旋轉機械振動與平衡

杜秉謙,旋轉機械振動與平衡,前言,汽輪發(fā)電機組的振動是關系到發(fā)電廠安全經(jīng)濟運行的技術熱點之一，特別在新機組試運或機組檢修后第一次起動時，振動問題也是影響機組能否成功啟動的關鍵。近三十年以來，國內外曾經(jīng)發(fā)生過多起由于振動大而導致汽輪發(fā)電機組軸承斷裂惡性事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失和不良影響。因此，設法減少旋轉機械的不良振動是工程上非常重要的研究課題。 由于機組產(chǎn)生異常振動的原因是多方面的，情況復雜，涉及到設計制造、安裝、檢修和運行各個方面，所以，無論是檢修人員還是運行人員具備這方面的基本知識都是十分必要的。,振動的危害,汽輪發(fā)電機組發(fā)生過大振動的危害，主要表現(xiàn)在對設備和人身兩方面。對設備的危害主要表現(xiàn)在以下方面：,1、動靜部分發(fā)生摩擦。由于機組單機容量的增大和效率要求的提高，汽輪機通流部分的間隙，特別是徑向間隙一般都比較小，在較大的振動下，極易造成動靜部分摩擦，由此不但直接造成動靜部件的損壞，而且當汽封間隙大后，增大了轉子軸向推力，引起推力瓦溫度升高，甚至會發(fā)生推力瓦損壞事故。如果摩擦直接發(fā)生在轉軕處，將會造成轉子的熱彎曲，使軸和軸承振動進一步增大，形成惡性循環(huán)，由此常常引起轉軸的永久彎曲。,振動的危害,2、加速某些部件的磨損和產(chǎn)生偏磨。因振動而產(chǎn)生不均勻磨損的部件，主要有軸頸，蝸母輪、活動式聯(lián)軸節(jié)，發(fā)電機轉子滑壞、勵磁機的整流子等等。對靜止部件來說，主要是加速滑銷系統(tǒng)的磨損。發(fā)電機滑環(huán)和勵磁機整流子橢園度過大，將使電刷冒火?；N系統(tǒng)磨損后，會使機組膨脹失常。 3、動靜部件的疲勞損壞。由于振動，使某些部件產(chǎn)生過大的動應力，因而導致疲勞損壞，并且由此造成事故進一步的擴大。這種疲勞損壞雖然要有一個時間過程，但是隨著部件上應力的增大，時間過程可以大為縮短。所以有些機組盡管只是在起停過程中發(fā)生了幾次大振動，但也能使某一部件發(fā)生疲勞損壞。在現(xiàn)場，由于振動而使另件發(fā)生疲勞損壞的，以軸瓦烏金破碎較多。當破碎的烏金塊落入油隙時，會把軸瓦烏金輾壞或引起整個軸瓦的燒毀。,振動的危害,4、某些緊固件的斷裂和松脫。過大振動使軸承座地腳螺栓斷裂和某些另件發(fā)生松動而脫落，失去原有的功能，從而使機組發(fā)生事故。過大振動使緊固件發(fā)生松動的另一種形式是基礎二次灌漿松裂，使軸承座動剛度降低，使軸承振動進一步增大。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場較為常見，有時還會引起基礎和周圍建筑物產(chǎn)生裂紋。 5、機組經(jīng)濟性降低。汽輪機汽封間隙的大小，與汽輪機熱經(jīng)濟性有密切關系。而汽封間隙能否保持較小數(shù)值，很大程度上決定于機組的振動狀況。過大振動會使汽封間隙磨大，使機組熱經(jīng)濟性降低。,振動的危害,6、直接或間接造成設備事故。當汽輪機發(fā)生過大振動時，危急保安器或機組的其它保護儀表的正常工作將直接受到影響，嚴重時會引起這些部件的誤動作，直接造成事故停機。 發(fā)電機定子鐵芯和端部線圈振動過大，會使鐵芯過熱損壞，使繞組與繞組間或繞組對地短路。 對于水冷發(fā)電機轉子，振動過大會引起引水管斷裂，冷卻水泄漏事故。,振動的危害,振動對人身的危害也很嚴重。過大的機械振動和噪音，對運行人員的生理將產(chǎn)生不利的影響。在0100HZ范圍內，過大的振動大多數(shù)情況下將引起工作人員顯著的疲勞感覺，降低工作效率，從而降低了預防、判斷和處理事故的能力。 從振動造成的主要危害出發(fā)，不僅額定轉速下的過大振動會產(chǎn)生這些危害，而且在起動和停機過程中所發(fā)生的過大振動，也有著類似的危害。在機組起動中，當臨界轉速下的振動很大時，采用加速的方法沖臨界轉速，固然可以使軸承振動得不到發(fā)散。但在停機的過程中，就難以避免在臨界轉速下發(fā)生過大的振動。因此，對于臨界轉速下振動較大的機組，從改善轉子平衡狀態(tài)著手來消除振動應當是更合理的技術措施。而沖臨界轉速的做法則是電力法規(guī)明令禁止的。,振動的允許值,一振動的基本概念和專業(yè)術語 簡諧振動是最基本的振動形式，復雜振動都可以視為多個簡諧振動的合成。 所謂簡諧振動，凡符合正弦或余弦規(guī)律的振動，稱為簡諧振動，其數(shù)學表達式為：,振動的允許值,在工程上，還常用單位時間內的振動次數(shù)，即頻率，用f表示，國際單位為赫茲Hz。f=1/T/2。在振動專業(yè)使用的術語中，把與 轉速頻率相同的頻率稱為基頻，二倍轉速頻率稱二倍頻（或簡稱倍頻），依次類推。 圖11給出了簡諧振動的波形，圖上標出了各參數(shù)的物理意義。振幅、頻率（或周期）和相位這三個參數(shù)直接決定了系統(tǒng)的運動狀態(tài)。故常將這三個參數(shù)稱為振動三要素。,圖11簡諧振動,振動的允許值,將振動位移對時間求一次和二次導數(shù)，可以求得振動速度V和加速度a。為了簡單起見，令0，即yAsin，則,由上式可知，當振動點的位移是簡諧振動時，則其速度和加速度同樣也是簡諧振動，并且三者的周期完全相同，相位依次相差/2；振幅分別為A，A和A2。 對于振動度量通常有峰值、平均值和有效值三種度量方法?，F(xiàn)場使用的測振儀輸出的振動位移一般是指峰峰值（即雙振幅）。 對于一個純正的簡諧振動波形，平均值為 有效值為,當簡諧振動的表達式為y=xm sin時，則振動的峰值（單振幅）、平均值和在效值的關系為：,振動的允許值,振動速度的有效值也稱振動烈度。圖1-2表示出了三者之間的關系。,圖1-2,振動標準,運行中的汽輪發(fā)電機組，在任何情況下都會有振動，而振動過大又會造成極大的危害，所以運行中的機組振動必須保持在一定的范圍內，這個范圍就是振動的標準。我國原水電部1980年頒布的汽輪發(fā)電機組振動標準見表1-1。,表11汽輪發(fā)電機組軸承振動標準（雙振幅）,振動標準,軸承振動評定標準以軸承座的垂直、水平和軸向三個方面振動中最大者為評定依據(jù)。振動測點的布置如圖1-3所示，即垂直振動應在軸承頂蓋上方，正中位置垂直地測量，水平和軸向振動應在軸承上蓋水平結合面上方沿軸向位置，水平地和軸向地測量。為了便于比較，各軸承座上的測點位置應當固定，測量部位應作出標記。,圖1-3軸承座振動測點位置,振動標準,隨著測量技術的進步，已具備了轉軸振動作為評定尺度的條件，我國參照國際標準化組織的ISO7919-2制訂了陸地安裝大型汽輪發(fā)電機組“轉軸徑向振動測量與評定”標準。轉軸的相對振動（轉軸相對于軸承）和絕對振動（轉軸相對于地面）振動位移峰峰值的推薦數(shù)值見表1-2和表1-3。,表1-2轉軸相對位移推薦值（）,振動標準,表1-3轉軸絕對位移推薦值（）,表中區(qū)域A：新投產(chǎn)機組的振動應在此區(qū)域內； 區(qū)域B：在此區(qū)域內為合格，可以長期運行； 區(qū)域C：在此區(qū)域內的機組，對長期連續(xù)運行而言認為是不合格的，一般來說，在采取措施之前，可以有限的運行一段時間。,振動標準,1986年我國機械工業(yè)部發(fā)布了汽輪機組的機械振動標準，對發(fā)電用的汽輪機組中汽輪機部份的機械振動選定振動烈度作為描述機組振動狀態(tài)的品質參數(shù)，表1-4給出了汽輪機振動烈度的評定等級。,表1-4JB4057-85振動標準,振動標準,振動標準,根據(jù)上式可以相互換算。對于50Hz的振動位移與振動烈度的對應值如表1-5所示。,表1-5振動位移與振動烈度對應值,振動標準,在我國JB4057-85標準中，還給出了以軸相對(軸相對于軸承)振動位移最大峰峰值的評定準則，在準則I（按額定功率、轉速下穩(wěn)定工況的振動值極限評定）中規(guī)定軸的相對振動位移峰峰值分為四個品質段，各品質段的意義同前。品質段間的極限值分別為Sp-pmaxA、Sp-p maxB、Sp-pmatC表示（見圖1-4）對于功率大于60MW，轉速為1500、3000r/min的發(fā)電用汽輪機組，各極限值按下列各式計算：,振動標準,在準則（按正常穩(wěn)定工況的振動值變化極限評定）中，振動變化極限值應不大于Sp-pmaxA的75%（不論是增加還是減少）。 軸振動位移最大峰峰值的測量應在鄰近軸承的徑向平面內進行，每個測量平面內安裝一對探頭，彼此互相垂直（905） 一般與水平面各成45的傾斜角，并且各探頭的軸線偏離旋轉軸的徑向線5（見圖1-5）。以兩個方向上測得的位移峰峰值中較大者為評定依據(jù)。 國家電力公司于2000年9月28日發(fā)布的防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求（國電發(fā)2000589號文）對汽輪發(fā)電機組振動提出了具體的反事故措施，規(guī)定發(fā)生下列情況之一應立即打閘停機：,振動標準,機組在啟動過程中，在中速暖機之前，軸承振動超過0.03mm； 通過臨界轉速時，軸承振動超過0.10mm或相對軸振超過0.26mm，應立即打閘停機，嚴禁強行通過臨界轉速或降速暖機； 機組運行中要求軸承振動不超過0.03mm或相對軸振不超過0.08mm，超過時應設法消除。當相對軸振大于0.26mm應立即打閘停機： 當軸承振動變化0.015mm或相對軸振變化0.05mm，應查明原因設法消除，當軸承振動突然增加0.05mm時，應立即打閘停機。,振動標準,Thank You !,