主机振动测试与分析

1、主机振动测试与动态分析 振动及其分类 n振动振动指物体在一定位置附近的往复运动。指物体在一定位置附近的往复运动。 普遍存在于宇宙及人类生产、生活中。是电厂重要安全经济指标之一。 电厂中振动过大的危害电厂中振动过大的危害 （1） 减少设备的使用寿命，造成设备损坏，甚至酿成灾难性事故； （2）动静部件碰摩，使转轴弯曲，部件及基础损坏； （3）降低机组的机械性能和热力性能； （4）振动及其产生的噪声，影响运行人员身体健康和工作效率。 n机组按产生振动原因主要分为强迫振动与自激振动机组按产生振动原因主要分为强迫振动与自激振动 n1、强迫振动主要原因 n转子质量不平衡转子部件脱落、杂质堆积、转子弯曲等

2、n中心不正联轴器同心度、晃度、联轴器螺栓紧力不足等 n支承刚度不足或结构共振 n转子膨胀受阻滑销系统卡涩 n动静碰磨 n磁力中心偏差大安装时磁力中心偏装值错误，造成运行中转子轴向 振动，特别是带励磁后 n2、自激振动 n油膜涡动、油膜振荡轴系扬度调整不当，各轴瓦负荷分配不均，油 膜不稳 n蒸汽激振通流间隙调整不当，沿径向或轴向不均；长期运行隔板变 形，通流间隙不均；汽轮机进汽时，调门开启顺序不合理； 单转子的临界转速和振型 650MW 发电机转子 n1= 604 r/min n2= 1840 r/min n3= 4651 r/min 多自由度转子有多个临界转速和相应的振型 多转子轴系的临界转速

3、和振型 200MW 汽轮发电机组轴系汽轮发电机组轴系 发电机转子型 n1 =1002 r/min 中压转子型 n2 = 1470 r/min 高压转子型 n3 = 1936 r/min 低压转子型 n4 = 2014 r/min 发电机转子型 n5 = 2678 r/min 高压转子 中压转子 低压转子 发电机转子 轴系各阶振型中，一般有一个转子起主导作用。 多转子轴系的固有频率和振型 各种振动的频谱图各种振动的频谱图 名称 波 形 频 谱 名称 波 形 频 谱 振动试验振动试验 n 大型发电机组振动故障的诱因是多方面的，其中许多与机组运行 工况有关，在对实际机组进行振动分析和诊断时，还需借助

4、于一些运 行工况调整试验，来突出主要故障征兆，排除可疑因素，并从量化方 面掌握这些运行参数对机组振动状态的影响，进而有助于对振动原因 作出明确诊断。 n一试验目的：一试验目的： 观察机组在某些特定运行参数发生变化时，振动是如何变化的， 从中找出联系，以便确定振动原因。 n二试验方法：二试验方法： 试验时让一种参数按照试验方案所规定的要求变化，而使其他参 数尽量保持不变，以测出机组振动变化的情况。 n三试验项目：三试验项目： 现场常用的有以下几种：转速及超速试验、负荷试验、励磁电流 试验、变真空试验、变油温试验、变调门开启顺序试验以及支承系统 的外部振动特性试验等。 1转速（含超速）试验转速（含

5、超速）试验 转速是影响机组振动的重要因素，不仅转子的不平衡 离心力随转速升高而增大，而且转子在轴系临界转速或支 承系统固有频率附近运行时，振幅大幅上升。此外，转子 系统的自激振动存在起始转速阈值，只有当转速高于阈值 时自激振动才会显现出来。因此，转速试验的目的在于判 别机组振动是否由转子质量偏心所致，并且找出轴系各转 子的临界转速分布，工作转速与共振转速的接近程度、自 激振动的起始转速阈值，检查与轴承座相连的支承系统 (如基础、蒸汽管等)是否存在共振。 2负荷试验负荷试验 机组负荷改变时，汽轮机的进汽量和各级的 温度、压力，以及转子和联轴器的传递力矩随之 而变，转子、汽缸、轴承座等的热状态相应

6、地变 化。转子及汽缸膨胀不畅和不均匀变形，改变了 转子的平衡状态和机组的中心标高分布；活动式 联轴器的力矩载荷发生变化，改变了齿轮芯轴与 齿套的啮合状态，改变了转子间的对中状态。因 此，通过负荷试验来判别振动是否与机组中心、 热膨胀、联轴器缺陷等有关。 试验分析试验分析 n 试验结果可能出现三种情况，即机组振动与负荷大小无关、振动随 负荷增大而上升、振动增长滞后于负荷增大如图所示。 n(1)振动与负荷基本无关。振动与负荷基本无关。这种情况说明机组振动主要是由 转子不平衡引起的。 n(2)负荷改变后，振动立即增大负荷改变后，振动立即增大，这种现象说明振动与转子 所传递的力矩大小有关，故障主要发生

7、于挠性联轴器上。 n(3)振动增大滞后于负荷增大，振动增大滞后于负荷增大，这种故障大多与机组膨胀受 阻或局部受热变形有关，因为机组负荷改变时，汽缸及转 子的热状态改变需一定的滞后时间。 3.励磁电流试验励磁电流试验 n 对于发电机转子，引起机组振动的电气方面 原因主要有两种：一是纯电气原因，如转子线圈 短路、转子与静子间的空气间隙不均匀、转子或 静子呈椭圆形等引起的不平衡电磁力；二是电气 方面引起转子的某些部件不对称热变形、转子热 弯曲等。 励磁电流试验的主要目的是识别发电机转子 振动是由机械原因还是电气原因引起的，并区分 电磁不平衡振动与热弯曲振动。 n (1)振动与励磁电流同时变化。振动与

8、励磁电流同时变化。这种振动 主要是由磁场不平衡引起的。 n (2)振动滞后于发电机励磁电流的改变振动滞后于发电机励磁电流的改变。 即当励磁电流改变后，振动随运行时间增 长而逐渐增大，到一定时间后趋于稳定， 这种现象表明振动与转子的热状态有关， 转子或线圈受热膨胀，引起转子质量不平 衡。 4变真空试验变真空试验 对于后轴承座与排汽部分连成整体的汽轮机， 在凝汽器内建立真空时，大气压力就会将排汽部 分向下压，形成后轴承座中心下沉；排汽温度与 轴承温度不同时，会影响轴承的原有标高，也会 使轴系的中心线发生变化，从而改变了各轴承上 的载荷分配，导致机组发生异常振动。真空试验 的目的就在于判别机组振动与

9、真空及排汽温度之 间的关系。 5轴承油膜试验轴承油膜试验 轴承间隙过大、载荷大小失衡和供油不足、油温不当均会使轴承 内油膜失稳，导致轴承与轴发生干摩擦，以及引起油膜涡动或油膜振 荡。进行油温试验时，主要通过改变润滑油的温度和压力，考察其对 机组振动和油膜稳定性的影响。 n 试验中，如果测得的振动中有较高的频率分量，并且幅值和相位 均不稳定，则振动主要是由轴承供油不足或轴承间隙过小引起的；如 果振动中含有转速一半或一阶临界转速的分量，并且振动是在大于两 倍于一阶临转速的某一转速时突发性地增大，则表明振动是由油膜振 荡引起的。轴承油膜的稳定性主要与轴承的载荷系数等有关。因此， 由试验确证振动与油膜

10、有关时，可从改变与轴承载荷系数相关的因素 着手。通常载荷增大时轴承运行趋于稳定，故调整轴承标高、增大比 压、降低黏度 (即提高油温)、减少轴颈长度均能扩大轴承稳定运行范 围。此外，可改用性能良好的轴承 (如可倾瓦轴承等)来提高轴承运行 稳定性。 6. 连接刚度试验连接刚度试验 该试验主要检查机组的外部部件，如 紧固螺栓、轴承座和基础台板等，是否存 在松动或接触不良，或由于热变形和管道 力使机件翘起、脱离、基础松动等，由两 个相邻部件的差别振动来判别部件间的连 接刚度是否正常。 在轴承座各部分的连接刚度正常时， 振动值沿轴承座高度降低而较平滑地减少， 如果实测发现两部件间存在较大的差别振 动，表

11、明连接不良或固定螺栓松动；左右 两侧对称位置上差别振动较大，说明两边 紧固情况不同；台板与基础的差别振动较 大时，预示着台板下二次灌浆不良 7变调门开启顺序试验变调门开启顺序试验 n对于高压转子的失稳，在确定主要原因是来自轴承、汽封，还是由于 进汽使转子上浮所致，进行改变调门开启顺序的试验是一项有效的判 别方法。目前先进的大型机组改变调门的开启顺序己无须再变动结构， 只需改变控制系统的设置即可。 振动故障的预防对策振动故障的预防对策 n机组振动常常是多方面缺陷的集中表现。即使平衡品质良 好的转子，由于构成轴系后连接条件的改变，轴承标高的 热态变化，新机组基础不均匀下沉，老机组基础老化(特 别是

12、二次灌浆，润滑油的浸蚀造成疏松等)，汽轮机热态 变形和膨胀不畅等原因，都破坏转子原来的平衡状态，使 整个轴系处于不良状态，形成了以基频为主兼其它倍频成 分的振动。此类振动占了整个振动机组中的很大比例。 n振动问题涉及到设计、制造、安装、运行等多个方面。而 设计、制造方面的缺陷属设计院和制造厂需要解决的问题。 对发电厂来说，认真做好检修、运行和振动监控三方面的 工作，就可以大大减少振动故障的发生。 n运行人员必须遵守运行规程，一切操作要按规程的规定操 作。检修人员在大修时，要严格按照规程规定的项目进行， 确保检修质量，消除设备隐患。 1.检修中预防振动的对策检修中预防振动的对策 n安装和检修对机

13、组振动的影响非常大，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。众所周 知，机器的振动实质上是轴系激振力与支撑部分可承受能力之间的对立统一。在线性 系统中，部件呈现的振幅与作用在部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比，可 用下式表示： n A= n n 式中：A-振幅； n P-激振力； n Kd-部件动刚度，它表示部件产生单位振幅(位移)所需的交变力。 n显然，轴系各转子的检修工作就会影响转子上的激振力，轴承座、台板和基础的检修 工作就会对支承刚度有影响。安装、检修后机组振动反而变大的原因有三个方面：一 是装配不良引起转子不

14、平衡，特别是发电机的不平衡。发电机转子结构复杂，附加部 件多，质量重，对不平衡振动影响大。以护环套装为例，运行中的发电机转子护环部 分受力十分复杂，除了承受自重离心力和附加部件离心力外，还承受护环套装偏斜和 紧力不均引起的附加应力，使转轴产生弯曲应力，发生弹性弯曲，最终导致发电机转 子的一阶不平衡。这种情况在护环套装时经常发生。二是在多跨转子系统中，轴系联 接不佳（包括联轴器圆周晃度和端面瓢偏超标）引起振动。三是框架结构产生不均匀 下沉。下面着重介绍现场检修工作对机组振动有明显影响的几个方面。 d K P n1.1.轴承座的稳固性轴承座的稳固性 n1.2.机组中心和轴承标高机组中心和轴承标高

15、n1.3.轴承的影响轴承的影响 n1.4.滑销系统滑销系统 n1.5.动静间隙动静间隙 2.运行中预防振动的对策运行中预防振动的对策 汽轮机起动前汽轮机起动前 n(1)测量转子晃动值和相位测量转子晃动值和相位 n(2)防止过大的缸体热变形防止过大的缸体热变形 n n(3)正确的连续盘车时间正确的连续盘车时间 n(4)选择正确的轴封供汽选择正确的轴封供汽 机组正常运行时，注意监视缸温和主汽温度的变化机组正常运行时，注意监视缸温和主汽温度的变化 n在机组运行中，如果发现上、下缸温差增 大或主蒸汽温度下降的趋势，应及时调整。 主蒸汽温度下降太快是过水的征兆，不但 增加热应力，而且也可能引起剧烈的热变

16、 形，将导致动、静部分摩擦与转子永久性 弯曲。 防止转轴发生径向碰磨防止转轴发生径向碰磨 n在临界转速前发生碰摩主要是动静间隙不当，特别是轴封部位，其振动特征 是在同一转速下振动幅值剧烈增加，相位也有较大变化。由于摩擦振动具有 自激效应，对在此期间发生的振动剧增应停机分析。在过临界转速时，最主 要是防止弯曲振动过大引起的碰摩。工作转速和带负荷后，主要是防汽缸变 形造成动静碰摩，氢冷发电机密封瓦摩擦等。这时的振动特征是幅值爬升， 这种振动增加轴对不平衡的敏感性，一旦有外界干扰，振动就会超标，甚至 有时减负荷也不奏效。 n1.防止上下缸温差过大。这是机组运行和启动中最容易发生的故障，而且在 启动和

17、运行中随时都可能发生，所以凡是上下缸温度测点误差过大或损坏的 机组不容许启动。 n2. 冲转时避免转子残留热弯曲。目前投运的新机高压转子一阶临界转速下轴 瓦振动一般小于50m，轴振小于120m；但有些新机和旧机，其临界转速下 轴瓦振动超过100m。转子在一阶临界转速下转子中部挠曲和振动将几倍和 十多倍于这个振幅值，因此很容易造成径向碰磨。为此，应减少转子一阶不 平衡量。 n3.防止汽轮机高压转子与水接触。及时开启汽缸，轴封，主蒸汽管，抽汽管 上的疏水阀，不要过早地关闭这些阀，在机组启动中应防止疏水管不畅或堵 塞。 大机组的调门控制方式大机组的调门控制方式 n国产大机组尤其东汽厂生产的300 M

18、W机组，在运行过程 中不少机组出现1、2轴振动偏大的现象。频谱分析发 现，当振动发生时，振动明显存在半频分量。采用改变机 组调门的控制方式可以控制机组的振动。其振动原因可作 如下分析：由于蒸汽汽流的不均衡作用力，造成1轴承 负荷较轻而2轴承负荷较重的情况，再加上轴承的稳定 性不是太好，于是在外界因素的影响下机组很容易发生振 动异常。如果将调门的控制方式由顺序阀控制改为单阀控 制，则可以避免3号调门开启而4号调门未开时给转子施加 的向上的作用力，而正是这个作用力使1轴承的负荷较 轻引起转子振动。 3.2.振动的技术管理振动的技术管理 n1.相关资料的搜集相关资料的搜集 n1.1设备资料的搜集设备

19、资料的搜集 n如轴承结构及临界转速，轴瓦型式及失稳转速，动平衡加重位置和出厂时动 平衡情况，轴承振动及金属温度限值、汽缸支承和滑销系统、发电机和励磁 机的有关资料、振动测量系统的技术性能等。 ， n1.2安装和检修资料安装和检修资料: n如基础沉降、汽缸及轴承座水平扬度、汽缸及轴承负荷分配、各部滑销间隙、 轴瓦间隙及紧力、油挡间隙、轴颈椭园度及不柱度、轴的原始弯曲、推力盘 端面瓢偏、轴颈杨度，刚性或半挠牲联轴器端面瓤偏、各转子联轴器找中心 惰况、汽封间隙及通流部分间隙等。 n1.3调试和运行资料调试和运行资料: n如大轴原始晃度、起动和带负荷时轴和轴承的振动值、各阶临界转速实测值 和过临界时最

20、大振动值、各轴承的乌金温度及回油温度、各轴瓦的顶轴油压 (代表油膜压力)、盘车电流及电流摆动值、汽轮机各部分金属温度及膨胀值、 轴向位移及差胀值，汽轮机惰走曲线等。还要搜集和记录与振动有关的事故 情况，振动超标及处理惰况。 n4振动评价准则振动评价准则 n4.1振动的评价准则及限值应按制造厂的规定来确 定。 n4.2如果制造厂未明确规定，可按国标确定稳定运 行时的各振动限制界限的最大振动值。 n4.3振动在报警状态下，机组可运行一段时期，但 应加强监视和采取措施。停机值的放宽应当慎重， 由厂总工程师核准，并应报告主管局。 n4.4机组在起动过程和过临界转速时的振动限值， 可根据制造厂规定、同类

21、机组运行经验、本机组 的运行历史和设备状况等综合考虑，该振动限值 须经电厂总工程师批准。 n5.故障诊断故障诊断 n5.1当机组振动不合格时，电力试验研究所(院)应协同电厂 对故障原因进行诊断。根据机组运行中振动变化特点及频 谱分析结果，可选择一些运行参数(如转速、负荷、励磁 电流、真空、润滑油温等)进行测试，分析机组振动与运 行参数的关系，并根据分析的结果提出处理意见。 n5.2如果机组振动的幅值是合格的，但变化量超过报警值 的25，不论是振动变大或变小都要引起注意。特别是振 动变化较大、变化教快的惰况下，要对振动信号进行频谱 分析及检查机组运行工况参数是否有变化。 n5.3在故障诊断进行振

22、动试验或处理振动(如现场高速动平 衡)时，在确保不损坏设备和严密监视的情况下，经过电 厂总工程师批准，振动的停机限值可适当放宽。 机械振动产生的原因机械振动产生的原因 n造成大机组振动故障的原因很多，但故障来源和主因主要有以下四个方面： n1.设计、制造方面：设计、制造方面：设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动和自激振动。结构 不合理，有应力集中。工作转速接近或落入临界转速。工作点接近或落入非稳定区。 零部件加工或制造不良，精度不够。零件材质不良，强度不够，有制造缺陷。转子动 平衡不符合技术要求。 n2.安装维修方面：安装维修方面：机器安装不当，零部件错位，预负荷大。轴系对中不良（考虑热

23、态下 的对中补偿量有偏差）。机器的几何参数（如配合间隙、过盈量及相对位置）调整不 当。管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度。转子长期放置不当， 破坏了动平衡精度。安装维修过程中破坏了机器原有的配合性质和精度。 n3.运行操作方面：运行操作方面：机器在非设计状态下运行（如低负荷或超负荷运行），改变了机组的 工作特性。润滑或冷却不良。局部损坏或结垢。压力、温度或流量等参数不当，机组 运行失稳。启动、停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀，或在临界 区停留时间长。 n4.机组劣化：机组劣化：长期运行，转子挠度增大。旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹。零部件磨 损、冲刷、点蚀或腐

24、蚀等。配合面受力劣化，产生过盈不足或松动现象，破坏了配合 性质和精度。机器基础沉降不均匀，壳体变形等。 振动故障诊断程序振动故障诊断程序 n在实际运行中，机组产生振动的原因是 多样的。振动故障诊断的过程类似于医 生对患者的诊治。现场振动诊断大多是 逆向推理的过程。其步骤可简要归纳为： 振动测试及数据处理；根据振动的主频 率确定振动类别；确定激振力的来源及 性质；确定产生振动的具体原因；验证 性试验。 强迫振动故障类 转子不平衡故障的特征转子不平衡故障的特征 n振幅随转速变化而变化，过临界转速有共振峰 n相位随转速变化而变化，过临界转速时变化大 n振动1X频率为主 n波形为简谐波，少毛刺。 n轴

25、心轨迹为圆或椭圆。 n轴向振动不大。 转子不平衡的类型转子不平衡的类型 自激振动故障类（失稳振动类） 造成失稳的因素造成失稳的因素 n滑动轴承的油膜力 n密封中的流体力 n定、转子间径向间隙不均匀 n转轴的材料内阻和结构内阻 n转子内腔部分充液 n转子和定子的碰摩 n转子质量和刚性在各径向不对称 失稳的危害失稳的危害 n突发性一般无明显的先 兆。 n失稳运动一般规模很大。 n低周涡动，转轴受交变 应力。引起疲劳破坏。 油膜轴承工作原理油膜轴承工作原理 o o1 e W 发散楔 收敛楔 最小油 膜间隙 最大油 膜间隙 油膜压 力分布 油膜涡动的波形和轴心轨迹油膜涡动的波形和轴心轨迹 涡动频率约为

26、转子转速的一半，并随转速变化。 涡动方向为正向进动。轴心轨迹出现双内环。 涡动的幅度并不很大。 油膜振荡的波形和轴心轨迹油膜振荡的波形和轴心轨迹 到达阈速时突然发生，幅度一般很大。 涡动频率锁定在转子的固有频率，不再随转速变化。 涡动方向为正向进动。轴心轨迹为多重椭圆。 一旦发生不易消失，有惯性效应 。 油膜振荡的防治措施油膜振荡的防治措施 临时措施临时措施 增加油温。 更换粘度较低的油。 减小轴承的宽度，以增 加比压。 抬高失稳轴承的标高，增 加轴承的负载。 减小轴承的间隙。 根本措施根本措施 改变轴瓦的结构。 增加预负荷，开油槽，改变 供油方式等 改用稳定性较好的轴承。 椭圆瓦多油叶瓦多油 楔瓦可倾瓦 改变转子结构，将其临界转 速提高到工作转速的一半以上。 汽流激振故障机理汽流激振故障机理 （1）叶顶间隙激振力）叶顶间隙激振力 间隙不均，动叶气动力不等， 形成涡动激振力，如图。 （2）汽封蒸汽激振力）汽封蒸汽激振力 动叶顶部汽封中蒸汽受挤压而对 转子产生反作用力，从而对转子产 生蒸汽激振力；同样在隔板汽封及 轴端汽封中也存