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汽轮发电机动静碰摩识别及对策

时间:2015-9-21 15:18:00   来源:中国发电机网   添加人:admin

  随着汽轮发电机组向高参数大容量方向发展,设备无泄漏创一流工作的进一步开展,汽轮机高、中压缸动静间隙越来越小,轴封、油挡、隔板汽封发生动静碰摩的机会越来越多,氢冷发电机的密封瓦和汽轮机低压缸的轴封也会经常发生动静碰摩现象,此时振动会出现明显变化。升降速过程振动快速长,工作转速下振幅波动,影响机组的安全稳定运行。

  1机组动静碰摩的分类对于汽轮发电机而言,易于发生动静碰摩的部件主要是轴封、油挡、隔板汽封、轴瓦、密封瓦,主要表现为径向碰撞和摩擦。从动静碰摩部位和痕迹来看可分为:(1)转子局部,静子整周;(2)静子局部,转子整周;(3)转子和静子均为整周。从危害性和振动的长率来看,可分为:(1)升降速过程的动静碰摩,伴随着轴的弹性热弯曲,严重和失控时会产生轴的永久性弯曲;(2)工作转速下的动静碰摩,主要表现为振幅的波动或振动的缓慢长。

  1.1升降速过程的动静碰摩机组大、小修后启动,有时正常备用一段时间开机,升降速过程振动快速长,在临界转速以下尤为明显。其主要成分为与转速同步的基频振动,由于动静碰摩使转子产生弹性热弯曲,热弯曲的长量大于磨损量,转子越磨越弯,引起振动的快速长。一旦振动失控,就会发生大轴弯曲事故。

  升速过程的动静碰摩,易出现在高中压缸,因为其动静间隙最小,前后轴封和油挡是碰摩的主要对象。

  今年比较典型的是韩城3号机和蒲城2号机。

  韩城3号机系早期的125MW机组,今年大修后启动,利用中压缸试冲动汽轮机,最高转速1540r/min,各瓦瓦振尚可,2号瓦轴振上升较快,轴振稳不住。振动成分除工频外,还有2倍频和4倍频分量。振动波形有削波现象,2号瓦瓦振和轴振升降速曲线差异很大,对应转速下降速的轴振远大于升速工况,这是比较典型的转子热弯曲故障特征,主要是由于转轴与油挡和轴封摩擦,使转子产生了弯曲。盘车状态下高压转子弯曲达0.2mm多,2号瓦油挡炉侧严重偏磨验证了这一点。2号瓦在大修后的几次升速过程中均出现振动发散现象,根源在于动静摩擦。主要是未充分考虑低速至定速,2号瓦轴颈向炉侧偏移0.12~0.20mm,向上浮升0.30mm左右,以致于动静间隙偏小,难以尽快磨到位。电气试验后,在升速过程中,无论是在1000r/min还是在1400r/min和30001/min,振动都不稳定。开始振动并不大,随时间变化振动上升较快,2号瓦轴振最为敏感最高达到400Mm.将落下的轴封块与相邻的轴封块点焊在一起,消除了振动的快速发散。

  蒲城2号机系引进罗马尼亚的四缸四排汽330MW汽轮机,自10月22日利用邻炉冲转以来,在800 400~1500r/min及2500~2700r/min1号瓦、2/3号瓦垂直方向绝对轴。八西北电力技术1/振易于达到160 m,使机组跳闸。除轴系本身存在一定的质量不平衡外,主要是轴封、油挡处动静间隙调整偏小,而轴颈随转速上升,向上浮升0.17~0.30mm,向东偏移0.08~0.15mm,动静发生碰摩,在临界转速以前,高中压转子产生弹性热弯曲,引起振动快速长。热弯曲激发振动,较为典型的两次参见和。为1400r/min中速暖机时振动缓升,最后达到跳机值,所反应的是较轻的动静碰摩。是定速做电气试验打闸后升降速时振动快速长,同一转速对应3个不同的振幅,时间越迟,振动越大,主要反应在高压缸,从振动的长速度来看,发生了较严重的动静摩擦。升速过程高、中压转子轴颈中心位置随转速变化,详见。综上所述,启动过程应避免临界转速以下动静碰摩,以防止大轴产生永久性弯曲。

  1-4号瓦轴心位置变化1.2汽轮机工作转速下的动静碰摩汽轮机定速后,无论是空转还是加减负荷过程,都会发生动静碰摩现象,振动产生波动或缓慢长。轴向碰摩由于监测手段有限,对汽轮机振动影响一般也不大,在此不予考虑。叶片或围带与隔板汽封碰摩,振动变化不一定明显。

  1带负荷过程中振动缓慢增长这类现象主要发生在支承中低压转子的轴瓦上,碰摩部位在轴瓦或低压缸内。振动缓慢长,一是轻微碰摩;二是转子的轴振本身偏大,碰摩部位的热弯曲长量略大于磨损量。比较典型的是蒲城1号机和宝二的1号机。

  蒲城1号机与2号机同型,今年3月17日启动后定速,随着并网加负荷,4/5号瓦轴振从定速时的123m非常缓慢地向上爬升,振动值每次上升1m,最后达到173 ~且没有下降趋势,遂打闸停机。振动以工频为主,降速至2 500i/min,振动才有明显下降。

  4/5号瓦轴振大时,该瓦附近有摩擦声,轴承箱外壳振动30~39Mm.后检查4号瓦,发现上瓦东侧均匀磨上,弧长100mm左右。通过修刮碰摩部位,米用动平衡降低工频振动解决了问题。对此,认为是动静轻摩擦引起的,除了4号瓦上瓦外,可能还存在低压缸内某些部位的动静摩擦。

  宝鸡二厂1号机系东方汽轮机厂生产的引进型300MW机组。1999年10月,停机时,更换了下瓦局部脱胎的2号瓦,解开中低压转子对轮找中心,在3号瓦下部加0.30mm垫子,2号瓦比3号瓦低0.450.50mm.11月5日试开机未并网正常,11月10日再次开机时,3000r/min空转下2号瓦X向轴振大,有所下降后并网,开始2X轴振达140Mm,后稳定在90 Mm.自70MW负荷以后,随着负荷加,2X轴振加,负荷在220~240MW时,2X轴振超过250Mm,保护跳机。该机的3号瓦、4号瓦标高是轴系的基准,将3号瓦抬高0.30,改变了轴系的中心,运行中易于产生动静摩擦,振动爬升。随后在3号瓦下部抽掉0.18mm2号瓦下部抽0. 1mm垫子,此现象再未出现。

  1.2.2带负荷工况振动波动工作转速下有时出现振动波动,低压转子的概率大一些,持续时间比较长。一是由于低压转子轴封处温度低,轴径大,不易产生大轴弯曲;二是由于工作转速远离临界转速,机械滞后角接近180*不平衡力自动校直转子热弯曲,其实质是一个间断的动静碰摩。

  有些机组由于结构上的原因,易出现此种现象,如渭河5号机。

  渭河5号机系哈尔滨汽轮机厂生产的引进型300MW机组,今年11月1日小修后启动,3号、4号瓦振幅有小幅波动,随着时间的延续4号瓦振动波动越来越大,通频振动在112~169Mm范围变化,伴随着波动,工频振动也发生波动。波动与负荷变化有关,稳定负荷下波动较小,参见早期引进的300MW机组易发生低压后汽缸动静碰摩,5号机4号瓦坐落在低压后汽缸上,该机经过10余天的碰摩后振动趋于稳定。

  3机组膨胀不畅引起碰撞和摩擦汽轮机汽缸膨胀不畅和跑偏,导致动静间隙减小或消失,从而引起动静部件碰撞和磨损。严重时振动反应表现为瞬间快速长,使瓦局部脱胎;较轻时表现为振动上升较快。比较典型的是韩城3号机和宝鸡一厂1号机。

  韩城3号机自1995年以来,汽缸膨胀不畅问题一直比较突出。前箱1号瓦紧力经常丧失,上瓦偏炉侧多次局部脱胎。该机在停机过程有间断性收缩,启动过程有扭摆现象,机头处声音难听,伴有“突突”声。正常调峰运行,1号瓦炉侧轴振趋势参见。在超速试验时无论是炉侧还是电侧均超过1mm,监测发现1号瓦轴振与机头处噪音有较好的对应关系。1号瓦轴振严重超标,除了与机组膨胀不畅有关外,还与前箱与台板滑动面接触不好、起不到稳定支承有关。机头处台板间隙炉侧为0,电侧达0.30mm.今年大修中对滑销和前箱进行了较为彻底的处理,取得了较好的效果。

  宝鸡一厂1号机系捷克生产的25MW汽轮机,升速过程在2800r/min以前2号瓦振动不大,在此转速以后,振动上升较快,垂直瓦振达50后在加负荷过程振动继续爬升,可达90Mm曾试图通过发电机转子和对轮高速动平衡予以处理,效果不大。该机后汽缸单侧膨胀受阻,2号瓦上瓦靠汽侧、北侧磨上,下瓦靠电侧磨上。后将轴瓦向北侧移0.1mm左右,下瓦抽0. 05mm垫子,瓦面适当进行了修刮,消除了振动。该机振动的原因主要是由于单边膨胀受阻,2号瓦轴颈不能随机组轴系中心位置变化处于合适的位置,轴颈与瓦摩擦,才导致振动爬升。

  4高中压漏汽吹到轴承座引起磨瓦高、中压发兰漏汽吹到轴承座,引起钢板焊接的轴承箱变形,轴瓦标高上升产生磨损。宝二1号机、渭河5号机2号瓦的磨损与其有关。宝二1号机比较严重,漏汽前机组带300MW负荷稳定运行,振动较小。

  导汽管发兰呲汽后,振动上升且波动越来越严重。2号瓦下瓦翻开后两个顶轴油囊看不见。这两起故障都发生在焊接轴承箱上,相邻的低压转子重约56t,2号瓦标高上升,将3号瓦的一部分载荷转移到2号瓦上,导致2号瓦过载磨瓦。

  5工作转速下叶片及围带的动静碰摩汽轮机在大修揭缸后,在隔板的叶顶汽封、叶片顶部、围带上都能发现碰摩的痕迹,有时甚至将叶顶汽封磨光。由于叶片弹性,碰摩对轴系振动一般影响不大,比较典型的是渭河6号机。

  凝结水硬度大停机。进入低压缸检查发现低压转子调端末级叶片拱型围带几乎全部磨掉。该机末级叶片高度900mm,叶顶为拱型围带整圈连接,基建安装叶顶与导流环径向间隙7.2~7.4mm.全级叶片拱型围带只有一片没有脱落,7片铆钉还在,其余围带全部脱落。叶顶约磨去3~4mm,导流环靠A排自中分面向上约300mm弧长磨去2mm深。导流环有6个定位销,上下各3个,上半部的3个定位销只有顶部完好。从动静碰摩的角度来看,该故障属于转子整圈、静子局部摩擦,其特征类属于动静不同心。振动变化不大原因:(1)叶顶与静子摩擦,不会产生大轴弯曲;(2)叶顶弹性相对较大,摩擦时产生的冲击力和摩擦力有一部分转化为弹性变形力,也就是大轴承受的这部分力并不大;(3)3号瓦下瓦为可倾瓦,上瓦为椭圆瓦,轴承阻尼特性好,对这种摩擦具有一定的抑制作用。

  1.3发电机工作转速下的动静碰摩发电机相对而言发生动静碰摩的机会较少,主要是氢密封瓦较易碰摩,发电机后瓦较易磨损。在工作转速下碰摩对振动的影响,既取决于碰摩的程度,也取决于发电机转子的动特性。比较典型的是蒲城1号发电机和宝二1号发电机。

  满300MW不久,发电机前瓦9号瓦轴振突然从40Mm上升到107Mm,随后稳定在96,um左右。其它各瓦也有一些变化,相邻的8号瓦轴振上升,10号瓦轴振下降。主要是工频分量的变化,机组连续运行63天,9号瓦轴振在90~104Mm变化,比较稳定。6月28日降速过临界1 9号瓦轴振达到190Mm检查发现9号瓦侧密封瓦油挡卷边,瓦面有拉伤痕迹,10号瓦下瓦钨金有擀皮现象。此振动现象以后再未出现过,据此认为主要是9号瓦侧密封瓦和10号瓦下瓦磨损引起的。

  宝二1号机1999年8月份机组定速正常,准备进行假同期试验,这时发电机无论是轴振还是瓦振均有明显加。5号瓦、6号瓦轴振加约50Mm6号瓦瓦振加40Mm 5号瓦瓦振降低10Mm异常前5号、6号瓦瓦振反相180*异常后5号、6号瓦瓦振相位差220*降速过临界转速1380r/min时,6号瓦瓦振达到150,um,而此前小于30Mm此振动现象以后未出现过,后检查发现氢密封瓦磨损。

  2动静碰摩的识别和对策动静碰摩具有多种征兆,动态响应变化复杂。汽轮发电机易于出现动静碰摩的静止部件主要有轴瓦、轴封、油挡、密封瓦、隔板汽封,相对应的转动部件分别为轴颈、转轴、叶片。其它机械故障引起动静间隙消失,发生动静碰摩,它是一种后继故障,通常不能自发产生。引起动静碰摩的故障主要有:(1)检修中调整不当产生动静不同心,转轴处于极端位置;(2)其它原因引起的转轴振动过大;(3)动静间隙调整偏小;(4)汽缸跑偏和上下缸温差大;(5)漏汽吹到轴承座,引起焊接轴承箱变形和轴瓦标高上升,超载磨瓦。动静碰摩包含转子与静止部件的碰撞和摩擦,既产生冲击效应,又产生摩擦效应。摩擦效应导致转子径向截面温度分布不均匀,造成转子热弯曲,热弯曲产生一个新的不平衡力作用在转子上引起振动。

  综上所述,识别汽轮发电机动静碰摩时,首先应清楚转速是在对应转子的临界转速之前、之后还是临界转速附近。低速和盘车状态,既可借助传统的听音棒判断是否有摩擦声,也可利用加角90*(X、Y方向)的电涡流传感器观察轴心位置是否跳动和轴颈是否抬起。在600~800r/min以前,一般说来润滑油膜并未完全形成,当轴颈没有顶起来或在较低的转速停运顶轴油泵,易磨下瓦,这在低压转子和发电机转子的轴瓦上经常发生。轴瓦钨金的软化点为110°Q―旦钨金温度上升较快或突升,表明轴瓦磨损。

  机组升速以后,利用振动信息可以识别动静碰摩。

  通过振动频谱、波形、升降速的波德图、趋势图、轴心轨迹进行综合分析,能够判断是否发生了动静碰摩,确定碰摩的具体部位则具有一定难度。

  临界转速之前发生动静碰摩,是由于动静间隙调整不当或偏小,上、下缸温差较大引起,主要表现在高、中压缸。振动频谱呈现较多的是单一的转频,振动上升较快,轴振较瓦振更能反应碰摩的发生,打闸后波德图上同一转速下降速较升速振幅加很多,偏心(或弯曲)指示超标。

  根据转子动力学理论,角加速度越大,也就是升速越快,共振峰值越小;阻尼越小,也就是轴瓦间隙越大和超差,快速过临界转速的作用越显著;在临界转速下停留,由于轴心是以时间为变量的阿基米德螺旋线向外移动,时间越长,振动长幅度越快,出现不稳定性共振。但是,对于机组试运和检修后第一次启动,这种做法不可取。这是因为临界转速附近,振动对不平衡的变化非常敏感,一旦动静碰摩,很容易使振动失控,造成大轴永久性弯曲。如果临界前的基频很大,主要是不平衡引起的,应首先考虑动平衡,大的不平衡将使动静碰摩提前发生,加剧磨损的程度,并使临界转速区域扩大。碰摩时振动频谱以转频为主或由于碰撞出现宽频带,宽频带包含次同步振动分量、超同步振动分量、边频及谐波分量,振动波形出现畸变和削波现象,振动的长速度很快。

  机组定速以后,在机组并网加负荷过程及正常运行时的动静碰摩很少出现振动快速长现象,一般表现为:(1)振幅波动,波动周期快则几秒,慢则1;(2)振动缓慢长。高、中压缸在膨胀过程由于汽缸跑偏、滑销系统卡涩出现的动静碰摩持续时间较短,低压缸出现的动静碰摩时间较长,较为顽固。氢密封瓦的磨损会使振动上升一个台阶,然后在新的振动水平小幅波动,经历一次停机机会,再次开机振动又恢复正常。振动频谱以工频为主,伴随着一定的谐波振动分量,当工作转速远高于一阶临界转速时,精确的半频分量以及半频(25Hz)的1~7倍分量的出现是判别工作转速是否发生动静碰摩的重要依据。

  防止汽轮发电机动静碰摩产生大轴弯曲和大振动的对策:(1)检修中在调整动静部件的间隙时,除应考虑升速时轴颈的上浮外,还应考虑轴颈随转向产生的偏移,(可倾瓦除外),可按0.08~0.20mm考虑。(2)大修后第一次启动,不宜快速冲临界转速,以免造成大轴产生永久性弯曲。(3)临界转速以下确认转子存在明显的不平衡,应进行动平衡。转子存在较大的质量不平衡,将促使碰摩提前发生和共振范围扩大。(4)充分盘车消除转子热弯曲后再升速。(5)尽早消除汽缸膨胀不畅和跑偏,运行操作避免上下缸温差超标。(6)中速暖机应根据机组实际的升速振动特性,选择振动不敏感的转速暖机。(7)尽可能监测轴振和控制轴振,防止大轴产生永久性弯曲。

  3结论汽轮发电机的动静碰摩是一个复杂的动态过程,既包含动静部件的碰撞和冲击,也包含动静部件的摩擦,随机组结构形式、碰摩转速、碰摩部位、运行工况的不同,有时所表现的形态存在较大的差异。尽管如此,转轴与轴瓦、轴封、油挡、密封瓦的碰摩对机组最主要的影响还是热弯曲效应,它使转子产生一个附加的同步振动分量。在不同的转速对机组的危害性不同。

  利用振动频谱、波形削波、升降速过程的振动差异、同步振动分量的快速长、振幅波动等可以识别是否发生了动静碰摩。瞬态碰摩产生的是宽频带频谱,精确的1/2转频的各倍频分量的出现是判断动静碰摩的重要依据。

  动静碰摩是其它使动静间隙消失的机械故障的后继故障,合理有效的动静间隙和控制转子相对振动,既可保证机组的经济性,又能防止大轴永久性弯曲。