汽輪機轉子中心孔進油誘發(fā)異常振動故障分析診斷

1、收稿日期:2006 02 12作者簡介:張其顯(1966 ,男,河北邢臺人,高級工程師,現(xiàn)從事發(fā)電廠生產和技術管理,曾進行過多年的汽輪機檢修和軸系振動分析處理。汽輪機轉子中心孔進油誘發(fā)異常振動故障分析診斷張其顯1,劉曉鋒2(1軍糧城發(fā)電廠,天津300300;2東南大學振動控制與信息系統(tǒng)研究所,南京210096摘要:汽輪機轉子中心孔進油能夠造成振動異常,現(xiàn)場實際中,這種故障的診斷存在一定難度。介紹了某電廠4號機組2005年發(fā)生的一起中心孔進油故障的振動特征、分析思路、過程和診斷依據(jù),可供同類故障分析參考。關鍵詞:汽輪機;中心孔進油;振動故障診斷分類號:TK267 文獻標識碼:B 文章編號:100

2、1 5884(200701 0057 03The Ana lysis and D iagnosis o f Abnor m al V i b ration Induced by O il TrappedInside the CentralH ollow Stea m Turbine s RotorZ HANG Q i x ian 1,LI U X i a o feng2(1Junliangcheng Po w er P lan,t T ian jin 300300,Ch i n a ;2V i b ration Control and Infor m ati o n Syste m I nst

3、itute SoutheastUn i v ersity ,Nanji n g 210096,Ch i n aAbstrac t :T he o il trapped i nside t he centra l ho llow stea m t urbi ne s roto r can induce abnor m a l v i brati on .In pa l ace ,it sfa irl y d ifficu lt t o identify th i s k i nd o f fault .The N o .4un it at j un liangcheng pow er p l a

4、nt has a fau lt of o il trapped i nsi de the centra l ho ll ow rotor i n 2005.Th is paper i ntroduces t he v ibra tion characters ,analytical i dea and basis o f d i agnos i s o f t he oil trapped i nsi de the centra l ho llo w stea m t u rbine s roto r ,wh i ch can beco m e re ferences fo r i denti

5、 ca l faults .K ey word s :stea m turb i ne ;oil trapped i n side cen tral holl ow rotor ;d i agnosis of v i bration fau lts0 前 言帶有中心孔的轉子中心孔進油,是引發(fā)汽輪機振動異常的重要原因之一,雖然發(fā)生率較低,但診斷困難,常常要經過多次反復啟機,在排除了所有其它可能的故障后,才能集中到中心孔進油的分析和確診上。本文介紹了對某電廠4號機組中心孔進油故障的分析、診斷過程和判斷依據(jù),具有一定的代表性。某電廠4號機為51-50-1型50MW 凝汽式機組。汽/電對輪為半撓性聯(lián)軸

6、器,機組軸系如圖1 所示。圖1 4號機組軸系示意圖2005年10月4日,4號機大修后啟機,3000r/m i n 各軸承振動30 m 以內,做超速實驗后并網帶負荷,升負荷過程中2號瓦水平振動略有爬升,運行一周后,出現(xiàn)2號瓦水平振動逐漸爬升到40 m 50 m 。利用周末調峰停機機會,決定在汽/電對輪加重,加重后,3000r /m i n 時2號瓦振動有所降低,但帶負荷仍偏大;同時,還有1號瓦短時振動增大的現(xiàn)象。經過分析、診斷,確定故障原因是汽輪機轉子中心孔進油,同時伴有軸系失穩(wěn)。處理后機組啟動,3000r /m i n 時各軸承振動正常,失穩(wěn)現(xiàn)象消除,負荷上升各軸承振動增幅也明顯減少。這是國內

7、同類故障中較快確認故障的一個實際案例。1 中心孔滯留液體造成振動的機理中心孔滯留液體后會使轉軸出現(xiàn)振動問題。根據(jù)誘發(fā)振動的機理不同分為兩類故障:軸系失穩(wěn);質量不平衡。圖2顯示了高速旋轉離心機械中心孔內存有液體造成軸系失穩(wěn)的機理1。由于轉子的旋轉,孔內的液體沿徑向被甩偏,在液體黏性剪切力的作用,旋轉的內孔表面會拖動液體沿轉動方向移動一個角度,使得液體離心力相對于高點有一個超前角 。這樣,離心力可以分解出一個與轉子渦動 方圖2 轉子中心孔進油造成振動的力的分析O 渦動中心;C 轉動中心;OC 渦動矢量;轉速;! 渦動速度; >!第49卷第1期汽 輪 機 技 術Vo.l 49No .12007

8、年2月TURB I N E TEC HNOLOGYFeb .2007向一致的切向力,這個力誘發(fā)轉子向前渦動,造成轉子失穩(wěn)。Eh ric2的研究表明,渦動一般是次同步的,失穩(wěn)轉速總是大于轉子臨界轉速小于2倍轉子臨界轉速,渦動頻率與轉子轉速的比值是0.51,轉子軸承系統(tǒng)易于發(fā)生與它本身的固有頻率一致的渦動。除可能造成失穩(wěn),中心孔進油還會導致轉子不穩(wěn)定的質量不平衡。如果中心孔內存有液體而未被充滿,高轉速下該液體便會受到離心力的作用而甩向內腔四壁。由于中心孔的幾何中心與轉軸的旋轉中心不重合,貼向四壁的液體厚度在圓周方向上不會相同。轉子加熱到一定溫度,黏附在中心孔壁上的潤滑油與孔壁發(fā)生熱交換,這種熱交換

9、在轉子徑向方向上是不均勻的,于是轉子出現(xiàn)不對稱溫差,發(fā)生熱彎曲,進而產生不平衡質量引起振動增大。汽輪機轉子中心孔進油在現(xiàn)場時有發(fā)生,進油的原因有兩種可能,一是中心孔探傷完后油沒有清理干凈,殘存在孔內;二是中心孔堵頭不嚴或中心孔與外界有諸如孔、縫隙等相通之處。機組帶負荷后,孔內進油氣化膨脹而散出,停機轉子冷卻后,孔內氣體凝結形成負壓,把透平油吸入。隨著啟停次數(shù)增多,轉子被多次冷卻和加熱,孔內積油逐漸增多,造成帶負荷后轉子熱彎曲逐漸加劇,振動愈來愈大。從現(xiàn)場機組發(fā)生中心孔進油的實例看,振動特征有共同之處,即都出現(xiàn)工頻振動增大的現(xiàn)象。具體有如下特征3:(1工頻振幅隨時間緩慢增大,時間度量大約是數(shù)十分

10、鐘或1h2h,出現(xiàn)的工況一般在定速后空負荷或帶負荷過程。(2故障的出現(xiàn)通常在新機調試階段或機組大修后。往往初始的一、二次啟動沒有異常,后幾次越來越明顯。因此,判斷的一個很重要的依據(jù)是將幾次開機的振動值進行比較。根據(jù)現(xiàn)場振動處理實例,50MW機組汽機轉子中心孔進油約200g300g即可引起較明顯的振動,孔內油量越多,異常振動越顯著。2 4號機振動特征及原因分析2005年10月4日,4號機大修后首次啟機,2號瓦瓦溫高,各瓦振動良好,停機翻瓦處理。再次啟機,3000r/m i n定速各軸承振動良好,只有30 m左右,于是機組進行噴油實驗和超速實驗,然后并網帶負荷。升負荷過程中2號瓦水平振動略有爬升,

11、滿負荷時2號瓦振動36 m,運行一周后,2號瓦水平振動逐漸爬升到40 m50 m,最高達到50 m。振動測試數(shù)據(jù)表明,2號瓦振動上升主要是工頻分量增加,利用周末調峰停機機會,決定在汽電對輪上加重680g,進一步壓低2號瓦3000r/m i n定速的振動值來抵償它隨負荷上升而增大的振動。加重后啟機,3000r/m i n定速,2號瓦振動有所降低,機組開始并網帶負荷,然而隨著負荷的上升,2號瓦振動迅速爬升,與處理前的帶負荷振動數(shù)據(jù)比較反而惡化了。于是打閘停機,再做進一步分析、處理。從幾次開機的振動數(shù)據(jù)看,4號機大修后運行出現(xiàn)2號瓦水平方向一倍頻振動隨負荷增大的現(xiàn)象,應該是質量不平衡的原因,但這種不

12、穩(wěn)定質量不平衡的來源還需要進一步分析、判斷。產生這種隨負荷變化的不穩(wěn)定的不平衡質量,一個可能是出在汽/電對輪短節(jié)上,對輪扭矩隨負荷增大出現(xiàn)微小位移,造成不平衡質量分布狀況改變,這一般會造成2號和3號軸承振動同時增大,且振動相位應該是同相的。但是4號機大修后,帶負荷運行過程中,發(fā)電機3號、4號軸承振動穩(wěn)定,不隨負荷增加,均在30 m以下。因此誘發(fā)2號瓦異常振動的故障源應該在汽機側。另一個可能的原因是汽輪機滑銷系統(tǒng)卡澀導致汽缸膨脹不暢,使軸承座剛度降低,這時汽機軸承振動會隨負荷增加變大。在升負荷過程中,觀察汽缸脹差,汽缸前后左右膨脹均勻,由此可以排除汽缸膨脹不暢的影響。隨蒸汽參數(shù)的提高轉子出現(xiàn)熱彎

13、曲也會導致2號瓦振動隨負荷變化。導致轉子熱彎曲的主要原因有:(1轉子材質不均;(2汽缸和本體疏水不暢;(3動靜碰摩;(4中心孔進油。4號機已運行多年,大修前沒有出現(xiàn)過隨蒸汽參數(shù)增加轉子熱彎曲的現(xiàn)象,因此轉子本身材質不均造成熱彎曲不太可能;另外,帶負荷過程中,對汽缸和本體疏水檢查也未發(fā)現(xiàn)異常。高負荷下如果發(fā)生動靜碰摩,會使轉子彎曲,引起一倍頻增大,同時振動相位要連續(xù)改變。中心孔進油時,隨負荷增大轉子發(fā)生熱彎曲,產生一倍頻增大的現(xiàn)象,而且振動相位也發(fā)生變化,這似乎與動靜碰摩有相似之處。但是4號機大修后,曾在滿負荷運行一周左右時間,2號瓦振動才開始隨負荷增加變大,而且停機后再次開機振動變小,帶負荷后

14、振動又增大,幾次開機比較振動有惡化趨勢,這些特征都是中心孔進油誘發(fā)異常振動的典型特征,有必要對汽輪機轉子中心孔進行檢查。另外4號機帶負荷過程1號瓦出現(xiàn)短時振動增大的現(xiàn)象。振動測試數(shù)據(jù)說明1號瓦振動突增是由于25H z低頻振動分量增大,屬于軸系失穩(wěn),和軸承穩(wěn)定性有關。半頻振動的原因主要與軸承幾何參數(shù)及瓦的標高有關,如軸承頂隙過大、瓦面形狀不正確、軸承承載偏輕等,均可以造成轉子失穩(wěn)。因此,決定檢查轉子中心孔的同時檢查1號瓦。3 檢查處理10月19日夜,對4號機進行了檢查、處理。具體內容如下:(1解開前箱,打開大軸前危急保安器短軸,發(fā)現(xiàn)轉子中心孔有油,估算共約300g,另發(fā)現(xiàn)危機保安器短軸與轉子連接

15、處的端面頂絲松動,且連接對輪子口密封面有間隙。用棉紗清理干凈大軸中心孔的油,將松動的頂絲焊死并將對輪子口密封面涂密封膠。然后回裝。雖然4號機汽輪機轉子中心孔進油只有300g,但導致的熱彎曲足以破壞轉子原來的平衡狀態(tài)了3。4號機大修時,由于轉子中心孔端部堵頭頂絲松動,有可能在做噴油實驗時高壓透平油從危急保安器短軸中心孔通過該頂絲縫隙噴入汽機轉子中心孔;此外,由于保安器短軸和汽輪機轉子連接對輪子口有縫隙,在第一次停機處理2號軸承瓦溫高時,轉子由熱態(tài)變成冷態(tài),轉子中心孔形成負壓,透平油就被吸入轉子中心孔,但是量還不是很大。58汽 輪 機 技 術 第49卷第二次停機在汽電對輪加重時,轉子又一次經歷加熱

16、和冷卻過程,透平油又一次被吸入中心孔。因此,4號機在初始啟動時沒有表現(xiàn)出振動異常,但隨后的幾次開機中心孔進油逐漸增多,機組振動則呈惡化趨勢。(21號瓦上瓦側隙、頂隙基本正常,但瓦面大面積磨損;翻下瓦,瓦面垂直下方約90!的弧面,堆積有上瓦趕下來的鎢金,這些鎢金已與軸頸磨合成為完全吻合的弧面;這相當于1號軸承瓦面成為了標準的圓柱軸承,中分面測得的側隙是假象。軸承與軸頸間的楔形間隙是建立穩(wěn)定動壓油膜的基本條件之一,正是這種與軸頸完全吻合的圓弧面破壞了油膜形成造成軸承失穩(wěn)。于是,對1號瓦下瓦進行了修刮,恢復橢圓瓦形。(32號瓦上瓦瓦面無磨損;翻下瓦,下瓦面也無磨損,狀況良好,按原樣恢復。(4汽電對輪

17、加的680g重量保持不動。4 處理后開機振動情況機組故障處理后啟機運行,振動一直比較穩(wěn)定,如表1所示,機組定速后到最高負荷過程,1號、2號瓦振動略有增大,但增大的幅度小于處理前,這表明本次清理中心孔殘油是正確的。圖3中1號瓦振動時間趨勢圖顯示高負荷時1號瓦振動還有些偏高,主要是一倍頻高些,但相位穩(wěn)定,可考慮調整汽電對輪上原加的680g重塊,進一步降低1號瓦振動。表1 4號機組定速及帶負荷過程中1號和2號軸承通頻振幅單位: m 時間工況1瓦1瓦2瓦2瓦16:313000r/m i n25201920 17:334.8MW25201926 18:3215MW37292033 19:3225MW29

18、301735 20:1838MW34332434 20:3350MW34331829 21:0252MW35332530 22:0250MW34331829 22:2245MW323124 34圖3 高負荷時1號瓦垂直方向振動時間趨勢圖1號瓦原有短時出現(xiàn)的低頻振動已經消除,圖3中1號瓦振動趨勢顯示,通頻和一倍頻的振幅差值很小,振動以工頻為主,整個升負荷過程沒有發(fā)現(xiàn)1號瓦低頻振動增大; 21:00左右最高負荷時,曾將油溫降到36#,振動依然正常,1號瓦沒有起振,如表1所示。5 結 論轉子留有中心孔如果堵頭不嚴,會引起中心孔進油或進水,造成轉子熱彎曲引起振動。4號機故障是由于安裝時前箱危急保安器短

19、軸端面頂絲松動和堵頭未封嚴,透平油被吸入轉子中心孔。另外在汽電對輪處,汽輪機轉子半撓性聯(lián)軸器波形桶上開有排氣孔,中心孔與外界相通,也會導致中心孔進油,檢修或安裝時應進行檢查。轉子中心孔進油與轉子動靜碰摩故障的振動特征有相似之處,診斷時往往難以區(qū)分,本例若按動靜碰摩處理則既難于確定碰摩部位又延誤工期。與動靜碰摩相比,判斷中心孔進油的一個重要依據(jù)是將幾次開機的振動值進行比較。一般情況下,機組初始啟動時不會表現(xiàn)出振動異常,但隨后的幾次開機中心孔積油逐漸增多,機組振動則呈惡化趨勢。參考文獻1 Rorordyna m ic of Tu rbo m ac h ineryM.N e w York:J O HN W