汽轮机及其振动.docx

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汽轮机及其振动

汽轮机及其振动

介绍

汽轮机是热机，是将热能转化为机械能的机械。

汽轮机可以是功率小、设计/结构简单的小型汽轮机，也可以是功率大、设计复杂、多级、多轴的大型汽轮机。

汽轮机及其产品系列品类繁多，不同的制造商分类不同，不一而足。

但汽轮机的基础是相同的，功能相同、主要部件及其支撑系统类似，而其失效机理也是大同小异的。

本文仅按最主要的应用和常见的故障进行分类和讨论。

无疑地，汽轮机可靠运行是很关键的，对其进行有效的状态监测是必须的、也是行业的共识，包括监测其运行状态、水/蒸汽品质、蒸汽透平的健康等等。

∙凝汽式透平 – 排汽在高度真空状态下进入冷凝器凝结成水，主要用于发电厂。

单缸汽轮机的蒸汽从进汽到排汽都在一个缸内，而对于多缸汽轮机组，高压蒸汽要经过高压缸到一个或者多个逐级降低压力的汽缸，充分膨胀后排汽。

∙背压式透平 – 排汽为正压，高于大气压。

主要用于油气类工艺装置中。

其排出的蒸汽压力取决于工艺设计和生产要求，需送往下一流程再使用，此时透平类似于一个减压阀。

∙再热凝汽式透平 – 排汽为真空凝汽式，但中间级部分蒸汽会抽出来，返回锅炉再加热到初始压力，送回下一级或中压透平。

∙抽汽式透平 – 排汽可以是真空凝汽式或者正压式。

主要用于油气类工艺装置中。

中间多处抽出部分蒸汽可用于工艺蒸汽，或者为了中间多处补汽，以得到更高的功率。

本文仅按蒸汽的供汽压力分为高压、中压和低压透平。

所有的蒸汽透平都有如下主要部件：

∙缸体

∙转子

∙轴承

∙密封

∙联轴器

∙盘车装置（小机器可能不需要）

高压透平

高压透平的结构、部件：

凝汽式或背压式高压缸实图：

高压透平可能和中压透平合缸（HP/IP）：

两排汽低压汽轮机:

两排汽低压透平转子和缸体实图：

透平缸体的布置

缸体的布置很多种

∙单缸：

是单个透平缸体的基本布置

∙单轴多缸串联式：

多个缸体在一根轴线上，也包括两根轴中间有齿轮变速

∙多缸多轴式：

多缸分布分布在多个平行轴线上，一般是两根轴

单轴多缸串联式蒸汽透平：

这种机组可以有多处抽汽，LP缸有真空凝汽器。

根据不同的工艺要求，振动特性各异：

主蒸汽温度和再热温度不匹配（如温度梯度不同），需要监测温度的过快升温或异常改变；抽汽点和凝汽器的真空；典型的壳体变形或冷凝水堵塞对转子的振动影响等等。

多缸多轴式

下图是高压缸驱动一台发电机，IP和LP驱动另一台发电机。

大型电厂可能有不同的要求，上图仅是一种布置，每种布置都有其合理性和多种理由，可以是空间限制，喜欢短轴系，不同的转速要求，性能/效率要求等。

透平转子设计

∙整锻转子，包括了安装叶片的轮毂，仅叶片是后加上去的部件，转子中心可能是空心的。

∙套装转子：

转子、轴封套和轮毂分别独立锻造，用过盈配合（红套）及键配合安装。

∙轮毂焊接转子：

轮毂焊接到一起，组成一根中空转子

整锻转子的优点：

∙转子与轮毂一体，中间可以是空芯的或者实芯的。

∙现在的锻造往往要求是实芯的。

∙没有套装的红套配合，所以没有相应的应力集中顾虑。

缺点

∙整锻制造成本高

∙大、重

∙中间级密封直接与转子接触，摩擦会导致轴热弯

整锻转子的中心通常打有ф100mm的中心孔，其目的主要是便于检查锻件质量，同时也可以将锻件中心材质差的部分去掉，防止缺陷扩展，以保证转子强度。

套装转子的优点

∙锻造转子时不考虑轮毂和轴封套，分别制造的成本较低

∙轮毂和轴封套可以分别拆下维修

∙级间密封不与转子直接接触，摩擦损坏的密封套容易维修和更换，摩擦导致的热弯不容易传递到转子上

缺点

∙红套和键连接可能导致应力集中和疲劳、裂纹等

∙红套的轮盘可能在超速时松开，或者高应力下产生裂纹。

∙转子检查时轮毂、轴套需要移出，麻烦。

焊接转子的优点

∙制造容易，无需锻造

∙转子中空，轻

缺点

∙焊接技术要求高，要检查焊缝

∙中空转子容易带液

叶片

Curtis级归类于冲动级，利用蒸汽的速度冲击去推动转子的运行，并转化为机械能。

反动级应用在较末级，利用静叶喷嘴的压降来做功。

冲动级叶片含压力级和速度级（Curtis），它类似于水轮机，高速蒸汽导入叶片，蒸汽的动能转化为叶片的运动，蒸汽的速度在动叶中没有损失，主要损失为蒸汽流经静叶喷嘴的压降，动叶中没有压力损失。

以上图是冲动转子的基本构造。

反动级叶片

蒸汽同样要在隔板的喷嘴上膨胀，然后流到叶片，不同的是蒸汽在反动式动叶里也膨胀，压力继续下降。

反动级转子

转子是转鼓式设计，一般只有很小的轮盘，是转子的一部分。

上图为拉金示意图

叶轮（轮盘）一般是红装在转子上，制造成本低，高温、高速应用可用一体化的整体锻造，将叶轮锻造为转子的一部分。

叶根的结构型式有枞树型、T型、半圆枞树型，或者用多个楔子将叶片固定在轮盘上，固定方式没有好坏之分。

叶片因而有多种揳入方式，轴向、径向，或者切向插入。

上图是倒枞树形

径向和切向插入，切向插入叶片是很多透平的常用方式。

切向进入叶片是从如上右图的凹槽插进去，再沿周向滑到叶轮的设计位置。

径向直接插入方式多用在大中型汽机的低压缸的末级，轻轻地就能插进去，再用铆钉铆紧，因为离心力大，这种方式可以承受较大的应力。

轴向插入是最牢靠的方式，一般用在第一级和最末级的叶片固定上。

这种方式很少发生疲劳失效。

蒸汽进气 – 控制系统和阀门

电子调速器从转速探头那里接收到一个当前转速信号，控制器将这个信号和转速的设定值比较，差值电压信号送到电-液压转换器中，转换成一个液压油信号送到液压油分配器，控制液压油升降杠杆，操作阀门的位置来改变进汽量，从而升速或者降速。

蒸汽透平的喷嘴/隔板

喷嘴就在隔板上，是一回事，为静止部件，将蒸汽导入动叶。

一般由两半组成，固定在壳体上。

两半隔板用定位键或者水平销保持在正确的位置。

分段金属密封环安装在内径作为隔板密封。

部分进汽和全周进汽

部分进汽结构如上图右，由缸体上的三个阀门独立控制进汽，它们自由膨胀以避免锻件的温度梯度和应力梯度。

与振动有关的问题是轴承的载荷及载荷合力的角度是随着部分进汽弧段的蒸汽的流速的改变而变化，从而改变轴承的动态特性。

在启机时，可能要求整个进汽弧段的温度分布均匀，所以要求暖机充分，使得阀门、透平、管道的温差合格。

但为什么要用部分进汽而不是全周进汽呢？

主要是部分进汽在低负荷时有利，阀门部分打开时透平的运行效率更高，但此时叶片所受冲击力大，受热不均匀。

对于全周进汽，喷嘴的热膨胀均匀，冲击应力小，但满负荷前的效率低。

上图是蒸汽阀门的运动对轴中心位置的影响，测点位于HP透平蒸汽进气侧，轴承为椭圆形轴承。

透平轴承

径向轴承分为圆轴承、压力坝轴承、椭圆形轴承、可倾瓦轴承等，轴承接触表面大多为为巴氏合金，主要材料是锡， 如某公司的轴承的锡含量为88%，有的机组用流体静力轴承，内有一定压力的顶轴油。

推力瓦基本为Kingsbury 滑动轴承及锥面滑动轴承

轴承主要是承载转子重量，保持转子的位置，减小摩擦等

椭圆式轴承水平方向的主轴比垂直方向的主轴长，用于轴径大，高速、载荷大的情形。

圆筒形轴承是汽轮机常用轴承，承载能力强，主要用在小型机组上，稳定性欠佳，容易引起油膜失稳。

上图是Kingsbury推力瓦

推力轴承

∙承受推力载荷，吸收瞬时轴向力。

∙保持透平的轴向间隙，轴向间隙小。

∙窜轴是严重（灾难性）故障，必须跳机保护。

一般以冗余式“与”逻辑设定跳机监测方案。

上图示出的是一个轴位移探头磨坏了。

下图是动静部件间的轴向位移量。

透平的密封

密封的作用是不让蒸汽漏出。

迷宫密封是最通用的型式，可以是直齿、斜齿或者高低交错齿。

迷宫设计是便于多次降压来减小泄露。

也即提高了汽轮机的效率。

但缺点是如果间隙过小，容易导致磨擦，缸体变形、过大的轴振也可能导致转子碰到疏齿。

大多的密封组件是有弹性的，允许一定移动量。

也有固定无弹性的、可缩进或者正压式的、或者刷式的。

刷式是允许某种程度的可磨性，但依然可能导致轴弯。

斜齿通常用在LP上，因为间隙上的让步，一般不太会磨秃。

联轴器

大型汽轮机的联轴节一般都是刚性的，并且是和转子一起整体锻造的。

因而装配需要较高的技术，装配的时机也要合适。

对于小型透平，可能用桡性联轴节，轮毂红装在转子上。

∙轮毂的安装可能不当：

与转子中心不对心，或者歪了。

∙没按标记装配回去

∙螺栓和螺帽不合适，包括重量或者螺纹规格

刚性联轴器

桡性联轴器

选择怎样联轴器由机组的功率和配置决定的，一些机组两者都可以。

一些带齿轮箱的透平或者希望冷态对中允许较大的偏差，希望两根轴的振动响应隔离，包括轴位移的补偿等，都可能考虑使用桡性联轴节。

盘车装置

盘车是为了预防转子的重力弯曲，机器启机前，充分盘车往往是必须的。

盘车装置灵活性很大，如有的机器用液压盘车。

上图一个上盖拿掉了的盘车系统的顶视图。

立式电机装在上面通过齿轮驱动转子。

安装完成后的盘车装置，电机是水平布置的。

常见透平失效模式排名。

下图是燃煤蒸汽透平按做功损失的排名，该数据来源自NERC 和 EPRI,统计时段为1998~2002，润滑油问题导致机组失效率最高，但因为润滑油问题容易解决，而叶片失效造成的宕机时间，因而损失更大，所以叶片失效的排名应该并列第一。

高压透平

∙高压透平的缸体是坚固耐用的，通常是用钢制造。

▪耐高温，达550度

▪单侧或者双侧进汽

▪耐高压，压力高达2400~3400psi（165~235Bar），高压是相对的，对于机组，高压缸为机组的最初蒸汽入口，压力肯定是最高的。

对于核电厂，压力可能小于70bar，而燃煤汽机的压力可达235bar，高压透平包括背压和凝汽机组，可能有多处中间抽汽。

▪缸体相比转子重

▪轴的振动可能不会传递到轴承上。

∙传递的功率高

∙一般用可倾瓦

∙高压透平可能是单缸的，但也可能是单轴或者多轴机组的一员。

高压透平相关的振动问题

∙间隙小，导致机器容易发生碰磨

∙摩擦会导致性能下降和热效率损失

∙机器安装技术要求高

∙重缸体轻转子使得轴振动监测最为关键

∙需要监测转子和缸体的膨胀

∙对主蒸汽和密封蒸汽的参数敏感

∙因为是刚性联轴节，可能受其它转子的交叉影响

∙因为热膨胀量大，对中要求高

中压透平特点

∙中压透平的缸体是坚固耐用的，通常是用钢制造。

o耐高温，经再热，可达550度

o单侧或者双侧进汽

o蒸汽压力较低，有时只有35bar

o缸体相比转子重

o轴振动可能不会传递到轴承箱上的瓦振探头。

∙一般用可倾瓦或椭圆瓦

 IP通常也叫做再热透平，或者2次再热透平，它通常和高压透平同缸，叫做HP/IP透平。

中压透平相关的振动问题

∙间隙小，导致机器容易发生碰磨

∙机器安装技术要求高

∙重缸体轻转子使得轴振动监测最为关键

∙需要监测转子和缸体的膨胀

∙对蒸汽和密封蒸汽敏感

∙因为是刚性联轴节，可能受其它转子的交叉影响

∙因为热膨胀量大，对中要求高

低压蒸汽透平的特点

∙从低压饱和蒸汽中提取能量

∙低压、低温运行

∙转子相对于缸体重

∙常用圆瓦和椭圆瓦

低压透平相关的振动问题

∙因为重转子的惯性，转子振动能够传递到缸体轴承，除轴振外，所以可用速度传感器测量瓦振

∙末几级叶片直径大，容易发生共振和腐蚀

∙对于真空下的排汽状态较敏感

∙多处抽汽

无论压力高低的透平共性故障

∙摩擦

▪密封、缸体安装不当

▪抽气管或者止回阀失效

▪管道应变

▪缸体变形或者高胀差（因蒸汽状态或过程量要求而变化）

∙不对中 – 静不对中或者动态不对中

冷态不对中和热态不对中

上图是一个有12mils的水平不对中的案例，圆瓦的额定间隙为30mils。

不平衡

∙叶片、叶轮或者配重块的飞脱

∙低压透平的末几级叶片的飞脱（直径大）

∙蒸汽水平不高导致叶片出现沉积物

∙联轴器的不当装配

∙转子弯曲

∙径向轴承

▪因为润滑油不合格，导致轴承磨损

▪过载失效

▪失稳，如油膜涡动和震荡

∙部分或者全弧段进汽

▪动态轴承刚度或者转子位置的改变导致振动改变

▪过载轴承损坏

▪失稳，如油膜涡动和震荡

▪部分进汽或者全弧段进汽不正确可能有因下列原因

o阀门开启顺序设置不当

o阀内部弹簧失效

o阀杆失效或者断裂

o蒸汽流道阻塞，或者蒸汽流的各向异性

所有上述故障都可能导致转子受到不期望、不利的径向力作用。

直观来说进汽问题主要表现在冲动级叶片的蒸汽入口的Curtis 叶轮上。

∙轴裂纹

▪轮盘配合不当，形成应力集中

▪交变热力作用

▪刚性联轴器的不对中，弯曲应力作用

▪扭振

▪焊缝质量问题