汽轮机气流激振故障的原因分析

鲍 丛

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

汽轮机气流激振故障的原因分析

鲍 丛

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

汽轮机发生气流激振故障的原因主要是有蒸汽涡动、调节级气流扰动、转子与气缸摩擦造成的强迫振动等，蒸汽涡动是造成汽轮机气流激振故障的主要原因。本文将分析汽轮机气流激振故障产生的原因，并研究蒸汽激振力出现的原理，最后提出气流激振的诊断和维修建议。

汽轮机 气流激振 故障 原因

1 气流激振产生

汽轮机发生气流激振，一般是汽轮机的转子和气缸在动叶顶部和气封处并不严密，导致该部分存在一些径向间隙。高压蒸汽一旦通过这些间隙，就会在轮机的转子和气缸在动叶顶部出现蒸汽泄露不均匀，或者因为气封的不规则性导致气封的进出口间隙不对等，出现间隙振力。当这部分间隙振力和作用在转子上的不对称蒸汽力带来的与转子偏心方向垂直的力，超过了转子轴承的油膜阻尼力时，就会导致转子在弯曲固有频率处受到较大的蒸汽涡动，进而引发气流激振。

随着气流激振的激振力的变化，振幅也会不断发生变化，因此我们可以根据振幅求出蒸汽激振力所做的功和阻尼力做的功。如果在不同的振幅条件下蒸汽激振力所做的功均比阻尼力做的功大，那么转子轴系就会因为气流激振而完全失去平衡，导致整个转子轴系的平衡失稳。

汽轮机组在进行工况参数调整时，可能会对机组造成微小的扰动，导致振动发生。这时，蒸汽激振力做功是要大于阻尼力做功的振幅，并会不断增大。但是，随着振幅达到一定程度，蒸汽激振力做功就会等于阻尼力做功，振幅就会稳定在该振幅，达到振幅平衡状态。因此，确定平衡振幅，对于预测汽轮机发生气流激振的可能性极为重要。

2 叶顶间隙激振力

如果汽轮机转子出现弯曲，就可能导致转子和气缸的几何中心不同位。在这种情况下，就会使得圆周方向上的间隙分布不均，转子相对气缸中心出现偏差，间隙一边大，一边小。间隙大的一边，蒸汽通过量会较大，使得漏气较多作用在动叶上的蒸汽少，力就较小，导致切向力F1变小；而漏气较少的一侧，作用在动叶上的蒸汽较多，切向力F2就会增大。因为F1和F2不一致时，不仅会产生扭矩使转子做功，同时还会产生一个不平衡切向力Q=F2-F1。这个不平衡的切向力的存在将会导致转子会被沿转动方向涡动，从而可能引发气流激振故障。

3 密封间隙激振力

迷宫式的气封设置在大功率汽轮机的轴端、隔板内径、动叶外径。一旦发生以下这几种情况，就可能导致产生密封间隙振力：汽轮机转子有几何方向偏移，会使得不同尺寸的间隙中的间隙压力不同，导致转子四周的静压力产生波动；汽轮机的进出气边齿间隙由不同的形状组成，这些不同的形状在转子进行转动时会出现漏气量不同的问题，导致两边齿的腔室压力出现不同；因为动叶片是三角形的，这就导致进入气封间隙的流体的方向无法确定，而这些方向无法确定方向的流体可能会存在预旋；转子进行转动时，会导致实际气流在气封间隙中的方向呈现螺旋状，使得圆周方向上的不对称合力与转子出现进动相位差。这些都可能导致汽轮机气流激振故障。

4 静态气流力出现的原因

决定汽轮机负荷的最重要原因就是进蒸汽流量，所以汽轮机会时常改变负荷。目前，汽机应用的方式有很多种，出现次数最多的应该为喷嘴配气。应用喷嘴配气的操作相对简单，首先将喷嘴分组，每个喷嘴后面都会有对应的调节阀，依次打开后分割调节阀后面的空间。受到气缸内温差的影响，先开启控制以下180°范围内的调节气阀，使蒸汽先进入下气缸，然后正式启动喷嘴调节模式开始工作。随着负荷的变动，可以按先后顺序依次打开调节阀。一级静叶控制汽机调节阀的打开程度受多个方面的控制，最突出的是流量及负荷。二者的改变将决定打开的程度及打开喷嘴数量，当两个因素有一个发生变化时，都会导致调节喷嘴的进气不相对称，这时产生的力为不对称的作用力，作用在汽轮机上。

当达到满圆周进气时，两边相对称角度的喷嘴组会产生相反的作用力。假如喷嘴组的截面面积相同，那么必然会产生相同作用力大小的气流。当两个气流交汇到一起的时候会产生推动轴旋转做功的扭矩，此时的切向力为零。只有喷气嘴内有蒸汽流动，才会产生相应大小的气流压力。假如设备故障或者喷嘴堵塞，就没有蒸汽流过喷嘴，将不会产生抵消总的气流力的力。轴瓦的稳定性是汽机轴承的比压决定的。当设备内转子被蒸汽抬起的时候，将会减小轴承的承受力，轴瓦的稳定性能也会随之降低。当然，气缸能否正常运转也决定了是否会出现气流窝动现象，比如，气缸几何中心的偏移问题，转子上力矩分布不均匀问题等，都会造成气流窝动现象的发生。

上述介绍了静态气流力出现的几种情况，不可忽视的还有汽机转子的几何中心是否发生偏移问题，如出现偏移现象，随之也会产生相应的作用力对轴造成破坏。静态偏移和动态偏移这两部分，组成了轴的几何中心偏移的主要内容。动态偏移会产生不规则的振动，会产生改变轴承承载能力的负荷。相反的，不产生振动的偏移为静态偏移。同样的，静态偏移产生的蒸汽流力也会导致轴承稳定性降低，从而间接地导致气流机振故障。转子在气缸内向左向右的水平偏移都会导致轴承的荷载变大。

5 结语

汽轮机与汽封内蒸汽耦合作用的结果是汽轮机因为气流激振导致振动，转子的振动并不能当做一个线性问题来看待。就目前国内技术水平而言，对转子振动的非线性过程并没有一个权威的解答。我们应该将气流耦合状态下受汽流激振的实际汽机轴系的非线性过程求解问题做为研究的重中之重。气流激振导致转子失稳是本行业的热门问题，目前为止还没有出现应对该问题的有效、实用、完整的方法及措施。这说明工程汽轮机轴系的稳定性是一个全新的问题，正等待着我们的探索、研究。同时，制定一个权威、高效的标准，也是刻不容缓的任务。

[1]史进渊.超超临界汽轮机汽流激振的研究[J].动力工程，2013，（5）：2620-2623.

[2]张学延，王延博，张卫军.超临界压力汽轮机蒸汽激振问题分析及对策[J].中国电力，2012，（12）：12-35.

Cause Analysis of Turbine Flow Excited Vibration

BAO Cong
(Haerbin steam turbine works Co., Ltd., Haerbin 150046)

The turbine flow excited vibration fault reason mainly has: forced vibrations of a steam turbine, governing stage airflow disturbance, caused by the friction between the rotor and cylinder, the steam whirl is caused on flow induced vibration fault of turbine flow induced vibration fault of turbine main reasons, this paper will analysis, and steam exciting force of the principle are studied, and finally, we put forward suggestions on flow induced vibration of diagnosis and maintenance.

steam turbine, flow induced vibration, fault, reason