汽轮机现场动平衡--振动特征分析

尽管旋转机械的振动问题往往是许多因素综合造成的结果，但各种类型的振动仍有其固有属性。除振动发生过程和振动特征上的表现有所不同外，通常振动频谱可以较完整地反映出振动的性质，分析者可根据测量的振动频谱分布来寻找振动的起因。然而，有时仅由频谱分析进行故障诊断仍不能收到很好的效果，因为一些故障类型产生的振动可能有相同或相似的频谱，这时候就需要通过振动的相位关系和其他一些相关因素来作进一步的分析。因此，振动频谱和相位关系是振动故障诊断工作中使用的基本工具。下面将列出一些典型故障的振动频谱特征和相位关系及振动特征。

3.1.1 质量不平衡

质量不平衡是旋转机械最常发生的故障。由于机械加工质量偏差，运行中联轴器、轴承相对位移的改变，盐等矿物质在转轴上不均匀的沉积，轴本身的腐蚀等因素的影响都可能使转子产生不平衡。转子不平衡往往导致临界转速下振动峰值显著增大。

质量不平衡往往反映出很大的1X振动。由跨内转子离心力本身引起的不平衡一般表现径向振动。纯静不平衡时支撑转子的两个轴承同一方向的振动相位相同，而纯力偶不平衡时支撑转子的两个轴承振动相位呈反相，即相位差为180度。但实际转子一般既存在一定的静不平衡，又存在一定的力偶不平衡（即存在动不平衡），此时支撑转子的两个轴承同一方向振动相位差在０～１８０度之间变化。

但是在外伸转子不平衡情况下可能会产生很大的轴向振动。在转子外伸端不平衡时，支撑转子的内跨两轴承的轴向振动相位相同。

一般在分析由转子不平衡离心力等引起的振动采用线性转子动力学理论，此时假设振幅相对于轴承间隙较小（通常10～15%的轴承间隙）。但在发生大不平衡时（如汽轮机末级叶片脱落），振动性质会发生，在一定的转速下振幅并不随不平衡力大小的增大而线性增加，而是往往产生非线性振动特性。呈现的振动频谱较为丰富，除基频分量外，可能还有大量的0.5X，1.5X，2X，2.5X等低、高频成分量。

如果大不平衡是发生在接近稳定性界限转速（失稳转速）附近运行的转子上，振动频率除基频外，主要表现在转子一阶临界转速频率的低频振动分量。

3.1.2不对中

不对中是旋转机械最为常见的故障之一。转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。转子不对中可以分为联轴器不对中和轴承不对中，其结果是在联轴器处产生附加弯矩。轴系产生不对中的原因通常是加工制造误差和安装误差及基础受热不均、基础下沉不均、机组各部件的热膨胀变形和扭曲变形等其他因素。

3.1.2.1 联轴器不对中

联轴器不对中有联轴器偏角不对中（端面瓢偏）、平行不对中（不同心）和平行偏角不对中三种情况。联轴器端面瓢偏表现为产生较大的轴向振动，且沿联轴器两端测量的振动相位反相，一般情况轴向振动以1X和2X分量为主，但有时也会有一些3X振动分量。联轴器不同心产生的振动现象和端面瓢偏时的相似，但其表现为较大的径向振动，且沿联轴器两端测量振动相位相反，此时2X振动分量常大于1X分量，其大小决定于联轴器类型和结构。当联轴器端面瓢偏或不同心较严重时，可能产生一些更高的振动谐波分量（4X~8X），而且这时联轴器结构会对振动频谱的特征产生重要影响。

实际旋转机械各转子联轴器处的不对中既有平行不对中又有偏角不对中，因此其引发的振动特点和频谱特征是上面两种情况的综合结果。

需要说明的是，当汽轮发电机组联轴器不对中情况较为轻微时，振动频谱仍基本上呈1X分量。

3.1.2.2 轴承不对中

轴承不对中包括偏角不对中和标高变化两种情况。目前多使用的自位轴承，因此轴承偏角不对中容易消除。但轴承位置标高的变化使轴承负荷重新分配，从而影响整个轴系的稳定性。

3.1.2.3 不对中引起的振动与负荷的关系

不对中故障振动对负荷变化较为敏感。对于联轴器不对中而言，当负荷变化时，由联轴器传递的扭矩立即发生变化，如果联轴器不对中，则转子的振动状态也立即发生变化。而对于轴承不对中而言，负荷变化后由于温度分布的变化，轴承座的热膨胀不均匀引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化，但由于热传导的惯性，振动的变化在时间上比负荷的改变要滞后一段时间。

3.1.3 轴弯曲

轴弯曲是指转子的中心线处于不直状态，弯曲问题通常是产生很大的轴向振动，如果弯曲位于转轴中央附近，支撑转子的两个轴承轴向振动主要呈1X分量，如果弯曲位于联轴器附近，则可能产生较大的2X振动分量。弯轴与质量不平衡引起的振动特性区别在于其不同的相位关系。弯轴引起的两轴承轴向振动相位相反，而外伸端质量不平衡引起的两轴承轴向振动相位同相。此外，轴弯曲时一般会在一阶临界转速下产生较大的径向振动。

3.1.4 转子热弯曲

热弯曲是指转子受热后（如加励磁电流或带有功负荷后）使转子产生附加的不平衡力（热不平衡）而导致转子发生弯曲的现象。热不平衡的机理是转子横截面而存在某种不对称因素（材料不对称、温度不对称、内摩擦力不对称等）可能产生弯矩，造成转子弯曲。

引起转子热弯曲的原因除转子锻件材料各向异性外，主要有转子受热不均（如发电机转子发生短路、汽轮机转子中心孔进油、联轴器连接紧力不足等）、转子受热不均（发电机氢冷或水冷通道堵塞、汽机转子局部水击等）和内摩擦效应（发电机转子线圈热膨胀受阻产生的轴向不对称力，即内摩擦力）。

转子热弯曲引起的振动主要以基频分量为主，一般其具有如下特点：（1）振动与转子的热状态有关，当机组冷态运行时（空载）振动较小，但随着负荷或励磁电流的增加，振动明显增大；（2）一旦振动增大后快速降负荷或励磁电流后振动并不立即减小，而是有一定的时间滞后；（3）机组快速解列停机惰走通过一阶临界转速时的振动较启动过程中的相应值增大很多；（4）转子发生热弯曲后惰走停机时在低转速下（200~400r/min）转轴晃度较大。

3.1.5 转子偏心

与质量不平衡一样，转子偏心率亦产生很大的1X振动分量，但是二者差异在于反映出的振动相位关系不同，质量不平衡时同一轴承垂直和水平方向振动相位一般相差90度，而转子偏心时（或偏心转子本身）的垂直和水平方向振动相位相差0度或180度（其表明直线运动）。若在转子偏心情况下进行转子平衡，其结果可能是降低一个方向的振动，但增大其他方向的振动。

3.1.6 机械松动

通常有三种类型的机械松动。第一种类型的松动是指机器的底座、台板和基础存在结构松动，或水泥灌浆不实以及机构或基础的变形，此类松动表现出振动频谱为1X分量。第二种类型的松动主要是由于机器底座固定螺栓的松动或轴承座出现裂纹引起。其振动频谱除包含1X分量外，还存在相当大的2X分量，有时还激发出1/2X和3X振动分量。第三种类型的松动是由于部件间不合适的配合引起的，由于松动部件对来自转子动态力的非线性响应，因而其产生许多振动谐波分量，如1X，2X，3X……nX，这时松动松动通常是轴承盖里轴承瓦枕的松动、过大的间隙、或者转轴上存在松动叶轮。这种松动的振动相位很不稳定，变化范围很大。

3.1.7 轴承座刚度不足

轴承座或汽缸刚度不足往往导致在较小的轴振动情况下产生较大的瓦振动。引起轴承座或汽缸刚度不足的主要原因是其本身结构刚性较差，轴承座与台板、基础之间的连接松动；二次灌浆不好；或基础、轴承座、与轴承连接的汽缸、发电机和励磁机静子或管道存在共振。

轴承座刚度不足引起的振动一般以1X分量为主，转子振动与轴承座振动之比小于或接近1（通常情况下转子振动与轴承座振动之比为2~4）。

在激振力大小一定的情况下，轴承座振动的大小与轴承座的动刚度成反比。当轴承座处于共振状态下时，其动刚度最小。汽轮发电机组轴承座除存在接近50Hz的固有频率外，也可能存在100Hz左右的固有频率（尤其是励磁机、发电机轴承）。在发生共振时，较小的激振力可产生较大的轴瓦振动。

3.1.8 转子碰磨

当旋转机械的旋转部件和固定部件接触时，就发生动静碰磨。转子碰摩时会产生类似于机械松动的频谱。转子碰摩可能是部分碰摩，也可能是整圈碰磨。碰磨一般会产生更多的次谐波振动分量。此外，转子碰磨可能产生一系列完整分数的谐波振动分量，这类频谱特别在转子部分碰磨情况下容易产生。转子碰磨可能也激起许多高频振动分量。碰磨的危害性很大，即使转轴和轴承乌金短时间碰磨也会造成严重后果。

汽轮发电机组转轴和静子发生径向部分碰磨时，振动频谱主要是基频成分，但也有2X，3X，4X等高次谐波分量，其中2X分量较大。摩擦时振动急剧增大，而且相位也会发生变化，相位变化是逆转动方向。碰磨后若转子发生热弯曲，则降速过转子临界转速时振动也急剧放大。当转子发生动静碰磨后，降转速或降负荷振动并不立即减小，反而有所增大，只有当转速或负荷降低到某一数值后，振动才缓慢减小，即振动变化存在一定的滞后。

3.1.9 转子不对称

转子系统相对于转子轴线结构刚度不对称时会造成每转一转过程中因自重受弯的挠曲变形情况，这样在振动频谱中就会出现稳定的2X分量，两极汽轮发电机转子就很可能出现这种情况。一般发电机转子本体开有大、小齿，使转子在两个互相垂直的轴线上刚度不等，横截面两轴线主惯性矩存在差别，转子将发生2倍频振动。只要存在主惯性矩差，即使转子质量处于平衡状态，这种振动仍存在，其振动大小与惯性矩之差和惯性矩之和的比值有关。大容量发电机一般在转子本体大齿上开有一定数量的横向月牙槽，以使两轴线截面主惯性矩相接近，或减小两轴线的挠度差。

两极发电机转子若以角速度ω旋转，其静挠曲线上下变动频率为2ω，当该频率与转子一阶临界转速一致时，转轴将产生共振，通常将这个转速称为转子副临界转速，即转子一阶临界转速的一半，如果转子两轴线截面主惯性矩存在较大差异，则在副临界转速时会出现一明显的振动峰值，其频率主要为2X分量。

转子横向有了裂纹，也是一种刚度不对称，所以可用长期监控2X振动分量变化的方法来监控裂纹的出现与发展。

3.1.10 滑动轴承

3.1.10.1磨损/间隙问题

套筒轴承轻微的磨损通常表现为1/2X或1/3X成分的次谐波振动分量。但在磨损的后期阶段，振动频谱呈现为较大的1X分量，并伴随有一些2X和3X分量，有时还会出现少量更高的谐波分量。

3.1.10.2油膜涡动不稳定

油膜涡动是普通润滑轴承发生次同步不稳定振动问题的主要原因。油膜涡动是油膜力激发的振动，此时正常运行条件的改变（如倾角和偏心率）引起油楔推动转轴在轴承中运动，因而在旋转方向产生的不稳定力使转子发生涡动（或正进动）。如果系统内存在不稳定振动。油膜不稳定涡动一般是由于过大的轴承磨损或间隙，不合适的轴承设计，润滑油参数的改变等因素引起的。根据振动频谱很容易识别油膜涡动不稳定，其出现时的振动频率为同步振动频率的10%~18%，接近转速频率的一半，也常称为油膜半速涡动。

3.1.10.3油膜振荡不稳定

当机器出现油膜涡动不稳定，而且油膜涡动频率等于系统的固有频率时就会发生油膜振荡。油膜振荡只有在机器运行转速大于二倍转子临界转速情况下才可能发生。当转速升至二倍临界转速时，涡动频率非常接近转子临界转速产生共振而引起很大的振动以致油膜失去支撑作用，通常一旦发生油膜振荡，无论转速继续升至多少，涡动频率将总保持为转子临界转速频率。

3.1.11 高压转子的不稳定振动

由于轴承在设计上存在不稳定因素，或由于整个系统的阻尼不足以抑制蒸汽流经汽封间隙所产生的扰动力，汽轮发电机组就有可能发生次同步共振。即蒸汽振荡。

蒸汽激振产生的原因通常有两个。一是由于调节阀开启顺序的原因，高压蒸汽产生了一个向上抬起转子的力，从而减少了轴承比压，易使轴承失稳。二是由于叶顶径向间隙不均匀，产生切向分力，以及端部轴封因径向间隙的不同而产生的压力涡动，使转子产生自激振动。蒸汽激振一般发生在大功率汽轮机的高压转子上，当发生蒸汽激振时，振动的主要特点是振动敏感于负荷，且振动的频率与转子第一临界转速频率相符合。但在绝大多数情况下（蒸汽激振不太严重）振动频率以半频分量为主。

在发生蒸汽振荡时，有时改变轴承设计是没有用的，只有改进汽封通流部分的设计或调整安装间隙才能解决问题。

3.1.12 拍振

拍振是振动频率相近的两种振动的叠加。因其固有的低频特性，拍振频率在一般正常的频率测量范围很难测出，但如果将频谱细化，则可以明显观察到两个频率非常接近的频谱峰值，这两个频率差就是拍振的频率。

拍振发生后的最大振动出现在两种频率的振动波形同相时，而最小振动则出现在两种频率的振动波形反相时。拍振发生时能感觉到时起时伏的冲击噪声。

拍振一般发生在两个或两个以上的振动源振动频率相互接近时，如安装在同一个基础上且运行转速几乎相同的两台转机上，也经常发生在存在电气问题的电动机中。