王辉

（晋煤金石化工投资有限公司，河北石家庄050000）

小型背压式汽轮机径向轴承振动故障分析

王辉

（晋煤金石化工投资有限公司，河北石家庄050000）

HG25/16/8型背压式汽轮机，排汽侧轴承振动无规律、频繁、大幅度波动，机组运行不稳定。

背压式汽轮机；径向轴承；振动故障

0 引言

背压式汽轮机是指排汽压力高于大气压力的汽轮机，蒸汽在其内部做完功后从高压蒸汽变为中、低压蒸汽，供其他有需要的系统继续使用。背压式汽轮机具有结构简单，经济性好的特点，但对背压蒸汽管网稳定性有一定要求，所以常用在小功率机组上面。与凝汽式汽轮机不同，由于背压式汽轮机没有庞大的凝汽器与排缸相连，所以其体积与质量都相对较小，这样便很容易受外力影响导致其汽缸产生相对位移，进而引发一系列振动故障。以HG25/16/8型背压式汽机的振动故障为例，分析汽机径向振动过高的原因，通过对进汽管道改造和消除汽机内部汽流激振的方法，使机组恢复正常运行。

1 检修前运行情况

故障机为杭汽生产的HG25/16/8型背压式汽轮机，进汽压力8.65 MPa，排汽压力3.92 MPa，正常功率2650 kW，正常转速12 000 r/min，已连续运行一年半左右。被驱动压缩机为重庆通用公司所生产的KLDAJS-C型氨压缩机，和汽机之间采用挠性叠片式联轴器连接。机组轴系布置图见图1。

汽机主要故障表现为排汽侧轴承振动点VT63063与VT63064无规律、频繁、大幅度波动，机组运行十分不稳定。由振动趋势图可以看到机组正常运行时，汽机进汽侧轴承振动均在10 μm以下，排汽侧轴承振动在20 μm左右；当振动开始波动时，排汽侧振动幅度非常大，经常达到报警（40 μm）及跳车（63 μm）值，5 d时间内联锁停车近10次。该机组振动趋势图见图2。

2 主要问题

（1）通过现场观察发现，热态时汽机前后猫爪垫片全部顶死，不能自由活动，而在冷态时各垫片是可以自由活动的，这说明机组在热态时出现顶缸现象。由于该汽机体积较小，质量较轻，管道温度上升后受热应力产生膨胀变形，将汽缸向上抬起，使猫爪垫片间隙消失，汽缸不能自由向下膨胀，进而改变汽缸的空间位置。而此时因轴承座位置没有变化，所以转子空间位置是不变的，这样汽缸与转子在热态下相对空间位置就会产生变化，破坏机组在冷态下转子定位所得到的动、静间隙，在运行期间，转子下部与汽缸就会产生摩擦、碰撞，使机组振动升高。

图1 机组轴系布置图

图2 振动趋势图

（2）现场还发现该汽机排汽侧轴封位置漏汽量较大，且左右两侧漏汽量不均匀，既排汽侧轴封出现偏磨现象。这说明汽缸位置不但有垂直方向的变化，同时还有水平方向的变化，使排汽侧轴封一侧与转子接触产生磨损，造成漏汽量不均匀。

（3）从工艺条件来看，该汽机振动的波动与转速及负荷变化无关，呈无规律态势。又通过S8000远程监测系统对其频谱进行分析，发现该振动峰值主要成分为工频振动。对比其轴心轨迹形状，正常运行与轴振波动时相比变化较大，并伴有多次反进动，同时相位变化较大。以上现象比较符合由动静摩擦引起振动的情况，同时可以排除转子不平衡，油膜振荡，联轴器不对中等情况。轴心轨迹对比见图3。

图3 轴心轨迹对比图

（4）汽轮机长期在顶缸状态下运行，势必引起内部汽封不均匀磨损，这时由于蒸汽在不同间隙位置处的泄漏量不均匀，使得作用在叶轮沿圆周向的切向力不相等，就会产生一定作用于叶轮中心的横向力，也称为间隙激振力，此力会促使转子产生自激振动。另外，对于带有围带的动叶汽封，蒸汽通过汽封的不均匀流动会形成不对称的压力分布，还会产生一附加的流体激振力。当外部条件（如蒸汽温度、压力）产生变化时，进汽流量相应随之变化，同时会改变通过汽封的蒸汽量，打破之前的压力分布，使转子发生自激振动，引起振动升高。

综上所述，分析该汽机振动大幅波动的原因是由于汽机在顶缸状态下长时间运行，转子与汽缸相对位置不正确，内部汽封局部磨损严重。由图2可见，振值在突然升高前有一段小幅度爬升现象，此时应为蒸汽工艺条件发生变化时诱发转子产生自激振动，进而又使转子运行姿态失稳发生紊乱，产生动静部件严重摩擦，使振动大幅波动触发联锁跳车。

3 故障汽机拆检情况

该故障机在公司大检修期间进行了拆解大修，发现其前、后汽封均出现一定程度磨损（图4），平衡活塞外圆留有严重摩擦痕迹（图5、图6），调节级叶顶密封卷边（图7），平衡活塞密封齿局部磨损严重等现象。而磨损大部分发生在汽机下部，充分证明其磨损是由于汽缸位置向上抬起的顶缸现象引起。

图4 汽封磨损情况

图5 平衡活塞外圆下部磨出的沟槽

图6 平衡活塞上部的碰擦痕迹

4 检修方案及实施

（1）消除顶缸现象。经分析，确定产生顶缸原因为主蒸汽管线受热膨胀产生的热应力将汽缸抬起。现场观察后发现，主蒸汽管线弹簧支架位置不合理，致使管道应力不能被弹簧吸收而产生向上的作用力；管线布置形式不合理，速关阀双路进汽端布置为F形，导致进汽量不均匀，容易使缸体发生水平方向位移。与设计院进行沟通后，出变更方案，将原管线的速关阀双路进汽端改为T形布置，并消除管道应力。具体变更见图8。

图7 调节级叶顶密封卷边

图8 冰机蒸汽主管线改造前后图

（2）消除汽机内部激振力。由于内部汽封磨损导致转子与汽封间隙改变，因此汽机内部存在汽流激振现象。消除方法是更换磨损汽封、轴封，转子返厂更换平衡活塞汽封齿并做高速动平衡（图9）。

（3）更换前后径向轴承。由于检修前该故障机因生产需要，进行了频繁的开停车操作，因此对其前后径向轴承造成一定磨损。检修后，为使机组可以更稳定地长周期运行，更换了故障机前后径向轴承。

5 检修后运行情况

故障机在检修回装后，汽封漏汽现象得到消除，前后猫爪垫片在机组完全热膨胀后还有一定量间隙。单体及联动试车正常，加负荷后连续运行3个月振动平稳（图10）。

图9 转子平衡活塞密封全部更换

图10 故障机检修后的振动趋势图

6 结束语

小型背压式汽机的固有特点导致其受影响因素较多，所以在安装及运行过程中会因为很多原因导致其振动问题。当机组运行过程中出现振动过高的现象时，要根据现场实际情况和各种工艺参数进行初步判断，再通过各种频谱图查找其故障特征，最后进行综合分析找到引发振动问题的根源及实质，并通过检修予以消除。

〔编辑 利文〕

TH17

B

10.16621/j.cnki.issn.1001-0599.2017.02.43