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1、第四部分 振动故障特征及诊断 对机组振动的个人体会 汽轮发电机组振动本身不是故障，其只是机 组内在故障的动态外在表现。鉴于关键设备 的安全性，对新机调试、在役机组大修后启 动以及运行中存在振动故障的机组，应测量 机组振动、进行相关试验、诊断故障根本原 因、并采取相应的措施将机组振动降低至合 格水平。 振动诊断技术优点 多参性 多维性 可传递性 可实现性 应具备的相关学科知识 机械振动理论 转子动力学 传感器原理 动态信号采集分析 机组结构特点 安装检修工艺 运行规程 故障诊断知识 常见振动故障分类 质量不平衡、热不平衡、动静碰摩 汽流激振、油膜失稳/振荡、结构共振 不对中、转子裂纹、参数激振
2、转子中心孔进油、旋转部件断裂飞脱 转子弯曲、轴承座连接刚度不足 轴瓦紧力不足、堵头松动、拍振 二次灌浆不实、振动传递 质量不平衡 质量不平衡是旋转机械最常见的振动故障 ，其原因是转子几何中心与质量中心不重 合，另外，联轴器中心变化以及转子积垢 等因素也会影响转子平衡.轴系平衡类型 有一阶、二阶、三阶不平衡以及外伸端不 平衡。新机组转子在制造厂平衡台上进行 过动平衡，由于支撑条件以及端部约束条 件的改变，在调试阶段进行现场动平衡的 机组仍占有较大的比例。 大不平衡 汽轮机低压转子末级、次末级叶片在运行 过程中突然断裂飞脱，属于大不平衡响应 问题。转子动力学响应为非线性特性，且 大幅剧烈振动往往导
3、致动静碰摩的发生， 这是理论计算所不能真实模拟的。只有在 线监测系统测量的数据真实地反映大不平 衡状态下轴系的振动响应。 大不平衡动静碰摩波形 大不平衡动静碰摩频谱 热不平衡 由于转子材质各项异性、转子加热/冷 却不均（发电机转子匝间短路、汽轮机 转子中心孔进油、发电机氢冷/水冷通 道局部堵塞）、内摩擦效应（发电机转 子线圈膨胀受阻）等原因引起的与转子 温度相关的转子热态弯曲。 动静碰摩 当旋转部件与静止部件径向/轴向间隙消失 时，则发生动静碰摩故障。振动频谱除基 频分量外，还含有次谐波分量和/或高次谐 波分量。应以振动变化量或振幅作为停机 值，由于仍然存在碰摩，停机惰走过程振 动比升速过程振
4、动大，可破真空缩短惰走 时间。连续盘车数小时后，挂闸开机。一 般经过几次摩合，动静碰摩即消失，振动 可处于稳定状态。 汽流激振 由于叶顶径向间隙不均产生切向分力、端 部轴封径向间隙不均产生压力涡动、顺序 阀进汽方式使转子受到向上的蒸汽力产生 轻载，再加上轴瓦稳定裕度不足，而使转 子产生自激振动。该振动敏感于负荷，低 频分量一般为半频、严重时也会与转子一 阶临界转速相对应。有时单独改变轴瓦设 计并不能消除该故障，应改进汽封结构设 计、调整调门开启顺序及开度、调整安装 间隙等才能彻底解决问题。 汽流激振的振动特征 蒸汽激振出现在机组并网之后、负荷逐渐增加的 过程中，主要特点是振动敏感于负荷，且一般
5、发生在 较高负荷。突发性振动通常有一个门槛负荷，超过此 负荷，立即激发蒸汽激振，而当负荷降低至某一数值 时，振动即能恢复，有较好的重复性。蒸气激振引起 的振动有时与调门的开启顺序和调门开度有关，通过 调换或关闭有关阀门能够避免低频振动的发生或减小 低频振动的幅值。 蒸汽激振产生的自激振动为转子的正向进动，发 生严重蒸汽激振产生自激振动的振动频率通常与转子 第一临界转速频率相吻合，在绝大多数情况下振动成 份以接近工作转速一半的频率分量为主。此外，由于 实际蒸汽力和轴承油膜力的非线性特性，有时会呈现 其它一些谐波频率分量。 华能南京1号机组蒸汽激振波形频谱图 华能南京1号机组蒸汽激振趋势图 外高桥
6、4号机组蒸汽激振波形频谱图 岭澳1号机组蒸汽激振波形频谱图 岭澳1号机组蒸汽激振三维频谱图 油膜失稳/振荡 在一个振动周期内，如果润滑轴承的阻尼消 耗的能量小于油膜力切向分量所做的功，则 转子发生不稳定的涡动，振动频率约为同步 频率的一半，故常称为油膜半速涡动。当机 器运行转速在转子一阶临界转速二倍以上时 ，则会产生油膜振荡现象，此时，无论机器 转速继续上升至多少，涡动频率将锁定转子 一阶临界转速频率。 一台压缩机升速失稳三维频谱图 油膜振荡频谱图 结构共振 轴承座、汽缸、发电机端盖/定子、管道 等结构的固有频率接近机组轴系运行转 速对应的频率，则运行工况下这些机械 结构处于共振状态，表现为大
7、振幅的剧 烈振动。通过传递后，可影响机组轴承 座振幅。一般情况下，应对该机械结构 进行有限元动特性计算、并进行结构动 力学修改，使其固有频率远离运行转速 对应频率，即可避免结构共振的发生。 结构共振 不对中 汽轮发电机组轴系不对中分为联轴器不对 中（外圆、端面）、轴承座标高不合理、 转子与定子周向间隙不均。可通过低转速 下相对轴振的晃度、升速过程的轴心位置 图、轴瓦温度、回油温度、大负荷工况下 高中压转子低频振动、并网前后发电机振 动频谱的变化来进行诊断分析。 联轴器不对中基本分类 转子裂纹 转子裂纹初期，振幅增长速度相当缓慢， 主要为基频分量。当裂纹快速扩展时，定 速工况下振幅会大幅增长，主
8、要表现为基 频分量，同时，2X分量也会增大；临界转 速下基频分量大幅增加；副临界转速下2X 分量大幅增加；低转速下转轴晃度持续增 大。再者，轴系动平衡结果与计算期望值 相去甚远，多次动平衡的影响系数差别较 大。 转子联轴器裂纹照片 参数激振 两极汽轮发电机转子因结构刚度不对称， 在重力作用下每旋转一周，挠度曲线变化 两次。如果转子两轴线截面主惯性矩差异 较大，则在1/2临界转速（副临界转速） 时出现2X分量峰值，工作转速下也存在2X 振动分量，且与转子平衡状态关系不大。 大功率发电机转子本体上开有一定数量的 横向月牙槽，以使两轴线截面主惯性矩接 近，可降低副临界转速以及工作转速下2X 振动分量
9、的幅值，改善机组振动水平。 转子中心孔进油 中心孔进油后，运行中随着转子本体温度的 升高，转子高温端的油受热汽化并吸收热量 ，中心孔几何轴线与旋转轴线不重合，使得 油膜在孔壁周向厚度不同，从而热交换程度 也不同，使转子圆周方向出现温差；汽化的 油在转子低温端凝结，释放出热量，同样引 起转子径向温差。径向温差使转子存在热不 平衡故障，振动随转子温度升高，惰走过程 振动较升速过程振动增大，低转速下转子晃 度明显增大。 旋转部件断裂飞脱 叶顶围带、动叶片、联轴器螺栓护板在机 组运行状态下断裂飞脱，可引起轴系振动 突变。一般整个过程约几秒钟，振动分量 主要为基频，在大不平衡状态下，可能会 出现次谐波分
10、量及高次谐波分量。振动变 化量及频谱与飞脱质量大小、轴向位置、 机组轴系转速相关。 转子弯曲 在热态下突然遭受水击、严重动静碰摩等因 素可导致汽轮机转子产生永久弯曲。弯曲转 子的振动特征为：低转速下较大的晃度、过 大的一阶振型不平衡响应以及工作转速下的 较高振动响应。如果转子弯曲超过8丝，应 进行直轴处理；如果转子弯曲在8丝之内， 可利用移动式平衡台在电站内对转子进行平 衡即可。 一台机组中压转子 轴承座连接刚度不足 基础台板轴承座之间的连接刚度不足 ，可导致在转轴振动不大的情况下，轴 承座振动达到报警状态。可在开机状态 下，进行轴承座外特性试验，测量各结 合面的垂直方向振动，比较各结合面振
11、动幅值，即可发现连接刚度不足的结合 面。 轴承座外特性试验 轴瓦紧力不足 下瓦与轴承洼窝接触不实、过大的轴承 间隙以及轴瓦上瓦瓦盖紧力不足，这些 由于部件之间不合适的配合引起的振动 故障的频谱不仅含有丰富的高次谐波分 量，而且含有丰富的次谐波分量。该种 故障振动的相位很不稳定，变化范围很 大。 轴瓦紧力不足频谱图 堵头失去约束 汽轮机转子中心孔两端各有一个堵头，防 止油气和水汽进入孔内。如果失去约束， 则堵头可能掉进联轴器内孔。振动特征为 ：主要为基频分量；振动具有相对稳定性 及不重复性；现场动平衡失败以及影响系 数与正常情况下测量得到的影响系数差别 较大。可进行两、三次开机试验，测量轴 系振
12、动数据进行分析。 堵头结构图 拍振 拍振是振动频率相近的两个振动的叠加。 拍振的最大振动出现在两个频率的振动波 形同相时，而其最小振动出现在两个频率 的振动波形反相时。在拍振现场可听到时 起时伏的噪声。其频谱图中存在两个频率 非常接近的频谱峰值，这两个频率差就是 拍振的频率。 拍振波形现场实测 拍振波形频谱试验室模拟 二次灌浆不实 二次灌浆不实大多发生在发电机定子安装 过程中，发电机定子机座下面的座板与基 础之间。表现为较大的发电机轴承座以及 座板垂直方向振动。需要打掉二次灌浆、 清洗结合面、重新进行二次灌浆、按照水 泥养护规程进行养护后、再次调整汽轮机 发电机中心，即可消除二次灌浆不实引 起
13、的发电机振动故障。 振动传递 循环水泵管道振动经凝汽器汽缸轴 承座、发电机氢冷器进出水管振动经氢 冷器发电机定子端盖轴承、机组各 轴承座振动经台板基础台板轴承 座可进行传递，所以，振动故障诊断及 处理一定要结合轴承座振动数据、相对 轴振数据、现场实际情况，具体问题具 体分析，才可能找出真正的振源。 膨胀不畅 汽缸以及轴承座的膨胀卡涩会改变 轴承座和台板之间的接触状态，降 低轴承座动刚度，导致座振增大。 严重时还可导致汽缸变形，诱发动 静碰摩故障。 小结 由于振动故障与振动特征之间不存在一一 对应的简单关系，所以故障诊断时一定要结 合机组结构特点、运行参数以及振动故障发 生、发展的整个过程，进行综合分析判断 全信息诊断，切不可仅仅依靠一组振动数 据下结论部分信息诊断。
