汽轮机运行及振动故障诊断教材

1目录一、概述1、汽轮机的分类及应用2、汽轮机的作用原理3、汽轮机的结构分析4、汽轮机的材料选用二、汽轮机的运行1、启动和停机2、汽轮机的变工况运行三、汽轮机振动故障诊断1、强迫振动及自激振动的概念2、工业汽轮机振动的验收标准3、质量不平衡引起的振动4、半速涡动及油膜振荡5、摩擦及碰撞引起的振动6、叶片强度及叶片振动2一、概述1、汽轮机的分类及应用汽轮机的分类方法主要有以下几种：（1）按工作原理可分为：冲动式汽轮机——蒸汽主要在喷嘴（或静叶栅）中进行膨胀；反动式汽轮机——蒸汽在喷嘴（或静叶栅）和动叶栅中都进行膨胀；（2）按热力性能可分为：背压式汽轮机——排汽压力大于大气压力，排气供其他热用户使用；凝汽式汽轮机——排汽在低于大气压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水；抽汽式汽轮机——利用抽汽供其他热用户使用的汽轮机，包括一次抽汽式和二次抽汽式；（3）按气流方向主要可分为：轴流式汽轮机——在汽轮机内，蒸汽基本上沿轴向流动；径向式汽轮机——蒸汽基本上沿径向流动；（4）按用途可分为：电站汽轮机——即电站中拖动发电机的汽轮机；工业汽轮机——工厂企业中的固定式汽轮机，包括自备电站的发电用汽轮机；各类汽轮机的特点及应用，主要介绍如下：（1）冲动式与反动式冲动式汽轮机的主要特点是级数少，一般为2~3级，结构简单，轴向尺寸小，径向尺寸大，我国发电站主要采用此类机型；反动式汽轮机的主要特点是级数多，一般在7级以上，结构复杂，轴向尺寸较长，与冲动式汽轮机相比较，由于在静叶和动叶中均膨胀做功，故效率比冲动式高6%~8%，故在石油化工企业中得到广泛应用。随着制造技术和制造能力的发展，反动式汽轮机也逐渐在热电厂中得到推广应用。（2）背压式与凝汽式背压式汽轮机与凝汽式汽轮机的应用，主要是从企业的热力平衡着眼，结合最大效益进行选择的结果。背压式汽轮机较凝汽式汽轮机结构简单，配置最少，主要是在背压供其他热源时选用。而凝汽式汽轮机能最大的吸收新蒸汽的能量（焓降），因此得到最大范围的应用。（3）近年来，随着制造装配和材料升级的进度，汽轮机仍在向大功率、高参数方向发展，3以追求较低的单位功率重量比（kgf/kw）、单位功率长度比（m/104kw）和热耗比（kJ/kw.h）。比如在新蒸汽压力上有高压6~10MPa、超高压12~14MPa、亚临界16~18MPa、超临界＞22.6MPa等。新蒸汽初温亦应用到535℃~565℃不等。2、汽轮机的作用原理图1-1表示汽轮机的某一级，它由静叶片和动叶片所组成。静叶片安装在机壳隔板体上，动叶片安装在转子轮盘上。图1-1透平示意图1-静叶片2-动叶片3-隔板4-叶轮5-轴如图1-1所示，静叶片前截面用0-0表示，静叶片和动叶片之间的截面用1-1表示，而动叶片后截面用2-2表示。这三个截面上的气流参数分别注以下标0、1和2。在静叶流道内，气体自压力P0膨胀到P1，温度自t0下降到t1，气流速度相应地由C0升至C1。在静叶流道内，气流自进口至出口完成了由热能向动能的转换。在通常情况下，动叶片流道内的气流，一方面将其在静叶片内所获得的动能转换为动叶片上的机械能，另方面继续膨胀，对动叶产生一个反作用力（称为反动力）。在上述二力的合力作用下，动叶片绕轴转动，产生机械功。动叶片以转速n（转/分）绕透平轴旋转，用1U表示动叶进口平均直径d1处的圆周速度，其模等于6011ndU，其方向为动叶运动的圆周方向。速度1C是气流在静叶出口的速度。4它是一个固定不动的观察者所看到的气流进入动叶流道中的速度。由于动叶片以圆周速度1U作圆周运动，所以，在动叶进口处，对与动叶片一起作旋转运动的观察者而言，他所看到的动叶进口的气流速度不是速度1C，而是相对速度1W，它等于111UCW,即111UWC式中：1C——动叶进口气流的绝对速度，m/s1W——动叶进口气流的相对速度，m/s1U——动叶进口的牵连速度，m/s由此三个速度组成的速度三角形表示在图1-1中。此速度三角形叫做动叶进口速度三角形。气体在动叶流道内继续膨胀到压力P2，温度相应下降到t2。同理，在动叶出口平均直径处的圆周速度（即牵连速度）为2U，其模为：3022ndU。动叶片出口气流的绝对速度2C，按下式求得：222UWC由速度2C、2W和2U组成的三角形叫动叶出口速度三角形。如果将进口和出口速度三角形绘制在一起，如图1-2所示。图1-2级速度三角形以上为气体在透平级内的流动过程，而气体在级内的热力膨胀过程（即膨胀做功过程）通常用焓熵图（i—s图）表示，如图1-3所示。5图1-3焓熵图（i—s图）0*表示气流在静叶片前的滞止状态（所谓滞止状态是假定在绝热过程中将气流速度滞止为零的状态，即气体无热和机械交换汽流速度为零）。P*0、t*0分别表示该状态下的压力和温度。如果用0h代表静叶前的气流动能，则有2200Ch。如果气体在静叶片流道内自压力P0至压力P1的膨胀过程是绝热等熵的（无能量损失），则该过程在i—s图上用线1O表示,相应的焓降用h1s表示。但实际上，气体在静叶片内的膨胀过程是有损失的，因此，在绝热的条件下，气体在膨胀过程中熵将增加（既有能量损失）。此时静叶片出口的气体状态用1表示。实际膨胀过程用线1O表示。静叶中的有6效焓降用h1u表示，等熵焓降h1s与实际焓降h1u之差表示静叶片中的能量损失，用1h表示，即ushhh111图1-3中静叶片出口的实际状态点1即为动叶片进口气体的实际状态。如果在动叶片流道内，流动时绝热且无能量损失，则气体从压力P1膨胀到级后压力P2用等熵线21表示。与此相对应的气体焓降用h2s表示，实际上流动时有能量损失，即在动叶流道内气体的实际膨胀过程是增熵的。状态点2表示动叶片后气体的实际状态点，过程线12表示动叶流道内气体的实际膨胀过程，对应的有效焓降用h2表示。焓降差222hhhs。气流离开动叶流道时仍具有一定的速度2C，这个速度对应的动能在该机内已不能转换为机械功而损失掉了，故称为余速损失，并用2hc表示，即这样，在动叶片上转换为机械功的有用焓为222110*cssuhhhhhhh通常用*sh表示整个级的等熵焓降，即ssshhhh210*当动叶片内的能量损失较小时，焓降sh2和sh2相差极小，可以近似地认为ssshhhh210*于是，整个级内的有效焓降可表示为221**csuhhhhh如果用u表示级的轮周效率（即级的内效率），则有**suuhh式中*uh表示级的实际有效焓降，即实际功，*sh表示级的理想焓降即理想功。衡量气体压力在动叶片内膨胀程度的参数叫反动度，它的定义是ssshhh2*12我们所说的反动式汽轮机的反动度通常5.0，冲动式汽轮机亦有一定的反动度，一般08.0~05.0。3、汽轮机的结构分析汽轮机基本结构主要由汽缸、静叶栅、转子、动叶栅以及主汽门、调节阀、轴承座和滑销系统等组成，其中最关键的部件是汽缸、转子与动叶片。2222Chc7（1）、汽缸中小功率汽轮机通常只有一个汽缸。根据进汽参数的高低，决定转子用整锻或套装。汽缸与进汽室（喷嘴室）分开或作成一体。对于大功率汽轮机通常由高压缸、中压缸和低压缸组成。对于高压缸，因蒸汽压力和温度很高，其突出矛盾是热应力和热膨胀。为减少汽缸热应力和保证法兰的密封，除采用双层汽缸布置外，对通流部分还需考虑不同的布置型式—顺流或返流等。对于中间再热的中压缸，进汽温度高，而汽缸因缸壁薄、直径大、抽汽口多、轴向尺寸长，因而在结构设计时应考虑刚性问题。为适应工艺需要，有时将汽缸分成前后两段，并要确保垂直法兰处的密封，并有利用抽汽口的布置。对于低压缸，蒸汽压力和温度较低，较多的级处于湿蒸汽工作，排汽端有较高真空，结构上主要特点是体积庞大，除保证有足够刚度外，还要合理选择同凝汽器的连接方式，采取有效地防蚀、去湿措施。图1-4和1-5分别为汽轮机通流部分的主要布置型式和低压缸同凝汽器的连接方式：图1-4通流部分布置型式8图1-5低压缸同凝汽器的连接方式9汽轮机汽缸的支撑和热膨胀、滑销系统的布置和热膨胀的引导作用，汽缸座架的膨胀、内缸与外缸的相对热膨胀以及转子对汽缸的相对膨胀等问题，是汽轮机启动和运行中必须关注的焦点，由于篇幅所限，在此就不进行展开讨论。（2）转子汽轮机的转子，根据蒸汽参数的不同，可选择套装、整锻和焊接三种不同型式。⑴套装转子的结构特点是轮盘（叶轮）过盈装配与轴上，用轴向键或径向销传递扭矩。其优点是零件可分散加工、制造工艺简单，锻件质量易保证等；其缺点是轮孔应力较大，转子刚性差，快速起动的适应性差，配合面可靠性差等。故通常用于中低压缸汽轮机中，转子工作温度不宜大于400℃。套装转子如图1-6所示。10⑵整锻转子的结构特点是整体锻压而成。其优点是结构紧凑、装配零件少，转子刚性好、起动性好等。其缺点是锻件大，材料不能充分利用、制造周期长等。该种转子使用范围广，一般用于高温、高转速等工作条件。整锻转子如图1-7：⑶焊接转子的结构特点是由若干实心轮盘拼焊而成。其优点是轮盘无中心通孔，应力小，转子刚性好、锻件小、质量易保证、材料利用率较高。其缺点是焊接工艺较复杂、制造周期较长等。该种转子多用于大容量汽轮机的低压段。焊接转子如图1-8所示：11（3）动叶片动叶片的结构由叶型、叶根和连接件组成。⑴叶型（工作部分）气流通过型线部分构成的流道完成能量转换。有的动叶片截面型线沿高度不变称为直叶片，有的则沿高度扭转变化称为扭叶片。⑵叶根把叶片固定在转子上的装配部分。叶根型式的选取主要取决于强度、加工条件和转子型式。常见的叶根见图1-9，有T型、外包T型、叉型、双T型、枞树型等。⑶连接件包括围带和拉筋及铆接件等。用连接件把几只或整圈叶片连接成叶片组，可以调整叶12片的自振频率和减少叶片所受的动应力，不连接成组的叶片称为自由叶片。围带可以减少叶顶漏气，它的结构如图1-10所示接筋有实心、空心圆形和两半圆形等几种，拉筋与叶片的连接型式如图1-11所示；铆钉头的结构型式如图1-12所示4、汽轮机材料选用（1）汽缸材料的选用对于汽轮机材料的选用，API612没有具体的规定，对于汽缸等承压件，如果新蒸汽参数超过1.7MPa或230℃，应为钢质材料，如果排汽压力超过0.52MPa或空负荷时排汽温度超过230℃，那么背压式汽轮机排汽缸应为钢质材料。当最高蒸汽温度超过410℃时，应使用合金钢。（2）转子及叶片材料API612规定，除非另有认可，叶轮和主轴应为锻钢材料；喷嘴、叶片锁块、动叶和静叶、围带等应为含11~13%铬钢或镍铜合金等。表1-1、表1-2、表1-3为相关资料推荐的13材料表，在选定汽轮机时可资参考。表1-1汽缸、隔板、阀壳材料材料牌号HT30-54ZG25ZG20CrMoZG20CrMoVZG15Cr1Mo1V工作温度≤250℃≤360℃≤500℃≤540℃≤570℃表1-2转子和叶轮材料材料牌号34CrMo35CrMoV34CrNi3Mo17CrMo1V27Cr2Mo1V20Cr3MWV工作温度＜480℃＜500℃＜400℃＜520℃＜535℃＜550℃部件名称叶轮、转子叶轮高强度叶轮焊接转子转子转子表1-3叶片材料材料牌号1Cr132Cr1327Cr11MoVCr11MoVCr12WMoV工作温度＜450℃＜450℃＜530℃＜530℃＜570℃工作条件一般级拉应力较高区过热区级高温区级高温、拉应力大、低压级注：以上部分非必选内容二、汽轮机的运行汽轮机的运行为大家所熟知，故在此只对汽轮机的变工况运行进行讨论：1、新蒸汽流量变化当新蒸汽流量变化而温度和压力不变时（即T01=T0；X01=X0），汽轮机各级间压力分配和焓降分配会有一些变化。对不同结构的机组，变化也不同。对于蒸汽流速达到或超过临界流速的级，在T01=T0；X1=X0的前提下，蒸汽参数与流量之间的关系为：、01001GGPP式中：P0、G0、T0、X0——原来级前的压力、流量、绝对温度、干度；P01、