旋转机械振动与平衡

杜秉谦,旋转机械振动与平衡,前言,汽轮发电机组的振动是关系到发电厂安全经济运行的技术热点之一，特别在新机组试运或机组检修后第一次起动时，振动问题也是影响机组能否成功启动的关键。近三十年以来，国内外曾经发生过多起由于振动大而导致汽轮发电机组轴承断裂恶性事故，造成了巨大的经济损失和不良影响。因此，设法减少旋转机械的不良振动是工程上非常重要的研究课题。 由于机组产生异常振动的原因是多方面的，情况复杂，涉及到设计制造、安装、检修和运行各个方面，所以，无论是检修人员还是运行人员具备这方面的基本知识都是十分必要的。,振动的危害,汽轮发电机组发生过大振动的危害，主要表现在对设备和人身两方面。对设备的危害主要表现在以下方面：,1、动静部分发生摩擦。由于机组单机容量的增大和效率要求的提高，汽轮机通流部分的间隙，特别是径向间隙一般都比较小，在较大的振动下，极易造成动静部分摩擦，由此不但直接造成动静部件的损坏，而且当汽封间隙大后，增大了转子轴向推力，引起推力瓦温度升高，甚至会发生推力瓦损坏事故。如果摩擦直接发生在转軕处，将会造成转子的热弯曲，使轴和轴承振动进一步增大，形成恶性循环，由此常常引起转轴的永久弯曲。,振动的危害,2、加速某些部件的磨损和产生偏磨。因振动而产生不均匀磨损的部件，主要有轴颈，蜗母轮、活动式联轴节，发电机转子滑坏、励磁机的整流子等等。对静止部件来说，主要是加速滑销系统的磨损。发电机滑环和励磁机整流子椭园度过大，将使电刷冒火。滑销系统磨损后，会使机组膨胀失常。 3、动静部件的疲劳损坏。由于振动，使某些部件产生过大的动应力，因而导致疲劳损坏，并且由此造成事故进一步的扩大。这种疲劳损坏虽然要有一个时间过程，但是随着部件上应力的增大，时间过程可以大为缩短。所以有些机组尽管只是在起停过程中发生了几次大振动，但也能使某一部件发生疲劳损坏。在现场，由于振动而使另件发生疲劳损坏的，以轴瓦乌金破碎较多。当破碎的乌金块落入油隙时，会把轴瓦乌金辗坏或引起整个轴瓦的烧毁。,振动的危害,4、某些紧固件的断裂和松脱。过大振动使轴承座地脚螺栓断裂和某些另件发生松动而脱落，失去原有的功能，从而使机组发生事故。过大振动使紧固件发生松动的另一种形式是基础二次灌浆松裂，使轴承座动刚度降低，使轴承振动进一步增大。这种现象在现场较为常见，有时还会引起基础和周围建筑物产生裂纹。 5、机组经济性降低。汽轮机汽封间隙的大小，与汽轮机热经济性有密切关系。而汽封间隙能否保持较小数值，很大程度上决定于机组的振动状况。过大振动会使汽封间隙磨大，使机组热经济性降低。,振动的危害,6、直接或间接造成设备事故。当汽轮机发生过大振动时，危急保安器或机组的其它保护仪表的正常工作将直接受到影响，严重时会引起这些部件的误动作，直接造成事故停机。 发电机定子铁芯和端部线圈振动过大，会使铁芯过热损坏，使绕组与绕组间或绕组对地短路。 对于水冷发电机转子，振动过大会引起引水管断裂，冷却水泄漏事故。,振动的危害,振动对人身的危害也很严重。过大的机械振动和噪音，对运行人员的生理将产生不利的影响。在0100HZ范围内，过大的振动大多数情况下将引起工作人员显著的疲劳感觉，降低工作效率，从而降低了预防、判断和处理事故的能力。 从振动造成的主要危害出发，不仅额定转速下的过大振动会产生这些危害，而且在起动和停机过程中所发生的过大振动，也有着类似的危害。在机组起动中，当临界转速下的振动很大时，采用加速的方法冲临界转速，固然可以使轴承振动得不到发散。但在停机的过程中，就难以避免在临界转速下发生过大的振动。因此，对于临界转速下振动较大的机组，从改善转子平衡状态着手来消除振动应当是更合理的技术措施。而冲临界转速的做法则是电力法规明令禁止的。,振动的允许值,一振动的基本概念和专业术语 简谐振动是最基本的振动形式，复杂振动都可以视为多个简谐振动的合成。 所谓简谐振动，凡符合正弦或余弦规律的振动，称为简谐振动，其数学表达式为：,振动的允许值,在工程上，还常用单位时间内的振动次数，即频率，用f表示，国际单位为赫兹Hz。f=1/T/2。在振动专业使用的术语中，把与 转速频率相同的频率称为基频，二倍转速频率称二倍频（或简称倍频），依次类推。 图11给出了简谐振动的波形，图上标出了各参数的物理意义。振幅、频率（或周期）和相位这三个参数直接决定了系统的运动状态。故常将这三个参数称为振动三要素。,图11简谐振动,振动的允许值,将振动位移对时间求一次和二次导数，可以求得振动速度V和加速度a。为了简单起见，令0，即yAsin，则,由上式可知，当振动点的位移是简谐振动时，则其速度和加速度同样也是简谐振动，并且三者的周期完全相同，相位依次相差/2；振幅分别为A，A和A2。 对于振动度量通常有峰值、平均值和有效值三种度量方法。现场使用的测振仪输出的振动位移一般是指峰峰值（即双振幅）。 对于一个纯正的简谐振动波形，平均值为 有效值为,当简谐振动的表达式为y=xm sin时，则振动的峰值（单振幅）、平均值和在效值的关系为：,振动的允许值,振动速度的有效值也称振动烈度。图1-2表示出了三者之间的关系。,图1-2,振动标准,运行中的汽轮发电机组，在任何情况下都会有振动，而振动过大又会造成极大的危害，所以运行中的机组振动必须保持在一定的范围内，这个范围就是振动的标准。我国原水电部1980年颁布的汽轮发电机组振动标准见表1-1。,表11汽轮发电机组轴承振动标准（双振幅）,振动标准,轴承振动评定标准以轴承座的垂直、水平和轴向三个方面振动中最大者为评定依据。振动测点的布置如图1-3所示，即垂直振动应在轴承顶盖上方，正中位置垂直地测量，水平和轴向振动应在轴承上盖水平结合面上方沿轴向位置，水平地和轴向地测量。为了便于比较，各轴承座上的测点位置应当固定，测量部位应作出标记。,图1-3轴承座振动测点位置,振动标准,随着测量技术的进步，已具备了转轴振动作为评定尺度的条件，我国参照国际标准化组织的ISO7919-2制订了陆地安装大型汽轮发电机组“转轴径向振动测量与评定”标准。转轴的相对振动（转轴相对于轴承）和绝对振动（转轴相对于地面）振动位移峰峰值的推荐数值见表1-2和表1-3。,表1-2转轴相对位移推荐值（）,振动标准,表1-3转轴绝对位移推荐值（）,表中区域A：新投产机组的振动应在此区域内； 区域B：在此区域内为合格，可以长期运行； 区域C：在此区域内的机组，对长期连续运行而言认为是不合格的，一般来说，在采取措施之前，可以有限的运行一段时间。,振动标准,1986年我国机械工业部发布了汽轮机组的机械振动标准，对发电用的汽轮机组中汽轮机部份的机械振动选定振动烈度作为描述机组振动状态的品质参数，表1-4给出了汽轮机振动烈度的评定等级。,表1-4JB4057-85振动标准,振动标准,振动标准,根据上式可以相互换算。对于50Hz的振动位移与振动烈度的对应值如表1-5所示。,表1-5振动位移与振动烈度对应值,振动标准,在我国JB4057-85标准中，还给出了以轴相对(轴相对于轴承)振动位移最大峰峰值的评定准则，在准则I（按额定功率、转速下稳定工况的振动值极限评定）中规定轴的相对振动位移峰峰值分为四个品质段，各品质段的意义同前。品质段间的极限值分别为Sp-pmaxA、Sp-p maxB、Sp-pmatC表示（见图1-4）对于功率大于60MW，转速为1500、3000r/min的发电用汽轮机组，各极限值按下列各式计算：,振动标准,在准则（按正常稳定工况的振动值变化极限评定）中，振动变化极限值应不大于Sp-pmaxA的75%（不论是增加还是减少）。 轴振动位移最大峰峰值的测量应在邻近轴承的径向平面内进行，每个测量平面内安装一对探头，彼此互相垂直（905） 一般与水平面各成45的倾斜角，并且各探头的轴线偏离旋转轴的径向线5（见图1-5）。以两个方向上测得的位移峰峰值中较大者为评定依据。 国家电力公司于2000年9月28日发布的防止电力生产重大事故的二十五项重点要求（国电发2000589号文）对汽轮发电机组振动提出了具体的反事故措施，规定发生下列情况之一应立即打闸停机：,振动标准,机组在启动过程中，在中速暖机之前，轴承振动超过0.03mm； 通过临界转速时，轴承振动超过0.10mm或相对轴振超过0.26mm，应立即打闸停机，严禁强行通过临界转速或降速暖机； 机组运行中要求轴承振动不超过0.03mm或相对轴振不超过0.08mm，超过时应设法消除。当相对轴振大于0.26mm应立即打闸停机： 当轴承振动变化0.015mm或相对轴振变化0.05mm，应查明原因设法消除，当轴承振动突然增加0.05mm时，应立即打闸停机。,振动标准,Thank You !,