徐軍鋒

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

蒸汽輪機(jī)中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦是引起摩擦振動(dòng)的常見(jiàn)原因，對(duì)汽輪機(jī)摩擦振動(dòng)故障準(zhǔn)確的診斷和檢查對(duì)于提高機(jī)器安全性能非常重要。目前，在診斷摩擦誤差時(shí)，主要根據(jù)振動(dòng)，頻譜，波形或軸軌跡的變化來(lái)分析振動(dòng)特性。本文結(jié)合320 MW發(fā)電機(jī)的摩擦振動(dòng)特性，通過(guò)進(jìn)行分析，以改善汽輪機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中摩擦振動(dòng)的性能，分析摩擦振動(dòng)的特性找出發(fā)生故障的原因，提出了一種防止發(fā)生故障的方法，同時(shí)，為提升汽輪機(jī)的整體性能起著非常重要的作用[1]。

1 摩擦原因

動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦問(wèn)題通常會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)其他部件失效問(wèn)題，例如：導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲，它會(huì)加劇塊體振動(dòng)的惡化，導(dǎo)致大軸完全彎曲或塊體破裂。導(dǎo)致摩擦振動(dòng)故障的主要原因如下。

（1）轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過(guò)大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸的振幅超過(guò)振動(dòng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)偏差時(shí)，摩擦振動(dòng)可能就會(huì)發(fā)生損壞。

（2）動(dòng)靜間隙不足。設(shè)計(jì)空間值太小，安裝空間太小，或間隔調(diào)整不符合安裝和維護(hù)等要求，導(dǎo)致摩擦振動(dòng)發(fā)生故障。

（3）缸體跑偏、彎曲和變形。如果上輥和下輥之間的溫差大并且預(yù)熱時(shí)間不足，則輥可能變形甚至彎曲變形，這也是造成摩擦振動(dòng)發(fā)生故障的一個(gè)很大原因。

（4）轉(zhuǎn)子和軸承的不對(duì)稱(chēng)。旋轉(zhuǎn)部件的變形和位移，轉(zhuǎn)子和軸承中心不對(duì)稱(chēng)，在最外側(cè)導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)子傾斜，如果發(fā)生下面情況可能會(huì)導(dǎo)致摩擦性故障在短時(shí)間內(nèi)迅速增加：①摩擦誤差。②摩擦失效類(lèi)型的故障：振幅連續(xù)變化，波動(dòng)沒(méi)有明顯的規(guī)律。

2 振動(dòng)特點(diǎn)及診斷分析

2.1 振動(dòng)特點(diǎn)

發(fā)電廠(chǎng)的摩擦振動(dòng)型號(hào)主要有N320-16.2 和540。汽輪機(jī)由軸，加熱器，3 個(gè)蒸汽缸和脈沖冷凝裝置組成。軸系統(tǒng)包括高壓轉(zhuǎn)子，壓力轉(zhuǎn)子，低壓轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，母轉(zhuǎn)子等軸承組成。高壓轉(zhuǎn)子和壓力轉(zhuǎn)子由3 個(gè)軸承和另一個(gè)轉(zhuǎn)子組成，這是中壓缸的啟動(dòng)模式，即中壓缸的蒸汽缸。一旦蒸汽參數(shù)達(dá)到特定要求，來(lái)自高壓汽缸末級(jí)的蒸汽就會(huì)迅速加熱，就是所謂的高壓缸被加熱。

從2012 年3 月31 日開(kāi)始進(jìn)行第一次啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程，高壓缸倒暖電動(dòng)門(mén)，4X 軸振達(dá)到138 μm 后，打閘停機(jī)。盤(pán)車(chē)6 h 第二次啟動(dòng)，剛達(dá)1440 r/min 時(shí)，4X 軸振為102 μm，7 min 后4X 軸振動(dòng)水平達(dá)到170 μm，5X 達(dá)到126 μm。在速度降至1250 r/min 時(shí)暖機(jī)4 h 后4X 軸振動(dòng)保持在84 μm，速度在3000 r/min，5X 達(dá)到122 μm。固定速度4X 達(dá)到152 μm。該設(shè)備在4 月1 日上午9 點(diǎn)39 分連接到電網(wǎng)，在帶負(fù)荷過(guò)程中2W 軸，3W 軸，4W 軸和5W 軸振直接線(xiàn)加，特別是4W 軸，5W軸達(dá)到了220 μm，立即打閘停機(jī)。

2.2 機(jī)組及振動(dòng)情況

電廠(chǎng)汽輪機(jī)型號(hào)535 和N135-13.24，發(fā)電機(jī)型號(hào)WX21Z-073LLT，上海汽輪機(jī)廠(chǎng)和山東濟(jì)南發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)制造。該裝置的軸系統(tǒng)包括高壓和中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和氣缸轉(zhuǎn)子。高壓，中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)的支撐部件，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)于2010 年8 月20 日建立。當(dāng)機(jī)器裝載開(kāi)始時(shí)，軸承2 次和3 次摩擦振動(dòng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)象，在汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中觀察摩擦振動(dòng)的特性，然后根據(jù)設(shè)備的振動(dòng)趨勢(shì)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，假設(shè)不包括以下誤差：①裝置的振動(dòng)特性評(píng)價(jià)，僅用裝置達(dá)到3000 r/min；②振動(dòng)表現(xiàn)出快速恢復(fù)現(xiàn)象，2個(gè)軸承的X 軸振動(dòng)從10 h 迅速變化到15 h。振動(dòng)數(shù)據(jù)的幅度呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)狀態(tài)，并且振動(dòng)的幅度在短時(shí)間內(nèi)顯著增加。根據(jù)上述振動(dòng)特性，初步估計(jì)發(fā)生摩擦故障的原因。

2.3 診斷分析

基于上述振動(dòng)特性，每個(gè)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)可以確定為靜摩擦和動(dòng)摩擦。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦主要發(fā)生在調(diào)試或維修新機(jī)器以及維修之后。隨著速度和負(fù)載的增加，徑向間隙可以在明顯的振動(dòng)后進(jìn)行移動(dòng)，從而減少磨損。在加熱期間，軸的振動(dòng)逐漸增加。這是因?yàn)榧訜嵬咕壓碗p頭螺栓的溫度與氣缸溫度不匹配，從而導(dǎo)致高壓氣缸膨脹。

在啟動(dòng)期間減小設(shè)備負(fù)載，可以提升轉(zhuǎn)動(dòng)速度，蒸汽溫度上升更快并且氣缸更快膨脹。當(dāng)高壓缸的差異膨脹超過(guò)1.7 mm或平均壓力的差異膨脹為正時(shí)，軸振動(dòng)將會(huì)呈現(xiàn)2W 并且3W的增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)，汽輪機(jī)切割滾筒也會(huì)影響軸的振動(dòng)。當(dāng)切割圓筒工作時(shí)，蒸汽的溫度為420 ℃。此時(shí)，汽缸溫度為380 ℃，部分蒸汽溫度高于汽缸溫度，導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子比氣缸收縮更快并且易于引起不適當(dāng)?shù)牟町惻蛎?。在蒸汽密封的旋轉(zhuǎn)軸中，蒸汽的鏈輪和蒸汽的殼體之間的軸向間隙消失，并且發(fā)生移動(dòng)進(jìn)而停止摩擦。徑向摩擦軸具有耐磨性，當(dāng)軸的摩擦力更大時(shí)，振動(dòng)越厲害。

汽輪機(jī)于4 月1 日下午5 點(diǎn)50 分第三次啟動(dòng)，軸振動(dòng)速度為3000 r/min 定速時(shí)4X 軸振為141 μm，5X 為88 μm。隨著時(shí)間的推移，軸振動(dòng)增加了2W，3W 和4W。在測(cè)試之后，每次產(chǎn)生波的振動(dòng)略微減小。此時(shí)，4X 軸振為106 μm，之后就并網(wǎng)負(fù)荷，2W，3W，4W 和5W 的振動(dòng)又開(kāi)始爬升，4X 軸振達(dá)到152 μm，5X 達(dá)到142 μm，而且依然在上升，振動(dòng)特性類(lèi)似于第二次啟動(dòng)的振動(dòng)特性。經(jīng)過(guò)6.5 h 的盤(pán)車(chē)后，機(jī)組在4月2 日上午6:40 進(jìn)行第四次啟動(dòng)，升速過(guò)程中1W，2W，3W和4W 的振動(dòng)爬升比較快，1200 r/min 轉(zhuǎn)速下振動(dòng)過(guò)大，其中2X 和3X 達(dá)到約240 μm 左右，且仍然在上升，于是立即打閘停機(jī)[2]。

3 支撐剛度降低引起振動(dòng)過(guò)大原因

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括油膜，軸承托架，底座，圓柱體，保護(hù)層等。決定轉(zhuǎn)子托架系統(tǒng)剛度的因素包括2 個(gè)主要方面：結(jié)構(gòu)剛度，轉(zhuǎn)子的幾何形狀以及零件載體，轉(zhuǎn)子的尺寸大小和形狀都會(huì)影響到汽輪機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題。由于在設(shè)計(jì)和制造階段難以確定結(jié)構(gòu)的剛度，因此在實(shí)際條件下剛度的降低會(huì)引發(fā)摩擦振動(dòng)故障，主要原因有：①螺栓的固定不穩(wěn)定；②軸承座與臺(tái)板接觸不良；③膨脹不暢。

數(shù)據(jù)表明，輥振動(dòng)主要基于振動(dòng)，其幅度小，運(yùn)行速度快，表明中間轉(zhuǎn)子的壓力較小，機(jī)械的運(yùn)行效率更好。根據(jù)基頻的幅度增加和相位變化，假設(shè)第二和第三軸承的振動(dòng)是動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦振動(dòng)，這種摩擦屬于可分離的早期碰撞。有兩個(gè)主要部分可以發(fā)生摩擦。

（1）旋轉(zhuǎn)軸和固體止油器之間發(fā)生摩擦。由于軸承箱的微小負(fù)壓，在齒和旋轉(zhuǎn)軸之間會(huì)有灰塵和污垢，清除污垢和灰塵，就相當(dāng)于形成潤(rùn)滑劑。在高溫的影響下，軸迅速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸越多，旋轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的摩擦力和壓力輸出就越大，間歇性摩擦振動(dòng)就會(huì)起作用。

（2）擦拭旋轉(zhuǎn)軸和蒸汽的分離。由于長(zhǎng)時(shí)間使用該裝置后，氣缸的膨脹和變形會(huì)減少局部間隙。如果蒸汽參數(shù)稍微改變，旋轉(zhuǎn)軸將發(fā)生周期性地摩擦，振動(dòng)主要發(fā)生在第二和第三軸承中，第二和第三軸承靠近高壓和中壓氣缸的高溫蒸汽入口，這就可以證明第（1）種積碳式油擋摩擦的可能性比較大。

4 檢修處理

在檢查過(guò)程中主要檢查軸承2 和3，觀察軸是否有污染和變形，確保軸承表面無(wú)損壞，如果有損壞立即維護(hù)并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。如果軸承嚴(yán)重變形或變臟，也可以更換軸承，同時(shí)，氣缸前后軸在高壓和中壓下進(jìn)行測(cè)量（特別是位于第二和第三軸承），中間氣缸兩側(cè)之間的間隙過(guò)大，對(duì)高壓和中壓氣缸膨脹狀況進(jìn)行仔細(xì)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，2 號(hào)軸承受到污漬和油漬的嚴(yán)重污染。經(jīng)過(guò)分析，如果灰塵以及污染物在軸承上形成輕微的油漬，并在高溫下逐漸碳化，壓縮和卷曲，而這個(gè)過(guò)程時(shí)間短，油塊兩側(cè)刻度逐漸耗盡，逐漸塞油量增加，與轉(zhuǎn)子分離，第二和第三軸承的振動(dòng)會(huì)造成間歇性振動(dòng)摩擦。

5 結(jié)論

在汽輪機(jī)的初始啟動(dòng)階段，會(huì)發(fā)生徑向摩擦并且有可能發(fā)生轉(zhuǎn)子的熱偏轉(zhuǎn)，裝置的振動(dòng)速度和振動(dòng)幅度主要是由于高壓缸的膨脹，中壓缸的膨脹以及轉(zhuǎn)子和缸軸連接之間的差異膨脹，發(fā)生靜態(tài)和動(dòng)態(tài)軸向摩擦。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦不僅發(fā)生在啟動(dòng)期間，在其他環(huán)節(jié)也會(huì)伴隨著動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦，因此，就要對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦的位置進(jìn)行分析，找出發(fā)生摩擦振動(dòng)故障原因，并提出相應(yīng)解決措施，對(duì)汽輪機(jī)發(fā)生摩擦振動(dòng)故障的原因進(jìn)行分析，在汽輪機(jī)的不斷發(fā)展和改進(jìn)中，慢慢完善運(yùn)行中遇到的各種問(wèn)題，以提高設(shè)備運(yùn)行效率，并提高操作安全系數(shù)，確保汽輪機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行。