淺論汽輪發電機組的振動與平衡
摘要：通過對汽輪機轉子的橫向振動、汽輪發電機組的軸系扭振、振源、振動試驗及分析、振動的測量與標準、常見的振動原因及消除對策、剛性轉子平衡、撓性轉子平衡、軸系平衡等九方面進行分析，認為汽輪發電機組產生振動的多數情況是由于質量不平衡引起的。解決質量不平衡是減輕機組振動、保證機組軸系平衡和**經濟運行的*有效途徑
關鍵詞：汽輪發電機組 振動 平衡
1、前言
汽輪發電機組的振動，是評價機組運行可靠性的重要指標。強烈的振動表明機組內存在著各種缺陷，這樣，在振動力的作用下，就會使機組內各部件連接松動，基礎臺板和基礎之間的連接剛性削弱，從而加劇振動的發展。過大的振動使機組動靜部分磨擦，軸瓦烏金破裂甚至會使轉子產生變形、彎曲、斷裂，葉片損壞，危急保安器誤動作，造成機組被迫停運檢修。
2、分析
下面就汽輪機轉子的橫向振動、汽輪發電機組的軸系扭振、振源、振動試驗及分析、振動的測量與標準、常見的機組振動原因及消除對策、剛性轉子平衡、撓性轉子平衡、軸系平衡等九方面對汽發電機組的振動與平衡加以論述。
2.1汽輪機轉子的橫向振動
汽輪機轉子振動可能是橫向（垂直轉子軸線方向）、軸向或扭轉振動，也可能是以上幾種情況的組合。一般情況下，轉子振動以橫向為主。由于轉子不平衡離心力常常是橫向的，且轉子橫向抗彎剛度較小，因此，轉子容易發生橫向彎曲振動。
2.2、汽輪發電機組的軸系扭振
汽輪發電機組的軸系扭振是電力系統故障和運行方式變化引起的。如三相不平衡、短路、非同期并網等都可能引起發電機氣隙扭矩變化，形成電氣諧振。若諧振頻率與汽輪發電機組軸系扭振頻率合拍或起耦合作用，就會引起軸系扭振。所以說扭振起因在電氣系統，而反映卻在汽輪發電機軸系上。
2.3汽輪發電組的振源
很多發電機在熱態時振動較大，其原因有的是由于轉子在橫截面受了不均勻的加熱或冷卻，導致轉子產生了熱變形。產生不均勻加熱或冷卻的原因一般有下列三種：
汽輪發電組的振源主要有以下七個方面：
2.3.1機械性的干擾力，具體體現在如下四點：
A、轉子質量不平衡，它是機組振動的主要原因。
B、熱不平衡
很多發電機在熱態時振動較大，其原因有的是由于轉子在橫截面受了不均勻的加熱或冷卻，導致轉子產生了熱變形。產生不均勻加熱或冷卻的原因一般有下列三種
a.激磁繞組的匝間短路；
b.發電機轉子由于平衡孔的鼓風損失引起的局部加熱；
c.通風孔阻塞。
C、聯軸器的影響
剛性聯軸器的缺陷一般有兩種，一種是聯軸器端面不垂直于軸中心線，即所謂瓢偏，另一種是聯軸器孔中心不位于聯軸器的中心。當使用具有上述缺陷的聯軸器聯接轉子時，將產生靜變形。靜變形在旋轉時將產生旋轉的強迫振動，并且在轉子旋轉時由于此靜變形還要產生動撓度。
D、轉子找中心的影響
2.3.2電磁干擾力
具體體現在以下三點：
A、轉子匝間短路
B、靜子鐵芯的振動
C、空氣間隙的不均勻性
2.3.3振動系統的剛性不足與共振
系統靜剛度不足的產生原因除了設計上的原因外，還有軸承座與臺板，軸承座與汽缸、臺板與基礎之間的連接不夠牢固等。由系統剛度不足產生的振動同由質量不平衡產生的振動是類似的。
當由系統靜剛度不足產生共振時，一般共振發生在剛度不足的方向上。
.3.4轉子兩個相互垂直方向的剛度差引起的倍頻振動
倍頻振動的頻率雙倍于轉子的旋轉頻率，振動隨轉子截面兩個方向的剛度差別增大而增大。由于轉子截面兩個方向的剛度差引起的振動與不平衡質量無關。因此，減小的**辦法就是減少轉子截面兩個方向的剛度差別。
2.3.5 軸承座的軸向振動
引起軸承座的軸向振動的原因通常有以下兩個方面：
A、軸頸承力中心位置沿軸向周期性的變化
轉子旋轉時在質量不平衡力作用下轉子產生彎曲，軸頸在軸瓦內的油膜承力中心位置將隨著轉子的旋轉在軸向作用周期性的變化。
B、軸頸承力中心線與軸承座幾何中心線不相重合
作用于軸承座幾何中心線方向上的周期變化力將促使軸承座產生垂直振動，而周期變化的力矩則使軸承座作周期性的軸向振動。
2.3.6 油膜自激低頻振蕩
油膜自激低頻振的特點是當轉速超過發電機轉子一階臨界轉速二倍以上時，軸承振動迅速上升，并且其振動頻率始終等于轉子的**臨界轉速，與實際的轉子轉速無關。
油膜振蕩產生后的振動并不能借助轉子繼續升速而得到解決，相反卻會隨著轉速的繼續增加而上升。
2.3.7由蒸汽力引起的間隙自激低頻振動
蒸汽自激低頻振動與油膜自激低頻振蕩同是一個轉子系統的低頻穩定性問題，僅是其自激振源有所不同而已。
蒸汽自激振動不僅與負荷有關，尚與轉子的轉速有關，轉速愈高穩定性愈差。削除蒸汽力間隙振動的措施一般有：
A、減小激振力，即改善轉子和汽缸隔板套的同心位置；
B、增加阻尼，例如減小軸承間隙，增加潤滑油粘度等。
2.4 振動試驗及分析
2.4.1資料收集和振動振動原因的初步分析
汽輪發電機組在實際運行中振動的原因是多樣的。為了分析、研究和消除汽輪發電機組的異常振動，除了對振動情況加以監視和測量，它們隨運行條件而變化的規律外，還應對機組的構造、安裝和檢修、運行情況等進行了解。主要從下列五方面進行：
A、振動異常的歷史、現狀和振動情況（振幅、頻率、相位和波形）；
B、機組運行時的汽缸膨脹、轉子膨脹、油溫和油壓、汽機各段壓力、發電機風溫或其它和運行有關的某些參數是否有異常情況；
C、機組的結構、各轉子的臨界速度、制造廠進行的平衡方法和平衡結果；
D、機組安裝時的技術數據；
E、近期的檢修情況，其中特別注意機組運行以來的重大事故及其處理情況，機組找中心記錄，目前各轉子軸頸揚度以及和安裝時數據的比較、滑銷系統有無變動等等。
2.4.2振動試驗的分析
試驗的目的是要找出振動的規律，看它和哪些運行參數有關，如轉速、負荷、蒸汽溫度、勵磁電流、真空、溫度等等。振動試驗主要有如下：
A、轉速試驗
B、負荷試驗
C、真空實驗
D、軸承油膜試驗
E、外特性試驗
F、勵磁電流試驗
2.5 振動的測量與振動標準
機組的振動狀況，應在額定轉速下通過測量任何運行工況時軸承座的振動幅值來加以評定。軸承座的振動以垂直、水平和軸向這三個方向中的*大值來衡量。
在進行振動測量時，**次測量的位置都應力求相同，否則就要產生誤差。
現代汽輪發電機組通常都采用柔性軸，機組在起動和停機時，都要越過臨界轉速。一般在臨界轉速時軸承的雙倍振幅值不應0.05mm軸的振動不應超過0.15mm
2.6 常見的機組振動原因和消除對策
2.6.1 轉子質量不平衡及轉子彎曲引起的振動
針對轉子質量不平衡，一般只需對轉子找好平衡就可解決；而對轉子彎曲，一般不用動平衡的方法來解決，而需采取措施消除彎曲。例如：針對彈性熱彎曲，可通過重新起動或降低轉速，延長暖機時間，待轉子溫度均勻后即可消除熱彎曲，從而消除振動。
2.6.2由于中心不正引起的振動
對此，要保證找中心的質量、汽缸和蒸汽管道熱膨脹不受阻以及蒸汽管道熱膨脹補償足夠等方可消除振動。
2.6.3低頻振動
對此，可通過增加軸瓦比壓、減小軸頸與軸與軸瓦接觸角、增大軸瓦兩側的間隙、減小軸瓦頂部間隙、降低潤滑油動力粘度等方法消除振動。
2.6.4軸承的軸向振動
對此要保證軸彎曲不超標、軸瓦受力中心跟軸承座幾何中心重合、軸承座穩固。
2.6.5電磁方向原因引起的振動
對此要切實保證磁對稱，避免出現大量的匝間短路，減低定子鐵芯的振動，使發電機轉子同定子間空氣間隙均勻。
2.7剛性轉子平衡
剛性轉子可以認為軸承振動和轉子振動是一致的，剛性轉子的平衡要**希望能達到軸承振動等于零。因此，剛性轉子的平衡問題，就歸結為選擇一定的加重平面和平衡重量，使其產生的離心力跟不平衡質量產生的離心力所組成的力系的合力及合力矩都等于零。
2.7.1剛性轉子的動平衡特點有如下三點：
A、對于轉子，不論其上不平衡質量分布如何，都可以在任意兩個垂直于軸線的平面內加上平衡重量而使轉子得到平衡。
B、轉子的質量不平衡可以分解為靜不平衡和動不平衡，因此，只要在轉子上加對稱重量消除靜不平衡，再加反對稱重量消除動不平衡，整個轉子就可以獲得平衡。
C、剛性轉子的平衡同轉速無關，在某一轉速下加重得到平衡后，在另一轉速下也將是平衡的。
2.7.2剛性轉子找平衡的方法有如下六種：
A、試加質量同移法
采用該方法，一般是兩側分開進行，先平衡好一端再平衡好另一端。該方法準確度較高，但起動次數較多。
B、二點法
該方法就是在轉子上某一點處試加重量P，起動后測得振幅為A1，然后轉過一個角度α，用同一個P加上后再次起動測得振幅起為A2。從兩次振幅的大小和原始振幅大小平判定不平衡量的大小和位置。
C、三點法
該方法就是將試加質量P放在3個不同圓周點上（通常是循序相差120度）來進行平衡，它是三次兩點法的綜合，由于 起動次數嗇了一次結果更為可靠。
D、相對向外法
該方法利用相對相位角變化來找平衡，起動次數相對較少，平衡高。
E、向量分析法
該方法根據機組各軸承上原始振動情況，在各個 可能選定的平衡面上度加質量，在**分析各個軸承振動變化的情況，然后選擇部分平衡面施加平衡質量，使各個軸承的振動逐漸降到所要求的范圍內。主要著重于向量分析，是一種漸進法，其使用方便靈活，效果也良好，計算程序簡便，但是起動次數較多。
F、影響系數法
該方法是一種運算方便，物理意義明確的平衡方法，便于使用計算機進行計算，適用于多平面平衡。
2.8 撓性轉子平衡
撓性轉子的動平衡不僅要消除工作轉速下的軸承動反力，而且還要消除或減小轉子在整個轉速范圍內的軸承動反力，同時還必須使轉子的動撓曲度減小到*低程度。 撓性轉子平衡的方法主要有以下三種：
2.8.1振型分理法
該方法利用臨界轉速將各階不平衡分量分別平衡。
2.8.2振型協分量法
該方法是在工作轉速下分解對稱和反對稱不平衡量進行平衡。
2.8.3振型影響系數法
2.9 軸系平衡
軸系平衡是指汽輪發電機組各轉子連接成一個軸系后的平衡。其要求在消除由于不同外伸端條件和支撐條件引起的振型變化造成的不平衡。應用它還可以部分地解決由于聯軸器加工安裝誤差以及帶負荷引起的熱不平衡所引起的振動。
2.9.1軸系平衡的特點有如下六點
A、加重平面數和軸向位置受限制；
B、支撐轉子的兩個軸承動特性差別甚大；
C、各轉子振動相互傳遞；
D、熱和其它運行條件對轉子平衡可能產生較大影響；
E、機組啟停次數嚴重受限制；
F、平衡含意延伸，包括以下三層含意：
I、減少不平衡振動；
II、機組各軸瓦三個方向振動的拉平；
III、空負荷和帶負荷下振動的拉平；
2.9.2軸系平衡的方法主要有以下三種：
A、該方法是在軸系平衡中有較大的實用價值，但不可能使軸系各測點振動者達到滿意；
B、一次加準法 該方法*大優點是軸系平衡所需機組起停次數降低到*低限度，其平衡效果主要由以下三個因素決定：
I、不平衡軸向位置及其不平衡形式的正確判斷；
II、加重大小和方向的正確判斷; III、軸系不平衡復雜程度。
C、綜合平衡法
該方法是一種通用的軸系平衡法，其考慮了軸系中任何轉子上加重對軸系中各測點的振動都產生影響，把軸系當作整體考慮。
3、結論
通過對汽輪發電機組的振動與平衡深入細致的分析，可以看出機組產生振動的情況是十分復雜的，引起振動的原因也是多種多樣的，但質量不平衡是引起振動的*主要的原因，這就要求我們將后沿著努力尋求解決質量不平衡這一問題的方向去發展，*終實現減輕機組振動、保證機組軸系平衡使機組**經濟運行。
