汽轮发电机组振动分析

汽轮发电机组振动的分析
[摘要] 本文分析了汽轮发电机组振动的产生机理,得出设计制造、安装、检修和运行几个方面都可能引起汽轮发电机组的振动。

[关键词] 汽轮发电机组振动原因
1、引言
随着社会主义现代化建设的快速发展,我国电力工业也获得了长足发展,其中火力发电在电力工业中占着较大的比例。

汽轮发电机是火力发电厂的主要设备,是将蒸汽的热能转换为机械能进而转换为电能的旋转式动力机械。

汽轮发电机工作安全与否对发电厂的运行起着至关重要的作用。

在实际运行中,长期困扰机组运行的一大难题为机组的振动问题。

2、振动的理论基础
从理论上讲,汽轮发电机的转子为一弹性体,它有着固有的横向自振频率。

同时转子的外形为一轴对称的旋转体。

但实际上,由于制造和装配的误差,以及材质的不均匀,转子的质心和几何中心总是不能重合,即产生一质量偏差。

在旋转状态下,偏心的质量就使转子产生一离心力。

此离心力为一周期性的简谐外力,称为迫使转子振动的激振力。

当激振力频率与自振频率相等或成整数倍时,会发生共振,即机组发生振动,此时对应的转子转速称为临界转速。

下面分析机组的临界转速。

将转轴看作悬臂梁,设转轴为等直径均布质量,其跨度为l,轴的横截面积为a,截面积的惯性矩为i,材料密度为ρ,转轴为铰支。

转轴弯曲振动的微分方程为
(1-1)
式中
根据转轴的边界条件,得到等直径转轴的临界角速度为
(1-2)
临界转速为
(1-3)
由式(1-3)可知,转轴存在无穷多个临界转速。

转轴的各阶临界转速之比为
(1-4)
临界转速与其抗弯刚度ei的平方根成正比,与其跨度的平方及单位长度质量的平方根成反比。

因此,刚性大、跨度小、质量轻的转轴,其临界转速较高。

汽轮机的主轴通常呈阶梯形,中间较粗、两端轴颈部分较细,上面还有若干个叶轮和其他零件,所以汽轮机转子的结构比较复杂。

通常,汽轮机中的每一根转子两端都有轴承支承,并用联轴器连接,同时与发电机转子连接形成轴系。

3、汽轮机组振动的原因
转子振动是制约汽轮发电机组安全、稳定运行的重要因素。

产生的机理和表现形式都较复杂,现就主要影响因素简述如下。

3.1设计制造方面
汽轮发电机转子是一个高速旋转机械,如果转子的质心与旋转中
心不重合则会因为转子的不平衡而产生一个离心力,这个离心力对轴承产生一个激振力使之引起机组振动,如果这个离心力过大,则机组的振动就会异常。

所以,汽轮发电机转子在装配时每装配一级叶片都应该对该级叶片进行动平衡试验,整个转子装配完成后在出厂之前还应该对整个转子进行低速和高速动平衡,以确保转子的不平衡量在一个合格的范围内。

3.2安装和检修方面
安装和检修对机组振动的影响非常大,根据对现场机组振动的经验,现场很多机组的振动过大都是由于安装和检修不当引起的,或者说机组的振动很多时候都是可以通过安装或检修来解决的,下面重点介绍对机组振动有明显影响的几个方面。

3.2.1 轴承标高
不管是汽轮机还是发电机转子,其两端都是由轴承支撑的,如果两端的轴承标高不在一个合理的范围内,则两端轴承的负荷分配就不合理。

负荷较轻的一边,轴瓦内的油膜形成不好或者根本不能建立油膜,如果这样,极易诱发机组的自激振动包括油膜振动和汽流激振等;负荷较重的一边,轴瓦乌金温度肯定偏高,当轴瓦乌金温度达到一定值时,很容易产生碾瓦现象,从而引发机组的振动。

因此在机组大修或者安装期间,应该根据制造厂家的建议,再结合各厂的实际情况对机组轴承标高进行认真的调整。

因为制造厂家提供的数据是根据机组冷态时的情况再结合一般机组受热后膨胀的情况得出的,由于各台机组的实际情况不尽相同,因此受热后的
膨胀也不完全一样,所以必须结合各厂的实际情况对机组轴承标高进行调整。

3.2.2 机组中心
严格讲,机组中心应包括转子与汽缸或静子的同心度、支撑转子各轴承的标高、轴系连接的同心度和平直度。

关于轴承标高对机组振动的影响,前面已经讲到。

现重点介绍其他两个方面。

如果转子与汽缸或静子的同心度偏差过大,则可能会引起汽流激振、电磁激振和动静摩擦。

若摩擦发生在转轴处,则会使转子发生热弯曲而引起不稳定的强迫振动。

当联轴器法兰外圆与轴颈不同心、联轴器法兰止口或螺栓孔节圆不同心、端面飘偏、连接螺丝紧力明显不对称时,不论圆周和端面如何正确,当把连接螺栓拧紧后,都会使连接轴系不同心和不平直,还会使转子产生预载荷。

当转子处于旋转状态时,轴系同心度和平直度会直接产生振动的激振力,引起机组的振动。

3.2.3轴承自身特性
轴承自身特性对机组振动的影响主要包括轴瓦紧力、顶隙和连接刚度等几个方面。

轴瓦紧力和顶隙主要影响轴承的稳定性,如果轴承的稳定性太差,在外界因素的影响下容易使机组振动超标。

轴承的连接情况主要对轴承刚度产生影响,若轴承刚度不够,在同样大小的激振力下引起的振动较大,所以必须将轴承各连接螺栓拧紧。

3.2.4 动静间隙
汽轮机转子与汽缸和轴封之间以及发电机转子与静子之间都存
在间隙。

当汽轮机转子与汽缸之间的间隙过大时,汽轮机内效率会降低;当汽轮机与轴封之间的间隙过大时可能引起蒸汽外漏或者空气内漏,从而影响机组的效率和真空;当发电机转子与静子之间的间隙过大时同样会影响发电机的效率。

但是,它们之间的间隙又不能过小,否则将引起动静摩擦,进一步会使机组的振动变化,以至于机组的振动超标。

因此合理调整隔板汽封、通流部分汽封以及发电机转子与静子之间的间隙是非常重要的。

3.3运行方面
机组的振动除了与上面的各方面因素有关外,还与机组的运行状况存在很大的关系。

3.3.1 机组膨胀
前已述及,机组的滑销系统对机组振动的影响情况,而机组的膨胀是受其滑销系统制约的。

当滑销系统本身不存在问题时,如果运行人员操作不当,机组也会出现膨胀不畅的问题。

最明显的例子是在启机过程中,当机组的暖机时间不够或者升速加负荷过快,则机组各部分的膨胀就不一样,这样一方面会产生应力,减少机组的寿命;另一方面就会引起过大的胀差,极易引起机组的振动和动静摩擦。

3.3.2 润滑油温
轴颈在轴瓦内的稳定性如何决定了机组诱发振动的可能性有多大,当稳定性太差时,外界因素的变化很容易引起机组振动的产生。

而润滑油在轴瓦内形成的油膜如何又是影响转子稳定性的一个重
要影响因素,油膜的形成除了与轴承乌金有关外,还有一个重要因
素就是润滑油油温,润滑油油温应该在一个合理的范围内,过高过
低都对油膜的形成不利。

3.3.3 轴封温度
每一轴封的温度都不一样,调整轴封温度会对机组的振动产生一定的影响。

轴封温度对机组振动的影响主要表现为温度对轴承座标高的影响和温度对通流部分汽封处动静间隙的影响。

3.3.4 机组真空和排汽缸温度
机组真空和排汽缸温度总是相辅相成的,其中一个因素的变化必然引起另一个因素的改变。

对于轴承座坐落在排汽缸上的机组来说,排汽缸温度的变化主要表现在对轴承座标高的影响上,所以会对机组的振动产生影响。

3.3.5 发电机转子电流
当电流通过发电机转子时会产生热量,这部分热量就要会使发电机转子产生膨胀,当发电机本身存在一定量的质量不平衡时,由于
膨胀会使该不平衡量产生的力矩发生改变,从而引起机组的振动变化;当发电机自身存在膨胀不均时,即使冷态情况下质量平衡较好,也会由于膨胀的不均匀性产生动态的质量不平衡,而这一质量不平衡在发电机转子恢复到冷态时也会随之消失。

另一方面,如果发电机转子内部本身存在短路情况,当电流通过
发电机转子时会产生局部放热过大的现象,此处的转子由于受到较多的热量堆积而使膨胀较大,这就与其他地方的膨胀产生差别,又
会形成一动态的质量不平衡。

4、结论
机组的异常振动是常见的事故之一。

异常振动一旦出现,一般比较突然,其发展也很迅猛,后果也惨重,因此保证机组制造、安装、检修的质量,加强机组运行监视,预防振动的产生对发电厂的安全运行具有重要意义。

参考文献:
[1] 靳智平主编.电厂汽轮机原理及系统.北京:中国电力出版社,2004.
[2] 王殿武主编.汽轮机设备运行.北京:中国电力出版社,2005. 作者简介:
郭茂丰(1975年-),男,汉,工程师,主要从事电厂集控运行。