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旋转机械振动分析基础
汽轮机、发电机、燃气轮机、压缩机、风机、泵等都属于旋转机械,是电力、石化和冶金等行业的关键设备。这些设备出现故障后,大多会带来严重的经济损失。以100MW~600MW汽轮发电机组为例,出现故障后,多启动一次的直接经济代价(仅考虑燃油和厂用电消耗)约5万~30万元。机组容量越大,经济损失越大。
振动在设备故障中占了很大比重,是影响设备安全、稳定运行的重要因素。振动又是设备的“体温计”,直接反映了设备健康状况,是设备安全评估的重要指标。一台机组正常运行时,其振动值和振动变化值都应该比较小。一旦机组振动值变大,或振动变得不稳定,都说明设备出现了一定程度的故障。
振动对机组安全、稳定运行的危害主要表现在:
(1) 振动过大将会导致轴承乌金疲劳损坏。图1给出了某台机组轴承乌金损坏图片。某厂一台汽轮发电机组#1轴承乌金经常损坏。新轴承换上后,短时只能运行20~30天,长时也只能运行2~3个月。测试发现,轴颈处转轴振动达到280μm。大修中对该转子进行了动平衡,大修后的轴振减小为70μm。稳定运行四年多,乌金没有再次碎裂。某厂一台压缩机振动不稳定,三个月内累计发生阵发性振动8次。虽然每次幅值不大、时间不长,但是揭开轴承检查,经常能发现乌金局部碎裂,有时顶轴油孔甚至被磨损的乌金堵住。
图1 轴承乌金疲劳碎裂
(2) 过大振动将会造成通流部分磨损,严重时将会导致大轴弯曲。统计数据表明,汽轮发电机组60%以上的大轴弯曲事故就是由于摩擦引起的。图2给出了某台300MW汽轮机大轴弯曲后实测得到的弯轴曲线[1]。图3给出了某台机组汽封摩擦损坏图片。某厂1台汽轮机冷态启动,在1200rpm下暖机30分钟后,2号轴承振动逐渐增大到40μm。降速到500rpm后再次升速到1200rpm暖机,振动逐渐增大到82μm,振动发散速度越来越快。打闸停机过程中,振动未见减小,反而进一步加大。现场人员发现汽封摩擦冒火星。停机后2
号轴颈处大轴晃度达
1
到390μm。揭开汽缸大盖检查发现,动静部件磨损严重,。
图2 某台300MW机组高中压转子实测大轴弯曲曲线
图3 某台机组汽封摩擦损坏情况
(3) 振动过大还将使部件承受大幅交变应力,容易造成转子、联结螺栓、管道、地基等的损坏。近五十多年来,国内外发生过多起汽轮发电机组轴系断裂恶性事故[2,3]。1953年美国TANNER SCREEK电站1台125MW机组低压转子断裂,1954年美国REDGLAND电站1台156MW机组超速试验中,转速升到1955rpm(额定转速1800rpm)时,低压转子断裂。1972年原联邦德国某电站1台500MW机组低压转子、发电机、主励磁机与辅助励磁机之间的联轴器螺栓被扭断,低压转子在装叶轮处断裂。1972年日本海南电厂1台600MW机组超速试验过程中低压转子、发电机和励磁机
断裂,整个轴系断为17段。1974年美国GAILATIN电站1台225MW冷态启动时,升速到3400rpm(额定转速3600rpm)时,低压转子突然断裂。图4给出了国外发生的一台600MW汽轮发电机组轴系断裂图片[4]。
我国同样发生过多起比较严重的汽轮发电机组轴系损坏事故。1台50MW机组因汽轮机进入低温蒸汽,汽缸急剧收缩,动静径向间隙减小,引起动静径向碰磨,导致大轴弯曲和大不平衡振动。解列甩负荷时,主汽门、调节汽门关闭迟缓,机组超速至3600 r/min左右。在摩擦和大不平衡力的作用下,15m长的汽轮发
2
电机组轴系断裂成12段,汽轮机缸体爆炸,断轴拼接后的主轴最大弯曲达186mm。一台200 MW机组升速过程中,因故障导致转速飞升到3400 rpm以上,引发机组共振和油膜振荡,机组振动强烈,导致个别部件损坏,由此引起的大不平衡振动在10~11 s内使整个30m长轴系断成13段。
(a)损坏全景(b)大轴断裂(c)叶片断裂(d)大轴断口
图4 国外某600MW汽轮发电机组轴系断裂事故图片
第一节振动分析基本概念
振动是一个动态量。图5所示是一种最简单的振动形式-简谐振动,即振动量按余弦(或正弦)函数规律周期性地变化,可以写为 y?Asin(?t??)
??2?f,f?1
T (1)
式中,y-振动位移;A-振动幅值;?-振动相位;?-圆频率;f-振动频率;T-周期。幅值反映了振动大小;频率反映了振动量动态变化的快慢程度;相位反映了信号在t?0时刻的初始状态。
振动是一个动态变化量。为了突出反映交变量的影响,振动监测时常取波形中正、负峰值的差值作为振动幅值,又称为峰峰值,通常以App表示。式(1)中
的A又称为半峰值,记为A0p。
图6给出了三组相似的振动波形:(a)图两信