振动讲义-故障实例分析

1、汽轮机振动故障实例分析华北电力大学 韩中合,现场碰摩故障分析,背景介绍 某电厂200MW机组在轴承和其密封处的表面发生了大面积整周摩擦，该汽轮机中、低压转子之间有一段接长轴，和中低压转子采用刚性连接，两个短轴也采用刚性联轴节连接。短轴靠背轮出厂晃度达24um。转速上升晃度增加，2150rpm时晃度达到53um，大修发现短轴两测油挡间隙太小，短轴与油挡摩擦，短轴弯曲达100um。,1 转子动静碰摩,NCEPUBJ,NCEPUBJ,NCEPUBJ,图1 200MW转子机组结构示意图,现场记录的现象： 启动过程中，600rpm时，振动波形规则，但有明显的毛刺； 1500rpm暖机，升速至2800rp

2、m时域波形较规则，基本无毛刺；,转速到达2950rpm，3瓦x方向和4瓦x方向时域波形明显削顶,其他各轴振波形存在不同程度的削波,现场记录的现象 - II： 停机检查，短轴DC，DH两部分靠油档处，沿周向1/3处磨有1-2mm的深沟，被磨处金属法兰硬度下降。短轴两侧油挡全周磨损，3，4轴承钨金右侧有较大的摩擦痕迹。,2950r/min时振动频谱图。出现明显的分数谐波1/2x、3/2x、5/2x、7/2x分量以及3x，4x等分量。,现象分析： 在轻摩擦时除出现2x，3x等倍频分量外，还出现了大量的低频成份。 随着碰摩的加剧，摩擦力的作用占主要成份，大量的低频减少， 重碰摩时出现了n/2x分量，（

3、n=1,3,5,7）以及2x，3x等高次谐波， 波形发生单边波峰“削波”。 频谱中的分数谐波属非线性范畴，揭示出碰摩故障具有丰富的非线性现象。,动静碰摩的实验研究 在转子模拟实验台进行接触碰摩，实验台如图所示。,碰摩故障的实验现象,轴心轨迹,波形图,分别从3个测点采集的频谱图,实验现象分析： 在轴刚开始发生摩擦接触的情况下，由于转子的不平衡或转子的弯曲，振动仍以基频为主，其它（2x，3x）分量一般并不大，基频幅值高于2x，3x分量； 随着摩擦的扩展，基频幅值有所下降。转速在3800rpm时加重摩擦力，时域波形出现单边“削波”。并有可能出现1/2x和3/2x谐波，以及明显的6x，7x和8x非线性

4、分量；,动静碰摩相对改变了轴系的支承刚度，动静部件存在相互作用，摩擦脱离相互作用消失。碰摩瞬间增大了转子的支承刚度，脱离时刚度减小，转子刚度在接触与非接触两者之间变化，变化的频率就是转子的涡动频率。转子横向自由振动与强迫旋转振动、涡动叠加产生复杂振动使摩擦振动具有典型的非线性特征。碰摩特征既有低频成份，也包含2x，3x等高次谐波分量及分数谐波振动。转子在超过临界转速时，如果发生整周连续接触摩擦，将会产生一个很强的摩擦切向力，可引起转子的完全失稳，这时转子的振动响应中具有振幅很大的次谐波成份。除此之外，还出现基频与谐波频率之间的和差频率，这些取决于转子自身的固有频率。若转子进动方向由正向涡动变为

5、向涡动，则表明转子发生了连续接触摩擦。,碰摩故障分析,So, whatre the conclusions?,碰摩故障的判据,碰摩演化过程中，低频分量的出现是产生碰摩的必要条件，特别是早期都伴有丰富的低频。 随着碰摩的发展，高频分量逐渐增大，出现6x的高频分量。 碰摩故障发展严重时，观察到分数谐波以及时域波形单边“削波”，可以使碰摩更容易判断。 动力学分析碰摩运动伴有倍周期分叉和混沌运动，且随转速的变化，周期运动和混沌交替出现。,2 中心孔进油,某厂100MW机组大修后冷态升速，监测到以下征兆：,升速过程中振动不大，过临界转速时1，2瓦振动均小于1丝，到达3000rpm下，三个方向振动均小于2

6、丝；,3000rpm稳定之后，振动最初变化不大，振动和时间t的关系1小时16分1瓦29微米，2瓦16微米,并网后20分1瓦45微米，2瓦87微米。进行刚度测试，测量两个接合面振动小于3微米，说明接合良好，但振动继续增大。,带负荷和不带负荷振动呈线性关系,随着时间的推移，振动有增大的趋势。,由于振动过大，打闸停机，降速过程中，出现强烈振动，临界转速下振动1瓦110微米，2瓦200微米 ；,推断转子产生热弯曲，停机后5分钟2瓦振动从20丝降到5丝，1小时后振动消失，振幅降到2丝。,未采取措施，重新启动现象重复，再现性很强。,打闸后测弯曲、汽缸管道膨胀、猫爪和振动偏移。,图1 中心孔进油振动变化趋势

7、,结合现场实验进行原因分析，发现：,通过现场实验，发现振动频率1x占98%，确定为不平衡力引起的普通强迫振动。 1 动刚度不足 2 现场中心不正 3 不平衡力 经动刚度测试，接合面振动小于3微米，排除了由于动刚度不足引起的振动大。 3000rpm未带负荷时振动较小，且同心度引起的振动不随时间变化，因此排除现场中心不正引起振动。 确定为不平衡力过大引起振动.,产生不平衡力的原因 材质结构不均，线膨胀系数不一样，由此产生的弯曲，方向不一致。但目前振动大，以前运行良好；热态时弯曲，冷态和盘车状态好，都可以排除该原因。 热应力大，由于加工锻造、膨胀不均，排除的方法同上。 热态时，由于键槽产生热弯曲，但

8、此转子为整锻转子，应该不存在此问题。,套装失去紧力，一面松一面紧，产生不平衡力 轮腹之间间隙不均匀，间隙不够 转子传热热阻不对称，中间温度高，轴瓦温度低，从中间向两边传热受阻，造成轴弯曲。 轴与轴封碰磨，碰磨不均匀加热也会产生弯曲，但没有再现性。 中心孔有液体，质量偏心产生热交换。,产生不平衡力的原因 - II,汽缸跑偏产生振动的原因 纵销磨损产生动静间隙； 立销膨胀导致轴承座和汽缸之间发生相对位移或间隙引起振动； 降低轴承座动刚度,经过分析，可以排除缸胀引起的振动。振动和带负荷有线性关系，而且振动的变化滞后于负荷的变化，存在较大的时滞。冷态启动时振动不大，较大振动发生在带负荷和停机以后，说明

9、转子发生了热弯曲。采用排除法，排除产生热弯曲的其他原因，经过最后处理是中心孔进油。,中心孔进油，油本身产生的离心力很小，不可能引起振动，中心孔进油引起振动的机理在于：油在中心孔内形成一个汽化凝结的循环过程，使转子产生热弯曲。中心孔进油后，运行过程中，当转子被加热到一定程度后，转子高温端中心孔内的油会被汽化，汽化吸热使转子的内壁温度降低，汽化后的油会在转子的低温端凝结放热，使孔壁局部温度升高，这样就形成了一个汽化凝结的往复过程。中心孔孔壁局部温度的升高和降低引起转子同一截面径向温度的不均，造成转子的热弯曲。降低负荷解列后，转子表面温度下降很快，而中心孔内的温度下降较慢，油的汽化凝结过程仍在进行，

10、转子的热弯曲消失很慢。,中心孔进油故障分析,中心孔存油由于偏心产生热交换，而且传递的热量不一样。油的汽化凝结过程是在转子被加热到一定温度下开始出现，振动和转子表面温度关系密切。而转子的温度又取决于负荷的变化，因此振动的增大出现在一定的负荷下，和负荷存在时滞，规律性强。再次启动，现象复现。,中心孔进油故障分析 -II,中心孔进油有两种原因：一是中心孔探伤时，留在孔内的油未擦干净；另外探伤后封堵头时未封严。 由于中心孔存油，分布不均匀，造成振动频谱不规则，从振动频谱进行分析，存在高倍频和0.5x次谐波分量和碰磨故障的谱图有相似之处。区分这两种故障的关键是中心孔进油和转子表面温度有关、与负荷和时间存

11、在线性关系，在清除中心孔存油之前，再现性很强。 转子与轴封碰磨，由于加工误差，碰磨不均匀加热产生热弯曲与是否带负荷没有关系，一般在高转速时出现摩擦涡动，再次启动振动有可能消失。,中心孔进油故障分析 -III,200MW机组中心孔进油故障实例,背景介绍,某电厂11号机组是东方汽轮机厂生产的三缸三排200MW机组。1992年8月30日至9月25日先后结束72小时和24小时调试后移交生产试运行。 调试期间3号轴承振动最大为36.3m。调试后的试运行期3号轴承振动增大，自 10月10 日至11月 19 日一个多月的时间内共启机15次，并网带负荷 10 次，其中 8 次因 3 轴承振动超标停机， 10

12、月 13 日第一次由于振动超标停机 。,3 号轴承振动的特点：,（1）启动过程 ，3 号轴承振动及机组其他测点振动均正常。 （2）负荷 大于50MW （中缸温度 400 左右） , 3 号瓦振和轴振上升，时域波形规则，1倍频为主。 （3）3 号轴承振动和负荷、缸胀、真空的变化有关。 （4）改变负荷和其它参数振动无法降下来，被迫停机。,（5）停机过临界转速时的振动较大。 升速临界转速1600r/min ，振动为53m，降速振动为115m。 （6）停机后大轴挠度100110m，停机后2小时挠度降到原始值+20m。,原因分析,由于振动和负荷关系密切，振动为1倍频为主的振动，推断为热不平衡。,揭高、中

13、压缸检查转子碰摩情况和打开中心孔堵头检查中心孔是否存油。 解体发现中、低压接长轴孔内有1.52.0kg透平油，中压转子中心孔内有0.5kg 透平油。 分析认为，接长轴内的油是从联轴器的键槽吸入的。通常应该在接长轴上打出两个5的泄油孔，但这台机未打。 中压转子两端堵头未封严，导致吸入油。,处理：,重新封堵通孔，密封面涂密封脂。同时调整了隔板洼窝中心，调整了高、中转子和中、低转子联轴器中心，联轴器晃度问题得到改善。 重新启动带负荷过程，振动超标问题得到解决。,200MW机组碰磨故障实例分析,现场记录的现象,冲转后升速到 1400r / min 中速暖机， 3000r / min 定速，保持 2小时

14、； 准备做超速试验，运行人员先试验同步器，将转速降到 2350r / min ，又很快回升到 3000r / m in ，这时 3 号轴承振动从 20 m 急剧增大，2 、 4 号轴承振动也同时上升，并发现 3 号轴承处涌出大量烟雾。 大约经过 7min , 3 号轴承振幅上升到 75m，随后紧急打闸停机。 揭开 3 号轴承盖，发现大轴与 3 号轴承挡油环发生了碰摩。转轴严重磨损，摩出的凹槽深34mm，宽56mm，张角 60。,此次碰磨振动的特点,频谱分析3X 、 4X 高阶分量明显，且在过低压转子临界转速 2120r /min 和中压转子临界转速 1640 r / min 时显著增加。 机组碰摩的特征是工频振幅增大和高倍频振幅的出现且各振动分量增加的速度很快,碰摩降速过程的级联图和碰摩故障处理后级联图比较,小结,这次启机碰摩，为什么升速过程中没有发生，而在试完同步器后才出现？ 据运行人员反映，在准备手摇同步器升速的一瞬间，机组发出一声低沉的撞击声。中压缸胀差当时指示不正常，表针到满刻度。从冲转到发生碰摩已有 3小时，转子温度已基本均匀，但缸体的滑销系统仍可出现卡涩，造成转子与油挡的碰摩。 碰摩使振动加剧，卡涩的缸体可以突然发生非正常的移动，加剧碰摩，由于及时打闸停机，未造成严重事故。,3 一个实际的网络化智能监测与故障诊断系统,背景介绍 针对某热电厂的11号机和