汽轮机和风机振动原因分析

引言

对于滑动轴承支承的大型旋转机械,主要的振动源是转子系统。产生振动的原因非常复杂,本文试图从振动轴心轨迹的变化、扭振、碰磨、低频振动的角度分析振动的原因,并给出了部分案例。

1振动基础及其模型

各向同性转子基础模型如图l所示,图中弹簧刚度用K表示。

图1各向同性转子基础模型

振动是一种围绕平衡参考位置的往复运动,作用力、系统、响应、X/Y向、幅值、相角等构成振动分析的数学模型:振动就是振动响应,振动的响应一般由涡流传感器、非接触(趋近）式传感器、速度传感器等才能检测出来,传感器仅检测与传感器沿轴向相同方向的振动,有幅值和频率。振动值常用峰峰值表示,频率是指其频率成分,可以看作是多个简谐波的合成,通过快速傅里叶变换才能批量分解出各个频率分量。滤波器能过滤信号得到简谐波,如1x、2x、0.5x、0.47x等,其中x是转速的频率。所谓"跟踪"就是跟踪转速频率,需要有键相信号才能跟踪。

2振动轴心轨迹(Orbit图）分析

图2是直角坐标系,x、Y方向与探头安装方向一致,原点就是xY时域波形的平均值,幅值的刻度/量程、方向与各自波形一致,orbit图上的每一个点,对应的分别是同一时刻x、Y方向传感器的时域波形的瞬时位移值。orbit图形的视角是以物理垂直上方为0o参考的,对于汽轮机来说,一般的约定是从驱动端往非驱动端看的方向。转子朝向探头运动的方向,是振动位移的正方向。另外,无论转子的旋转方向如何,Y方向约定都在x方向逆时针转90o的方向。orbit图是两个时域波形的物理合成,所以本身是时域图形。键相标记是一转一个事件的有别于x/Y向的传感器,整个汽轮机轴系共用一个键相传感器,连续的两个键相标记点表示转子转了一圈,所以本质上它是计时标记。键相标记所在的位置表示的是当键相槽正好经过键相探头时轴中心的位置。因此,同时基图一样,一个orbit图中也可以有多个周期。图2中,从时域波形的键相标记来看,转子转了两圈,orbit也是两圈,只是第二圈与第一圈完全重合。转子的旋转方向也要在orbit图中表达出来,它只与汽轮机物理安装和转子结构工艺有关,一般是固定的,因工艺参数的变化,转子出现反转故障另当别论。机器的旋转方向可以通过画在机器上的箭头找到:另外一个方法是从慢转速orbit上猜到,因为慢转速进动方向通常是正进动,正进动方向就是振动方向和转子旋转方向一致时的方向,而振动方向是从空点到亮点转的方向。

图2轴心轨迹(0rbit图）

现代的orbit图都是计算机处理的,轴心轨迹的形状与传感器的安装位置无关,只和观察的参考位置有关。

3关注扭振和横向振动

除x/Y向国际标准的截面横向运动外,从三维来看还有一种方向的振动即Z方向不曾表达,机器部件在Z方向的运动,也叫轴向振动,而绕旋转轴的静态和动态的扭动为扭振。轴向振动和扭振没有得到应有的重视是有原因的,对于扭振,相对于径向振动,测量难度大,径向振动和轴向振动都可以通过轴承这样的弹簧元件在轴承箱或别的连接部件上直接测量到,要求力的传递越直接、衰减或畸变越小越好。但是扭振不能直接通过轴承并在其上测量,因为它们与转子的支撑关系不大,扭振很少耦合到转子外的机器部件上。但实际运行的机器,扭振可以是很严重的,存在足够的杀伤力,有能力产生周期性的应力,导致疲劳失效,往往被称为"隐形杀手",发生扭振的案例不在少数。

扭振和横向振动的耦合问题,理论上来说,耦合是普遍现象。总的说来,凡是扭矩的变动都可能产生扭振,如同步/异步电机驱动的机器、流体介质机器等等。但是,实际上扭振和横向振动耦合并能带来明显的影响或者显性表现的并不多见,一般多出现在带有齿轮传动的机器上,也可能发生在转子几何结构的非对称转子上,但这种非对称转子只有极少的转子才有。

4摩擦的影响

汽轮机动静部分之间的摩擦往往是造成振动大的原因,一般来说更换了新的轴瓦,或者机械上有所改变,很容易出现碰磨现象,一般摩擦一段时间,振动会慢慢降低,这是最好的结局。但还有一种情况,振动随着碰磨的发生不会减小。有经验的诊断师,不会将摩擦作为最终结论,而是当成次生故障。还有最根本的原因,例如,转子轴向位置安装不精确,使得流体通道发生轻微改变,从而产生旋转失速。径向轴承间隙过大导致旋转失速的阈值降低,瓦与轴承箱之间的接触间隙偏大,则降低了失速的稳定裕度。这些因素才是初生故障。所以,振动发生时,不仅要关注振动值,还要关注轴位移和差胀有无异常。

5转子质量不平衡

转子上的装配部件在安装或当初机械加工时,内孔与转子中心不同心,或部件质量对转动中心不对称:转子上的叶片、拉金断落或不对称磨损:转子锻件在加工及处理过程中有过大的残余变形,引起转子永久性挠曲:检修时,在转子上拆装叶轮和叶片,更换联轴器零件,更换发电机线圈、车削转子轴颈或直轴等,都有可能造成转子质量不平衡。转子质量不平衡是汽轮机振动异常的最主要原因,70%以上的异常振动是转子质量不平衡引起的,其特点是,振幅与不平衡质量成正比,振动频率等于转子的振动频率,波形为正弦波,振幅及相位始终保持常数,而与负荷无关。这类振动只需要找好平衡即可解决。由于其发生概率高,解决方便,在汽轮机组发生振动时,应成为首要分析对象。

6奇怪的低频振动

低频振动问题一般容易忽视,因为没有足够的检维修数据支持和验证,能够抓拍到的案例极少,以下是一起送风机振动大跳闸的案例:两端轴承上安装的是本特利加速度传感器,通过本特利3500监测系统将振动值送到DCs系统中,属于风机大修后启机,从DCs上的历史趋势图中发现,启动风机后,从2020年4月5日开始,风机两端的水平方向振动(通频振动,单位为速度有效值,一般也叫"振速"）逐步爬升,非驱动端振动比驱动端稍大,一直原因不明。

本特利服务人员利用sCoUTl40便携式振动信号采集仪采集了几组振动信号,将信号上传到systeml软件中进行分析。发现引起振动上升的频率成分主要是2.5Hz的低频信号。这种低频信号的最低频率可能比2.5Hz还低,因为频谱图中的频谱分辨率最低是2.5Hz,如果增加分辨率,这个频率可能还会降低。这种低频信号很容易怀疑是速度传感器出了问题,如速度传感器的接线松动,电缆随着进出气流的扰动而抖动,或传感器连接及质量问题等等。还有一种可能是导叶失控(导叶的控制失灵）,导致气流扰动叶片产生激励力,这种原因以前有过案例。本例是振动值单方向逐渐增大,另一方向稍小,与以前的案例不尽相同。

通过停机检查发现,在风机进气道入口,有一个长条形结构件脱开,卡住进气道,幸好没有进入叶轮中,振动表现在水平方向,振动趋势逐步增大,都应该和卡的位置相关,如果长条结构件方向位置改变,振动表现可能是垂直方向。本案例只是低频振动的原因中的一种。拿掉这个脱落构件后,机器重新启动,迄今振动正常、稳定。参见DCs趋势,趋势图中很低的底部振动是停机状态。

低频振动还有其他几个案例,均表现在零点几赫兹的低频信号下振动大,类似于振动分析中典型的"滑雪坡"现象,而"滑雪坡"现象通常是传感器系统的问题,包括传感器系统本身损坏、电缆、接线等。在更换了前置器和探头后还存在这种振动大现象,说明不是传感器的原因,笔者将这一案例称为"类滑雪坡"现象,原因至今未明。

7结语

振动产生的原因十分复杂,而且每个汽轮机组或风机的情况也都不同,因此需要针对每个机组进行一系列的试验,找出振动的规律,做好记录工作,结合运行与检修时的资料,进行综合分析,才能找到振动的原因,进而加以消除。在生产运行中,还必须做好振动监测工作,避免异常振动的发生,确保整个电厂的正常运行。