汽轮机转子中心孔进油诱发异常振动故障分析诊断

1、收稿日期:2006 02 12作者简介:张其显(1966 ,男,河北邢台人,高级工程师,现从事发电厂生产和技术管理,曾进行过多年的汽轮机检修和轴系振动分析处理。汽轮机转子中心孔进油诱发异常振动故障分析诊断张其显1,刘晓锋2(1军粮城发电厂,天津300300;2东南大学振动控制与信息系统研究所,南京210096摘要:汽轮机转子中心孔进油能够造成振动异常,现场实际中,这种故障的诊断存在一定难度。介绍了某电厂4号机组2005年发生的一起中心孔进油故障的振动特征、分析思路、过程和诊断依据,可供同类故障分析参考。关键词:汽轮机;中心孔进油;振动故障诊断分类号:TK267 文献标识码:B 文章编号: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 言带有中心孔的转子中心孔进油,是引发汽轮机振动异常的重要原因之一,虽然发生率较低,但诊断困难,常常要经过多次反复启机,在排除了所有其它可能的故障后,才能集中到中心孔进油的分析和确诊上。本文介绍了对某电厂4号机组中心孔进油故障的分析、诊断过程和判断依据,具有一定的代表性。某电厂4号机为51-50-1型50MW 凝汽式机组。汽/电对轮为半挠性联轴

6、器,机组轴系如图1 所示。图1 4号机组轴系示意图2005年10月4日,4号机大修后启机,3000r/m i n 各轴承振动30 m 以内,做超速实验后并网带负荷,升负荷过程中2号瓦水平振动略有爬升,运行一周后,出现2号瓦水平振动逐渐爬升到40 m 50 m 。利用周末调峰停机机会,决定在汽/电对轮加重,加重后,3000r /m i n 时2号瓦振动有所降低,但带负荷仍偏大;同时,还有1号瓦短时振动增大的现象。经过分析、诊断,确定故障原因是汽轮机转子中心孔进油,同时伴有轴系失稳。处理后机组启动,3000r /m i n 时各轴承振动正常,失稳现象消除,负荷上升各轴承振动增幅也明显减少。这是国内

7、同类故障中较快确认故障的一个实际案例。1 中心孔滞留液体造成振动的机理中心孔滞留液体后会使转轴出现振动问题。根据诱发振动的机理不同分为两类故障:轴系失稳;质量不平衡。图2显示了高速旋转离心机械中心孔内存有液体造成轴系失稳的机理1。由于转子的旋转,孔内的液体沿径向被甩偏,在液体黏性剪切力的作用,旋转的内孔表面会拖动液体沿转动方向移动一个角度,使得液体离心力相对于高点有一个超前角 。这样,离心力可以分解出一个与转子涡动 方图2 转子中心孔进油造成振动的力的分析O 涡动中心;C 转动中心;OC 涡动矢量;转速;! 涡动速度; !第49卷第1期汽 轮 机 技 术Vo.l 49No .12007年2月T

8、URB I N E TEC HNOLOGYFeb .2007向一致的切向力,这个力诱发转子向前涡动,造成转子失稳。Eh ric2的研究表明,涡动一般是次同步的,失稳转速总是大于转子临界转速小于2倍转子临界转速,涡动频率与转子转速的比值是0.51,转子轴承系统易于发生与它本身的固有频率一致的涡动。除可能造成失稳,中心孔进油还会导致转子不稳定的质量不平衡。如果中心孔内存有液体而未被充满,高转速下该液体便会受到离心力的作用而甩向内腔四壁。由于中心孔的几何中心与转轴的旋转中心不重合,贴向四壁的液体厚度在圆周方向上不会相同。转子加热到一定温度,黏附在中心孔壁上的润滑油与孔壁发生热交换,这种热交换在转子径

9、向方向上是不均匀的,于是转子出现不对称温差,发生热弯曲,进而产生不平衡质量引起振动增大。汽轮机转子中心孔进油在现场时有发生,进油的原因有两种可能,一是中心孔探伤完后油没有清理干净,残存在孔内;二是中心孔堵头不严或中心孔与外界有诸如孔、缝隙等相通之处。机组带负荷后,孔内进油气化膨胀而散出,停机转子冷却后,孔内气体凝结形成负压,把透平油吸入。随着启停次数增多,转子被多次冷却和加热,孔内积油逐渐增多,造成带负荷后转子热弯曲逐渐加剧,振动愈来愈大。从现场机组发生中心孔进油的实例看,振动特征有共同之处,即都出现工频振动增大的现象。具体有如下特征3:(1工频振幅随时间缓慢增大,时间度量大约是数十分钟或1h

10、2h,出现的工况一般在定速后空负荷或带负荷过程。(2故障的出现通常在新机调试阶段或机组大修后。往往初始的一、二次启动没有异常,后几次越来越明显。因此,判断的一个很重要的依据是将几次开机的振动值进行比较。根据现场振动处理实例,50MW机组汽机转子中心孔进油约200g300g即可引起较明显的振动,孔内油量越多,异常振动越显著。2 4号机振动特征及原因分析2005年10月4日,4号机大修后首次启机,2号瓦瓦温高,各瓦振动良好,停机翻瓦处理。再次启机,3000r/m i n定速各轴承振动良好,只有30 m左右,于是机组进行喷油实验和超速实验,然后并网带负荷。升负荷过程中2号瓦水平振动略有爬升,满负荷时

11、2号瓦振动36 m,运行一周后,2号瓦水平振动逐渐爬升到40 m50 m,最高达到50 m。振动测试数据表明,2号瓦振动上升主要是工频分量增加,利用周末调峰停机机会,决定在汽电对轮上加重680g,进一步压低2号瓦3000r/m i n定速的振动值来抵偿它随负荷上升而增大的振动。加重后启机,3000r/m i n定速,2号瓦振动有所降低,机组开始并网带负荷,然而随着负荷的上升,2号瓦振动迅速爬升,与处理前的带负荷振动数据比较反而恶化了。于是打闸停机,再做进一步分析、处理。从几次开机的振动数据看,4号机大修后运行出现2号瓦水平方向一倍频振动随负荷增大的现象,应该是质量不平衡的原因,但这种不稳定质量

12、不平衡的来源还需要进一步分析、判断。产生这种随负荷变化的不稳定的不平衡质量,一个可能是出在汽/电对轮短节上,对轮扭矩随负荷增大出现微小位移,造成不平衡质量分布状况改变,这一般会造成2号和3号轴承振动同时增大,且振动相位应该是同相的。但是4号机大修后,带负荷运行过程中,发电机3号、4号轴承振动稳定,不随负荷增加,均在30 m以下。因此诱发2号瓦异常振动的故障源应该在汽机侧。另一个可能的原因是汽轮机滑销系统卡涩导致汽缸膨胀不畅,使轴承座刚度降低,这时汽机轴承振动会随负荷增加变大。在升负荷过程中,观察汽缸胀差,汽缸前后左右膨胀均匀,由此可以排除汽缸膨胀不畅的影响。随蒸汽参数的提高转子出现热弯曲也会导

13、致2号瓦振动随负荷变化。导致转子热弯曲的主要原因有:(1转子材质不均;(2汽缸和本体疏水不畅;(3动静碰摩;(4中心孔进油。4号机已运行多年,大修前没有出现过随蒸汽参数增加转子热弯曲的现象,因此转子本身材质不均造成热弯曲不太可能;另外,带负荷过程中,对汽缸和本体疏水检查也未发现异常。高负荷下如果发生动静碰摩,会使转子弯曲,引起一倍频增大,同时振动相位要连续改变。中心孔进油时,随负荷增大转子发生热弯曲,产生一倍频增大的现象,而且振动相位也发生变化,这似乎与动静碰摩有相似之处。但是4号机大修后,曾在满负荷运行一周左右时间,2号瓦振动才开始随负荷增加变大,而且停机后再次开机振动变小,带负荷后振动又增

14、大,几次开机比较振动有恶化趋势,这些特征都是中心孔进油诱发异常振动的典型特征,有必要对汽轮机转子中心孔进行检查。另外4号机带负荷过程1号瓦出现短时振动增大的现象。振动测试数据说明1号瓦振动突增是由于25H z低频振动分量增大,属于轴系失稳,和轴承稳定性有关。半频振动的原因主要与轴承几何参数及瓦的标高有关,如轴承顶隙过大、瓦面形状不正确、轴承承载偏轻等,均可以造成转子失稳。因此,决定检查转子中心孔的同时检查1号瓦。3 检查处理10月19日夜,对4号机进行了检查、处理。具体内容如下:(1解开前箱,打开大轴前危急保安器短轴,发现转子中心孔有油,估算共约300g,另发现危机保安器短轴与转子连接处的端面

15、顶丝松动,且连接对轮子口密封面有间隙。用棉纱清理干净大轴中心孔的油,将松动的顶丝焊死并将对轮子口密封面涂密封胶。然后回装。虽然4号机汽轮机转子中心孔进油只有300g,但导致的热弯曲足以破坏转子原来的平衡状态了3。4号机大修时,由于转子中心孔端部堵头顶丝松动,有可能在做喷油实验时高压透平油从危急保安器短轴中心孔通过该顶丝缝隙喷入汽机转子中心孔;此外,由于保安器短轴和汽轮机转子连接对轮子口有缝隙,在第一次停机处理2号轴承瓦温高时,转子由热态变成冷态,转子中心孔形成负压,透平油就被吸入转子中心孔,但是量还不是很大。58汽 轮 机 技 术 第49卷第二次停机在汽电对轮加重时,转子又一次经历加热和冷却过

16、程,透平油又一次被吸入中心孔。因此,4号机在初始启动时没有表现出振动异常,但随后的几次开机中心孔进油逐渐增多,机组振动则呈恶化趋势。(21号瓦上瓦侧隙、顶隙基本正常,但瓦面大面积磨损;翻下瓦,瓦面垂直下方约90!的弧面,堆积有上瓦赶下来的钨金,这些钨金已与轴颈磨合成为完全吻合的弧面;这相当于1号轴承瓦面成为了标准的圆柱轴承,中分面测得的侧隙是假象。轴承与轴颈间的楔形间隙是建立稳定动压油膜的基本条件之一,正是这种与轴颈完全吻合的圆弧面破坏了油膜形成造成轴承失稳。于是,对1号瓦下瓦进行了修刮,恢复椭圆瓦形。(32号瓦上瓦瓦面无磨损;翻下瓦,下瓦面也无磨损,状况良好,按原样恢复。(4汽电对轮加的68

17、0g重量保持不动。4 处理后开机振动情况机组故障处理后启机运行,振动一直比较稳定,如表1所示,机组定速后到最高负荷过程,1号、2号瓦振动略有增大,但增大的幅度小于处理前,这表明本次清理中心孔残油是正确的。图3中1号瓦振动时间趋势图显示高负荷时1号瓦振动还有些偏高,主要是一倍频高些,但相位稳定,可考虑调整汽电对轮上原加的680g重块,进一步降低1号瓦振动。表1 4号机组定速及带负荷过程中1号和2号轴承通频振幅单位: m 时间工况1瓦1瓦2瓦2瓦16:313000r/m i n25201920 17:334.8MW25201926 18:3215MW37292033 19:3225MW293017

18、35 20:1838MW34332434 20:3350MW34331829 21:0252MW35332530 22:0250MW34331829 22:2245MW323124 34图3 高负荷时1号瓦垂直方向振动时间趋势图1号瓦原有短时出现的低频振动已经消除,图3中1号瓦振动趋势显示,通频和一倍频的振幅差值很小,振动以工频为主,整个升负荷过程没有发现1号瓦低频振动增大; 21:00左右最高负荷时,曾将油温降到36#,振动依然正常,1号瓦没有起振,如表1所示。5 结 论转子留有中心孔如果堵头不严,会引起中心孔进油或进水,造成转子热弯曲引起振动。4号机故障是由于安装时前箱危急保安器短轴端面顶丝松动和堵头未封严,透平油被吸入转子中心孔。另外在汽电对轮处,汽轮机转子半挠性联轴器波形桶上开有排气孔,中心孔与外界相通,也会导致中心孔进油,检修或安装时应进行检查。转子中心孔进油与转子动静碰摩故障的振动特征有相似之处,诊断时往往难以区分,本例若按动静碰摩处理则既难于确定碰摩部位又延误工期。与动静碰摩相比,判断中心孔进油的一个重要依据是将几次开机的振动值进行比较。一般情况下,机组初始启动时不会表现出振动异常,但随后的几次开机中心孔积油逐渐增多,机组振动则呈恶化趋势。参考文献1 Rorordyna m ic of Tu rbo m ac h ineryM.N e w York:J O H