汽轮机转子中心孔进油引起的振动分析

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　　〔摘 要〕 针对50MW汽轮机转子中心孔进油的故障事件，通过对汽轮机振动特点的描述，分析了汽轮机振动和转子中心孔进油的原因以及引起振动的机理，提出了该故障的诊断方法和防止转子中心孔进油的措施。
　　〔关键词〕 汽轮机;转子;振动
　　2004年河南省电力系统连续出现2起汽轮机转子中心孔进油的故障，1台为125 MW机组，1台为50 MW机组。本文针对其中的1台50 MW汽轮机转子中心孔进油原因进行了分析，并提出该故障的诊断方法和解决问题的途径。
　　1 振动特点
　　汽轮机型号为C50-8.83/0.981，发电机型号为QF-60-2。如图1所示，1，2号轴承支承汽轮机转子，1号轴承为座落前箱内的落地轴承，2号轴承座落在排汽缸上，3，4号轴承支承发电机转子，均为落地轴承。汽轮机和发电机转子以刚性联轴器连接。
　　1.1 配重前启动
　　2004-06-26，启动升速至过临界转速的过程中，2号轴承最大振动为39.1 祄，其它轴承振动均小于30 祄，说明汽轮机转子和发电机转子的平衡状态良好。
　　空载3 000 r/min下，除了2号轴承垂直振动39 祄外，其它轴承振动均在30 祄以下。带负荷到48 MW，2号轴承振动从60 祄很快升至84.5 祄，被迫打闸停机。降速过临界转速2号轴承垂直振动达125 祄。盘车时，大轴挠度比开机增大40 祄。从3 000 r/min→带负荷→停机过程的轴承垂直振动趋势图可知，振动增大的部位主要是2号轴承，发电机的2个轴承振动基本不变，因而可以判定故障存在于汽轮机侧。
　　根据以往经验，一般存在转子热变形的机组，只要把空载3 000 r/min时的下轴承基频振动降低到20 祄以下，带负荷后的振动就能维持在50 祄以内的合格范围。所以停机后在汽轮机末级叶轮进行配重，以降低2号轴承的垂直振动。
　　1.2 配重后启动
　　2004-06-27，机组配置后再次启动，在空载3 000 r/min下，2号轴承的垂直振动为15 祄，其它均小于15 祄。带负荷20 MW时振动基本不变，负荷增到30 MW，2号轴承振动增大至40 祄，稳定一段时间后，振动稍有降低。接着开始升负荷至35 MW，振动升至46.8 祄。立刻减负荷至30 MW，振动突升至54.1 祄，又升负荷至37 MW，振动继续升高。随即减负荷，当振动升到91.7 祄时，打闸停机。降速过临界转速2号轴承垂直振动达8 祄。盘车时大轴挠度比开机增大100 祄。
　　1.3 第3次启动
　　前2次启动过程中，后汽封温度达300℃，而该汽封设计汽源为除氧器汽平衡供汽，温度在150℃左右，显然后汽封温度偏高;另外，前2次启动过程中，本体疏水没有打开。
　　为了排除这2个因素的影响，2004-06-29又开一次机。在这一次启动过程中，本体疏水全部打开，后汽封温度控制在160℃以下。这次从启动升速过程到20 MW负荷，2号轴承振动与上一次差别不大。负荷到24 MW，2号轴承振动开始快速突升到
　　90.7 祄，被迫打闸停机。
　　3次启动过程的振动特点为：
　　(1) 振动主要是基频成份，其它分量很少，因此属于不平衡激起的强迫振动;
　　(2) 振动随时间和启停机的次数增多而显著增大，振动突增负荷点一次比一次小，说明振动故障逐次恶化; (3) 当振动突增后，即使减负荷到0，振动亦不会降低而是继续增加。停机过程中过临界转速的振动值比开机过程大;
　　(4) 2号轴承振动一旦开始爬升很快发散至报警值，并且没有尽头，在这种振动状态下机组是无法运行的。
　　2 振动原因分析
　　该机组振动的基本特点是，随着时间增加，不稳定强迫振动增加。造成这种振动的故障缺陷可能是：
　　(1) 汽缸膨胀受阻,使轴承支承刚度降低;
　　(2) 转子热弯曲。
　　通过检查没有发现绝对膨胀、胀差在启动过程中出现异常，轴承座与台板接触面也没有出现间隙，膨胀也没有卡涩迹象，所以可以排除第一项缺陷，因而转子热弯曲成为主要怀疑对象。
　　造成转子热弯曲的原因如下：
　　(1) 转轴内应力过大;
　　(2) 转轴材质不均;
　　(3) 转轴套装部件失去紧力;
　　(4) 高温转子与冷水、冷汽接触;
　　(5) 动静摩擦;
　　(6) 转子中心孔进油。
　　根据振动的变化特点，可以排除第1～3个原因，因为这3个原因引起的振动均变化缓慢，而该机的振动会出现突变，且随启停次数的增加，一次比一次严重。
　　因试运过程中未发现汽缸和本体疏水情况出现异常，可以排除第4个原因。
　　因摩擦振动的相位变化较大，而该机振动的相位变化较小(20。左右)，所以可以排除第5个原因。只有第6个原因不能排除，有必要对转子中心孔进行检查。
　　3 转子中心孔进油原因及其引起振动的机理
　　打开汽轮机前箱，拆掉调速器小轴，这时就从孔中流出重约1 kg的黑色油，经化验，与该机组使用的润滑油相同，说明油是从孔外吸入的。清理干净孔内进油，将转子中心孔堵头上的排气孔堵死后，重新启动，机组在50 MW负荷下长时间运行，1～4号轴承振动均在10 祄左右。
　　3.1 汽轮机转子中心孔进油原因
　　转子中心孔进油的原因，一是探伤时中心孔内涂的油没有清理干净。就该机而言，安装前已对中心孔进行检查，未发现存油。另一个原因是中心孔端部堵头上的排气孔未封严，运行中，孔内的空气受热膨胀逸出，停机后转子冷却，孔内的空气也冷却收缩，外界的空气就会通过键与联轴器的间隙和中心孔堵头上的排气孔进入转子中心孔。停机后机组进行盘车，来自喷油管的润滑油对盘车大齿轮进行润滑，此时，该股润滑油也随外界空气进入转子中心孔。随着机组启停次数增加，进入中心孔的润滑油也越积越多。
　　3.2 转子中心孔进油引起振动的机理
　　在汽轮机转子中心孔内存油而未充满时，在高速旋转的离心力作用下，油被甩到孔壁上形成油膜。由于转子存在一定的挠度，致使中心孔的几何中心和转子的旋转中心不重合，因而孔壁上的油膜厚度不同，当转子温度升高时，油与孔壁间产生热交换，油吸热而气化。由于不同厚度的油膜与孔壁间的热交换的程度不同，使转子径向产生温差，引起转子热弯曲。热弯曲不但随着机组有功负荷的增大而加大，而且在暖机和升速过程中也能明显反映出来。暖机时间较长会引起过大振动，甚至使机组不能升速到满转。并且，开停机次数愈多，被吸进转子中心孔的油愈多，振动现象愈明显。根据经验，转子中心孔进油达0.15 kg，就会使机组振动发生明显的变化。
　　气化的油有2种去向：一是逸出转子中心孔外，二是在转子低温段凝结，放出凝结热，这同样会引起不均匀的热交换。
　　油与孔壁的热交换随着转子温度的升高而加快，使转子热弯曲逐渐增大，由于汽轮机缸内动静间隙小，还可能引起动静摩擦，导致振动持续增加或突变。
　　4 防止转子中心孔进油的措施
　　(1) 对转子中心孔探伤时，里面涂的油一定要清理干净，并把堵头堵好。
　　(2) 由于汽轮机转子中心孔堵头上的排气孔与外界相通是发生转子中心孔进油的主要原因，因此在安装时应进行检查，若发现有排气孔就应把它堵死。制造厂应取消汽轮机转子中心堵头的排气孔或者采用实心转子。
　　(3) 有些转子中心孔进油是从转子前面吸入的，所以安装时还要检查调速器小轴是否存在进油的隐患。

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