汽轮机常见故障诊断及处理

永久性弯曲是设备事故，使设备不能投入 运行，必须进行直轴处理，将会造成很大 的经济损失
转子永久性弯曲产生的原因：

动静摩擦→转子径向局部过热膨胀→弯曲
– 当转速低于第一临界转速时，主轴的弯曲方向和转子不平衡离心力的作用 方向基本一致，往往产生愈摩愈弯、愈弯愈厚的恶性循环，以致使主轴产 生永久性弯曲。
起动前及升速过程中，应严格监视转子晃度和振动，不 得在超限增况下强行起动
油膜失稳和汽流激振


这是一种自激振动。 自激振动的发生以横向振动形式出现，以转子的低阶 临界转速为振动频率，它的出现与转速或负荷密切相 关。维持这种振动的能量来自于系统自身内部的某种 机制。 自激振动和强迫振动本质上的区别在于：

机组振动问题的处理要点

采取了系列措施后，半周振动一步步减小。这些 措施中，没有发现哪一项有十分显著的效果，也 没有发现某项没有任何作用。
– 摩擦力。摩擦力是作用在接触点的切向力，转轴上的摩擦力与旋转方向相反。 摩擦力的大小取决于接触点的法向力及摩擦表面的性质。

碰摩过程中的摩擦和碰撞一样，同样具有非线性特性。因此，这个过程的振动信号 含有丰富的谐波分量。

碰摩的高度非线性使其经常带有混沌特性。
严重的碰摩可以使材料磨损后变为轻度碰摩，甚至能完全脱离碰摩状态。 摩擦的另一个重要效应是对转子的局部加热。局部加热的后果是转子弯曲，工频振 动增大。
转子热弯曲产生的原因

新机转子的热弯曲一般来自材质热应力。这种热弯曲状态 是固有的、可重复的，因而可以用平衡的方法处理。
有时运行原因也会导致热弯曲。如：汽缸进水、进冷空气、 动静碰摩等。只要没有使转子发生永久塑性变形，这类热 弯曲都是可以恢复的，引起热弯曲的根源消除后，工频振 动大的现象也会随之自行消失。

停机后，汽缸、转子金属温度较高，汽缸内任何意外原因进冷水，也
会造成主轴弯曲
– 进水后，汽缸产生拱背变形，盘车被迫停止 – 静止的高温转子下半部被水浸泡，当上下温差达到150~200℃时，就会造
成主轴永久性弯曲。

转子的原材料存在过大的残余内应力，在较高的温度下经过一段时间 的运行后，内应力逐渐得到释放，从而使转子产生弯曲变形。 另外，套装转子在装配时，由于偏斜，蹩劲也会造成主轴弯曲

部分碰摩
– 转子在它转动的一周中只有部分弧段接触。

部分碰摩在静子上只有部分弧段接触。
碰摩的三种物理现象

碰撞
– 由于碰撞，使转子在不平衡引起的强迫同步响应的基础上叠加一 个自由振动响应，这个自由振动的频率是转子的固有频率，是整 个振动响应的主要成分。

摩擦 转子刚度的改变 碰摩的响应
– 碰摩转子的响应中应该含有次同步、同步和超同步等谐波成分。 – 实际碰摩的响应受到碰摩发生的轴向位置、冲击的锐度、结构对 不同频率振动的传递特性等因素的影响，使得各频谱成分在实际 信号中复杂化。不同的情况次同步和超同步会呈现不同的量值。

碰摩转子的动力特性

碰摩发生时作用在转轴上有两种力：
– 冲击力，即碰撞力。该力引起碰摩点局部压缩变形，并引起转轴的反弹运动。

碰摩时的冲击效应有下列特点：
– 由于冲击作用时间很短，相当于一个脉冲函数，因此，产生宽频带响应 – 由于转轴的旋转，碰摩是重复过程，因而产生的是周期性的振动。 – 撞击时具有高的法向力和切向力。 – 接触材料之间存在着能量的吸收和转移。 – 接触表面的力、转子的反弹运动以及材料的局部变形都有高度的非线性特性。

对于新机组，原始不平衡在第一次升速就会显现出来，在对转子进
行任何处理之前的升降速振动数据中，特征重复性很好。
转动部件飞脱和松动

汽轮发电机组振动发生转动部件飞脱可能有叶片、围带、拉 金以及平衡质量块；
– 飞脱时产生的工频振动是突发性的，在数秒钟内以某一瓦振或轴振为 主，振幅迅速增大到一个固定值，相位也同时会出现一个固定的变化。 相邻轴承振动也会增大，但变化的量值不及前者大。这种故障一般发 生在机组带有某一负荷的情况。
碰摩的信号特征

碰摩具有多种征兆，易变的信号特征与外界 条件有密切的关系，在某一时刻出现的征兆， 在其它时刻可能不再复现，这使得碰摩故障 的表现带有一些不确定性。
碰摩的诊断

碰摩的现场诊断是一项难度比较大的技术。如果认定了碰摩，常需要 开缸处理，工作量较大，这就要求诊断的高准确性。 现有的诊断方法主要还是根据振幅、频谱和轴心轨迹进行判断。另外 还可以观察轴颈静态位置，碰撞点力的作用可使轴颈中心发生较大的 变化。单纯用瓦振信号进行判断，只能看到频谱。转轴信号可以提供 丰富的碰摩信息。 机组升降速的波特图、极坐标图和级联图、全频谱级联图。 现场运行人员在启机过程常采取“听诊”的方法，对碰摩的确定有时 也是有用的。但要注意，由于高中压缸都是双层缸，有的机组低压缸 也是双层缸，通流部分的碰摩声很难传出来，只有轴端汽封的碰摩声 比较容易听到。因而，不能片面地将某一种方法的结论作为是否发生 碰摩的决定性判据。
汽轮机常见故障


机组振动
油系统着火

水冲击 超速

机组振动故障
常见振动故障的诊断

下面介绍机组常见振动故障特征、判断方法。 – 质量不平衡 – 转子的弯曲 – 动静碰摩 – 油膜失稳和汽流激振 – 结构共振 – 结构刚度不足 – 联轴器不对中 – 裂纹转子 – 转子中心孔进油 – 转子截面刚度不对称
– 每年全国都会有几台大机组发生动静碰摩而出现大振动，但在处理过程 中却往往要走弯路。需要进行多次开机，平衡加重或支撑加固，为此延 误数周已是常事。最终开缸检查，方发现汽封或通流部分已严重摩擦。
机组碰摩原因(1)

机组动静碰摩通常有下列起因：
– 转轴振动过大。

不管何种起因，大振动下的转轴振幅一旦大到动 静间隙值，都可能与静止部位发生碰摩。因此， 碰摩常常是中间过程，而非根本原因。
– 由于不对中等原因使轴颈处于极端的位置， 整个转子偏斜。

非转动部件的不对中或翘曲也会导致碰摩。
机组碰摩原因(2)

动静间隙不足
– 有时是设计上的缺陷所造成的。也经常是安装、检修的原因，动静 间隙调整不符合规定所致。 – 动静间隙是受多种因素影响的。如:

真空、凝汽器灌水、缸温等，
即便在开缸状态下调整好，扣缸后的上下间隙也要变化


发电机转子也常会因为通风道堵塞引起转子一测温度高于 对面一侧，转子发生类似于一阶振型的弯曲，它自然对一 阶振动影响最大，表现最明显应该在过一阶临界转速时的 工频振动增大。
转子永久性弯曲

当转子最大内应力超过材料的屈服极限， 使转子局部产生塑性变形，当外力和热应 力消除后，变形不能消失，称为：塑性弯 曲，也称永久性弯曲

重的：
– 叶片断裂、主轴弯曲，甚至汽轮机完全损坏
碰摩通常发生的部位：

隔板汽封 叶片围带汽封 轴端汽封 各轴承的油挡部位 发电机的径向碰摩通常发生在密封瓦处
碰摩的种类

全周碰摩
– 转子在它转动的一周中始终与静子保持接触。

发生全周碰摩的静子在360°周向都要接触，转子可以是
只有部分弧段接触，也可以是全局接触。
原始不平衡是主要原因。
原始不平衡

原始质量不平衡指的是转子开始转动之前在转子上已经存在的不平 衡。它们通常是在加工制造过程中产生的，或是在检修时更换转动 部件造成的。

这种不平衡的特点：
– 除振幅和相位的常规特征外，它的最显著特征是“稳定”，这个稳定是 指在一定的转速下振动特征稳定，振幅和相位受机组参数影响不大，与 升速时或带负荷的时间延续没有直接的关联，也不受启动方式的影响。 – 具体所测的数据中，在同一转速，工况相差不大时，振幅波动约20％， 相位在10°~20°范围内变化的工频振动均可以视为是稳定的。
质量不平衡

转子质量不平衡是汽轮发电机组最常见的振 动故障，它约占了故障总数的80％。随着制
造厂加工、装配精度以及电厂检修质量的不
断提高，这类故障的发生率正在逐渐减少。 即使如此，质量不平衡目前仍是现场机组振 动的主要故障。

处理手段：低速动平衡，高速动平衡。
质量不平衡的一般特征


最关键的特征是：稳定的工频振动在整个信号 中占主要成分。 工频振幅为主的状况应该是稳定的，这包括：

碰摩使转子产生非常复杂的振动，是转子系统发生失稳的一个重要 原因，轻者使得机组出现强烈振动，严重的可以造成转轴永久性弯 曲，甚至整个轴系毁坏。

对碰摩的故障特征，进行了许多研究，但是，这些研究结果和实际 情况还有距离，因为相同的特征对应着许多其它的故障。

碰摩的诊断是目前具有一定难度的主要振动故障。


防止动静碰磨的技术措施：

根据机组的结构特点及运行工况，合理地设计和调整各
部位的动静间隙

认真分析转子和汽缸的膨胀特点和变化规律，在起动、 停机和变工况时注意对胀差的控制和调整 在机组起停过程中，应严格控制上下缸温差、蒸汽参数 的变化、监视段压力及轴的窜动


在运行中防止水冲击，停机后严防汽缸进冷汽冷水

防止主轴弯曲的措施：

汽轮机安装时，必须考虑热状态变化，合理调整动静间隙， 以保证在正常运行工况下不会发生动静摩擦。 汽缸应具有良好的保温条件，保证在正常起动和停机过程 中不产生过大的上下部温差。


主蒸汽、再热蒸汽及抽汽管道必须有完善的疏水系统。在 停机后注意切断与公用系统相连的各种水源，严防汽缸进 水。

缸体跑偏、弯曲或变形
– 机组高压转子前汽封比较长，启机中参数掌握不当容易造成这个部 位发生碰摩，进而造成大轴塑性弯曲。全国大约有近30台机组发生 过这样的故障。