计、制造汽轮机时，要保证装配的质量、机械加工的精度、生产制造过程中的质量把控问题等。

导致汽轮机出厂不合格的因素有很多：①设计方面的问题。汽轮机的设计方案没有按照其使用要求来设定，所设计的生产方案与实际需求不匹配，即便按照设计方案生产出来的机器本身没有问题，但是使用时不能达到电厂对汽轮机的工作要求，造成可用性低下。②制造方面的问题。在制造过程中，机械的加工精度不够细致，导致汽轮机的转子在旋转过程中出现不平衡现象，在高速或者低速运转过程中都会造成汽轮机的异常振动。因此在设计制造汽轮机时，要时刻注意机械加工的精度，保证所生产的部件足够优质和装配的质量达到要求。在安装转子之前，要对每一级叶片进行动平衡试验，保证每一级叶片的转动都是连续、顺畅、质心与旋转中心重合的。在安装好质子之后，要对质子的旋转进行高速动平衡和低速动平衡检测，保证转子在旋转时产生的离心力在合理范围内。

2.2 动静部位摩擦

汽轮机在运转过程中，质子的旋转是一个必然的过程。由于汽轮机的机械零部件是一个可活动的、由各个零部件相互连接起来的整体，当质子旋转时，零部件会因为振动而被带动着活动，当运转的时间足够长，零部件之间就会因为日复一日的轻微晃动而松动，直至转子的中心偏离几何中心。一旦转子偏离了旋转的几何中心，轴心和连接点之间产生的间隙就会越来越大，当偏离的距离达到两端支承轴承的径向间隙时，转子就会触碰到其他的零部件。其他零部件在转子离心力的影响下，会产生一个相对的摩擦力，从而造成汽轮机动静部位摩擦的问题出现。由此可以总结出，产生动静部位摩擦的原因有三点：①转子的振动引起零部件之间的摩擦；②轴心偏斜导致离心力超过正常的范围，引起动静部位的碰磨；③动静间隙过小，导致离心力的进一步加大和转子对静部位造成直接的影响，引起剧烈的振动。在实际的检查过程中，要根据情况具体分析，判断出异常振动出现的真实原因，再按照实际需求来解决问题。

2.3 气流激振

气流激振是指在汽轮机运转时，产生的气体影响了机械内部的压力，压力降低的情况下转子由于受力发生变化而产生了相对的位移。又由于转子一直处在旋转过程中，在边位移边旋转的情况下会形成一个漩涡，进而引起汽轮机振动异常。在实际工作中，可以依据低频分量的数值和运行参数来对气缸是否产生偏移做评估，出现较大值的低频分量或是运行参数异常，都是存在汽流激振的特征[4]。

出现汽流激振的原因主要有两点：①由叶片不均衡引起的；②由轴封故障引起的。叶片的不均衡会引发气流冲击，造成气流激振。从实际情况来看，由于汽轮机的叶片较大较长，末端受控制程度较低，因此即便是前端出现轻微的不均衡，也会引起末端的膨胀使其在旋转过程中造成流体紊乱，引发气流激振。轴封所引发的气流激振问题需要长时间对机组振动的数据进行监测记录才能评估出来。在机组工作过程中，要将其满负荷数据做成机组曲线表，通过对照曲线表观察机组工作时升降负荷速率的改变，一旦发现异常，就要根据曲线的变化对汽门的压力进行调节，针对性地解决气流激振的问题。

2.4 油膜涡动和油膜振荡

除了轴封故障引起的气流激振会导致汽轮机异常振动，轴系一旦出现问题，也会造成同样的后果。轴系是汽轮机工作过程中用以支撑滑动轴承的，油膜涡动正是出现在这个环节中。当滑动轴承所承受的力量超过其负荷时，轴系中轴颈就会随着负载的变化产生位移，在位移的过程中又会因为惯性而进一步加强其活动的动力，形成一股机械本身难以阻挡的动载荷。动载荷在汽轮机的运转过程中会不断对轴颈的运动产生影响，导致其离轴承的中心位置越来越远。这个时候如果加入一股外界的扰动力，就会改变轴颈的运动轨迹，两股作用力相互影响下，轴颈就会回到原来的位置或是找到一个新的平衡点，让轴承回到稳定状态。当影响轴颈运动的两股作用力无法让轴颈在运动过程中回归平衡时，轴颈仍会围绕轴颈中心的平衡线发生偏移运动，这种状态就被称为油膜涡动。油膜振荡出现在油膜涡动的频率与转子的固有频率相等的时候，此时油膜涡动和转子运动会引起共振，由于共振产生的影响会让汽轮机振动异常。在这个过程中，不是在油膜涡动的初始阶段就会发生共振，通常来说油的平均流速是转轴角速度的一半，因此油膜涡动又叫做半速涡动，当半速涡动的转速提高到两倍时，其运动频率就会不断趋近于转子的固有频率，就会产生油膜振荡。

3 预防汽轮机振动的对策方法

3.1 做好设备运行检查管理工作

汽轮机作为一种结构复杂，零部件较多的机器设备，要做好其设备的运行检查和管理工作是一件较为繁琐的事情。因此对于参与汽轮机操作和检查的工作人员，应进行科学细致的岗位技能教育培训。在培训过程中严格按照汽轮机的运行规程来展开学习，加强安全操作意识，保证能够在后期的监视、检测过程中严格按照要求标准来。操作人员更要在操作过程中以一丝不苟的态度和专业的知识来完成工作，当发现汽轮机出现异常振动时，要有及时发现问题和解决问题的能力。

在检查管理过程中主要要检查五个方面的内容：①检查汽轮机的转子是否符合工作要求，各个叶片的位置、工作状态是否正常，出现问题的时候要及时对各个部位之间的动静间隙进行调整和优化，对于需要更换的叶片要及时做更换处理；②在汽轮机工作过程中，对转子和气缸的膨胀规律进行记录分析，在开机之前和运转一段时间后要进行停机检查和调试；③在机组停机的时候，对设备工作过程中的各项参数仔细观察，尤其是蒸汽参数的变化、温度的变化以及压力和轴承振动的变化，要在再次启动之前将出现异常的部位调整好；④在机组运动时时刻避免水分冲击到汽缸，无论是开机还是停机时都要避免冷水或冷汽进入汽缸；⑤在机器的运转发生剧烈变化时监视其转子晃动和振动的频率，一旦晃动或振动的频率超过了规定范围内，要立刻停机。

3.2 加强动静部位摩擦故障诊断

在汽轮机工作过程中，摩擦几乎出现在每一个环节中，这为汽轮机动静部位的诊断增加了难度。在对动静部位的摩擦进行诊断时，需要运用多种手段进行组合来提高诊断的准确性。其中包括但不限于汽轮机启动和停止时的波特图、极坐标图、全频谱级联图以及汽轮机的安装、检修情况等。在确定存在动静部位摩擦的情况后，要利用电涡流传感器进行确诊，如果没有安装电涡流传感器，则要先安装好之后再进行下面的诊断。

3.3 做好气流激振和油膜振荡分析

在对气流激振故障进行检测时，首先要将汽流激振相关的数据信息进行搜集整理，然后将这些信息以图表的形式展现出来，通过对图表形状数据的对比，找出产生本次气流激振的内在规律，然后有针对性地制定解决方案。而要对油膜振荡进行诊断的方法则有很多，其中主要有轴瓦比压增高法、减小轴瓦顶部间隙法、增加轴瓦轴承合金宽度法、适当缩小轴颈与轴瓦的接触角度法、减小润滑油动力粘连度、调整转子平衡状态等方法，在诊断时选择最为合适的一种方式进行分析即可。

3.4 积极应用振动监测技术

一般来说汽轮机出现故障不是一蹴而就的，而是在持续的动态工作中变化形成的，要了解这个过程，在出现严重故障之前找到问题，就需要利用现代技术对其进行监测。通过有效的监测，可以将汽轮机当前的工作状态与正常的工作状态进行对比，观察运行过程中各项状态的变化。对于存在异常的环节要及时采取有效的解决措施，以降低故障出现的概率，节约后期的维修成本，提高设备的使用寿命和价值。

4 结束语

本文对汽轮机安装振动的原因展开了分析，并提出了一些可行性较高的预防政策，旨在能够推动我国发电事业的发展，为居民的生活生产用电安全提供有力的保障。