浅论汽轮发电机组的振动与平衡
摘要：通过对汽轮机转子的横向振动、汽轮发电机组的轴系扭振、振源、振动试验及分析、振动的测量与标准、常见的振动原因及消除对策、刚性转子平衡、挠性转子平衡、轴系平衡等九方面进行分析，认为汽轮发电机组产生振动的多数情况是由于质量不平衡引起的。解决质量不平衡是减轻机组振动、保证机组轴系平衡和安全经济运行的最有效途径
关键词：汽轮发电机组振动平衡
1、前言
汽轮发电机组的振动，是评价机组运行可靠性的重要指标。强烈的振动表明机组内存在着各种缺陷，这样，在振动力的作用下，就会使机组内各部件连接松动，基础台板和基础之间的连接刚性削弱，从而加剧振动的发展。过大的振动使机组动静部分磨擦，轴瓦乌金破裂甚至会使转子产生变形、弯曲、断裂，叶片损坏，危急保安器误动作，造成机组被迫停运检修。
2、分析
下面就汽轮机转子的横向振动、汽轮发电机组的轴系扭振、振源、振动试验及分析、振动的测量与标准、常见的机组振动原因及消除对策、刚性转子平衡、挠性转子平衡、轴系平衡等九方面对汽发电机组的振动与平衡加以论述。
2.1汽轮机转子的横向振动
汽轮机转子振动可能是横向(垂直转子轴线方向)、轴向或扭转振动，也可能是以上几种情况的组合。一般情况下，转子振动以横向为主。由于转子不平衡离心力常常是横向的，且转子横向抗弯刚度较小，因此，转子容易发生横向弯曲振动。
2.2、汽轮发电机组的轴系扭振
汽轮发电机组的轴系扭振是电力系统故障和运行方式变化引起的。如三相不平衡、短路、非同期并网等都可能引起发电机气隙扭矩变化，形成电气谐振。若谐振频率与汽轮发电机组轴系扭振频率合拍或起耦合作用，就会引起轴系扭振。所以说扭振起因在电气系统，而反映却在汽轮发电机轴系上。
2.3汽轮发电组的振源
很多发电机在热态时振动较大，其原因有的是由于转子在横截面受了不均匀的加热或冷却，导致转子产生了热变形。产生不均匀加热或冷却的原因一般有下列三种：
汽轮发电组的振源主要有以下七个方面：
2.3.1机械性的干扰力，具体体现在如下四点：
A、转子质量不平衡，它是机组振动的主要原因。
B、热不平衡
很多发电机在热态时振动较大，其原因有的是由于转子在横截面受了不均匀的加热或冷却，导致转子产生了热变形。产生不均匀加热或冷却的原因一般有下列三种
a.激磁绕组的匝间短路;
b.发电机转子由于平衡孔的鼓风损失引起的局部加热;
c.通风孔阻塞。
C、联轴器的影响
刚性联轴器的缺陷一般有两种，一种是联轴器端面不垂直于轴中心线，即所谓瓢偏，另一种是联轴器孔中心不位于联轴器的中心。当使用具有上述缺陷的联轴器联接转子时，将产生静变形。静变形在旋转时将产生旋转的强迫振动，并且在转子旋转时由于此静变形还要产生动挠度。
D、转子找中心的影响
2.3.2电磁干扰力
具体体现在以下三点：
A、转子匝间短路
B、静子铁芯的振动
C、空气间隙的不均匀性
2.3.3振动系统的刚性不足与共振
系统静刚度不足的产生原因除了设计上的原因外，还有轴承座与台板，轴承座与汽缸、台板与基础之间的连接不够牢固等。由系统刚度不足产生的振动同由质量不平衡产生的振动是类似的。
当由系统静刚度不足产生共振时，一般共振发生在刚度不足的方向上。
.3.4转子两个相互垂直方向的刚度差引起的倍频振动
倍频振动的频率双倍于转子的旋转频率，振动随转子截面两个方向的刚度差别增大而增大。由于转子截面两个方向的刚度差引起的振动与不平衡质量无关。因此，减小的唯一办法就是减少转子截面两个方向的刚度差别。
2.3.5轴承座的轴向振动
引起轴承座的轴向振动的原因通常有以下两个方面：
A、轴颈承力中心位置沿轴向周期性的变化
转子旋转时在质量不平衡力作用下转子产生弯曲，轴颈在轴瓦内的油膜承力中心位置将随着转子的旋转在轴向作用周期性的变化。
B、轴颈承力中心线与轴承座几何中心线不相重合
作用于轴承座几何中心线方向上的周期变化力将促使轴承座产生垂直振动，而周期变化的力矩则使轴承座作周期性的轴向振动。
2.3.6油膜自激低频振荡
油膜自激低频振的特点是当转速超过发电机转子一阶临界转速二倍以上时，轴承振动迅速上升，并且其振动频率始终等于转子的第一临界转速，与实际的转子转速无关。
油膜振荡产生后的振动并不能借助转子继续升速而得到解决，相反却会随着转速的继续增加而上升。
2.3.7由蒸汽力引起的间隙自激低频振动
蒸汽自激低频振动与油膜自激低频振荡同是一个转子系统的低频稳定性问题，仅是其自激振源有所不同而已。
蒸汽自激振动不仅与负荷有关，尚与转子的转速有关，转速愈高稳定性愈差。削除蒸汽力间隙振动的措施一般有：
A、减小激振力，即改善转子和汽缸隔板套的同心位置;
B、增加阻尼，例如减小轴承间隙，增加润滑油粘度等。
2.4振动试验及分析
2.4.1资料收集和振动振动原因的初步分析
汽轮发电机组在实际运行中振动的原因是多样的。为了分析、研究和消除汽轮发电机组的异常振动，除了对振动情况加以监视和测量，它们随运行条件而变化的规律外，还应对机组的构造、安装和检修、运行情况等进行了解。主要从下列五方面进行：
A、振动异常的历史、现状和振动情况(振幅、频率、相位和波形);
B、机组运行时的汽缸膨胀、转子膨胀、油温和油压、汽机各段压力、发电机风温或其它和运行有关的某些参数是否有异常情况;
C、机组的结构、各转子的临界速度、制造厂进行的平衡方法和平衡结果;
D、机组安装时的技术数据;
E、近期的检修情况，其中特别注意机组运行以来的重大事故及其处理情况，机组找中心记录，目前各转子轴颈扬度以及和安装时数据的比较、滑销系统有无变动等等。
2.4.2振动试验的分析
试验的目的是要找出振动的规律，看它和哪些运行参数有关，如转速、负荷、蒸汽温度、励磁电流、真空、温度等等。振动试验主要有如下：
A、转速试验
B、负荷试验
C、真空实验
D、轴承油膜试验
E、外特性试验
F、励磁电流试验
2.5振动的测量与振动标准
机组的振动状况，应在额定转速下通过测量任何运行工况时轴承座的振动幅值来加以评定。轴承座的振动以垂直、水平和轴向这三个方向中的最大值来衡量。
在进行振动测量时，第一次测量的位置都应力求相同，否则就要产生误差。
现代汽轮发电机组通常都采用柔性轴，机组在起动和停机时，都要越过临界转速。一般在临界转速时轴承的双倍振幅值不应0.05mm轴的振动不应超过0.15mm
2.6常见的机组振动原因和消除对策
2.6.1转子质量不平衡及转子弯曲引起的振动
针对转子质量不平衡，一般只需对转子找好平衡就可解决;而对转子弯曲，一般不用动平衡的方法来解决，而需采取措施消除弯曲。例如：针对弹性热弯曲，可通过重新起动或降低转速，延长暖机时间，待转子温度均匀后即可消除热弯曲，从而消除振动。
2.6.2由于中心不正引起的振动
对此，要保证找中心的质量、汽缸和蒸汽管道热膨胀不受阻以及蒸汽管道热膨胀补偿足够等方可消除振动。
2.6.3低频振动
对此，可通过增加轴瓦比压、减小轴颈与轴与轴瓦接触角、增大轴瓦两侧的间隙、减小轴瓦顶部间隙、降低润滑油动力粘度等方法消除振动。
2.6.4轴承的轴向振动
对此要保证轴弯曲不超标、轴瓦受力中心跟轴承座几何中心重合、轴承座稳固。
2.6.5电磁方向原因引起的振动
对此要切实保证磁对称，避免出现大量的匝间短路，减低定子铁芯的振动，使发电机转子同定子间空气间隙均匀。
2.7刚性转子平衡
刚性转子可以认为轴承振动和转子振动是一致的，刚性转子的平衡要求是希望能达到轴承振动等于零。因此，刚性转子的平衡问题，就归结为选择一定的加重平面和平衡重量，使其产生的离心力跟不平衡质量产生的离心力所组成的力系的合力及合力矩都等于零。
2.7.1刚性转子的动平衡特点有如下三点：
A、对于转子，不论其上不平衡质量分布如何，都可以在任意两个垂直于轴线的平面内加上平衡重量而使转子得到平衡。
B、转子的质量不平衡可以分解为静不平衡和动不平衡，因此，只要在转子上加对称重量消除静不平衡，再加反对称重量消除动不平衡，整个转子就可以获得平衡。
C、刚性转子的平衡同转速无关，在某一转速下加重得到平衡后，在另一转速下也将是平衡的。
2.7.2刚性转子找平衡的方法有如下六种：
A、试加质量同移法
采用该方法，一般是两侧分开进行，先平衡好一端再平衡好另一端。该方法准确度较高，但起动次数较多。
B、二点法
该方法就是在转子上某一点处试加重量P，起动后测得振幅为A1，然后转过一个角度α，用同一个P加上后再次起动测得振幅起为A2。从两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、三点法
该方法就是将试加质量P放在3个不同圆周点上(通常是循序相差120度)来进行平衡，它是三次两点法的综合，由于起动次数啬了一次结果更为可靠。
D、相对向外法
该方法利用相对相位角变化来找平衡，起动次数相对较少，平衡高。
E、向量分析法
该方法根据机组各轴承上原始振动情况，在各个可能选定的平衡面上度加质量，在全面分析各个轴承振动变化的情况，然后选择部分平衡面施加平衡质量，使各个轴承的振动逐渐降到所要求的范围内。主要着重于向量分析，是一种渐进法，其使用方便灵活，效果也良好，计算程序简便，但是起动次数较多。
F、影响系数法
该方法是一种运算方便，物理意义明确的平衡方法，便于使用计算机进行计算，适用于多平面平衡。
2.8挠性转子平衡
挠性转子的动平衡不仅要消除工作转速下的轴承动反力，而且还要消除或减小转子在整个转速范围内的轴承动反力，同时还必须使转子的动挠曲度减小到最低程度。挠性转子平衡的方法主要有以下三种：
2.8.1振型分理法
该方法利用临界转速将各阶不平衡分量分别平衡。
2.8.2振型协分量法
该方法是在工作转速下分解对称和反对称不平衡量进行平衡。
2.8.3振型影响系数法
2.9轴系平衡
轴系平衡是指汽轮发电机组各转子连接成一个轴系后的平衡。其要求在消除由于不同外伸端条件和支撑条件引起的振型变化造成的不平衡。应用它还可以部分地解决由于联轴器加工安装误差以及带负荷引起的热不平衡所引起的振动。
2.9.1轴系平衡的特点有如下六点
A、加重平面数和轴向位置受限制;
B、支撑转子的两个轴承动特性差别甚大;
C、各转子振动相互传递;
D、热和其它运行条件对转子平衡可能产生较大影响;
E、机组启停次数严重受限制;
F、平衡含意延伸，包括以下三层含意：
I、减少不平衡振动;
II、机组各轴瓦三个方向振动的拉平;
III、空负荷和带负荷下振动的拉平;
2.9.2轴系平衡的方法主要有以下三种：
A、该方法是在轴系平衡中有较大的实用价值，但不可能使轴系各测点振动者达到满意;
B、一次加准法该方法最大优点是轴系平衡所需机组起停次数降低到最低限度，其平衡效果主要由以下三个因素决定：
I、不平衡轴向位置及其不平衡形式的正确判断;
II、加重大小和方向的正确判断;III、轴系不平衡复杂程度。
C、综合平衡法
该方法是一种通用的轴系平衡法，其考虑了轴系中任何转子上加重对轴系中各测点的振动都产生影响，把轴系当作整体考虑。
3、结论
通过对汽轮发电机组的振动与平衡深入细致的分析，可以看出机组产生振动的情况是十分复杂的，引起振动的原因也是多种多样的，但质量不平衡是引起振动的最主要的原因，这就要求我们将后沿着努力寻求解决质量不平衡这一问题的方向去发展，最终实现减轻机组振动、保证机组轴系平衡使机组安全经济运行。