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            不平衡類案例:某廠尾氣壓縮機組汽輪機轉子不平衡故障分析

            1、設備概述

            該機組由汽輪機驅動,壓縮機分為低壓缸、中壓缸、高壓缸。汽輪機型號:NKS 32/28/16,額定轉數:12011r/min,轉速調整范圍:9008-12612r/min,跳閘轉速:13873r/min,額定輸出軸功率:4537kw,進汽壓力:3.75MPa,進汽溫度:405℃,排汽壓力:-0.084MPa。汽輪機振動報警門限為50μm,振動聯鎖門限為75μm。

            圖1 機組總貌圖

            2、故障現象

            機組運行過程中,汽輪機進汽側兩通道幅值接近35μm,排汽側幅值在50μm左右,振動幅值較高,偶爾會觸發振動報警。與汽輪機相連的壓縮機高壓缸及中壓缸振動幅值均不高,幅值分別保持在10μm和25μm以下。

            圖2 汽輪機進汽側振動趨勢圖

            圖3 汽輪機排汽側振動趨勢圖

            3、故障分析及結論

            機組在啟機過程中,低速暖機時振動幅值在20μm以下,隨轉速提升四個通道振動呈同步上漲趨勢,達到額定運行轉速后振動幅值最高就接近50μm左右,后續運行時振動無上漲趨勢。但四個通道幅值隨轉速調整又明顯的同步關系,轉速在11000r/min~11450r/min調整時,汽輪機四個通道的振動幅值隨之同步變化,從分頻趨勢上看,幅值變化主要以1X為主。

            圖4 汽輪機啟機過程振動趨勢圖

            圖5 汽輪機振值隨轉速變化趨勢圖

            查看汽輪機兩端的波形頻譜圖,波形圖均接近正弦波形態,波峰和波谷處有少許毛刺,總體重復性良好,波峰和波谷幅值相近,說明轉子所受的激振力穩定。頻譜圖中,頻率成分主要以1X為主,其它頻率成分均較低,該汽輪機組振動的異常頻率成分為1倍頻。

            圖6 汽輪機進汽側波形頻譜圖

            圖7 汽輪機排汽側波形頻譜圖

            兩端的軸心軌跡圖形態不規則,渦動范圍較大,通過對比在運行過程中軸心軌跡形態基本無變化,在振值隨轉速變化上漲及降低時,僅渦動范圍有所改變,渦動方向始終為正進動,未改變。

            圖8 汽輪機兩端軸心軌跡圖

            診斷結論:

            綜合上述振動表現現象及圖譜特征,分析該機組汽輪機轉子存在明顯的動不平衡方面的故障。

            轉子不平衡故障是機組最常見的故障之一,其在振動圖譜上的特征為:

            1. 振動信號的原始波形為正弦波形態;
            2. 振動信號的頻譜圖中,能量主要集中在1X上,其它倍頻成分幅值較??;
            3. 當機組轉速穩定時,振動幅值及1X相位也比較平穩;當轉速改變時,振動幅值隨轉速調整會有同步變化,從分頻趨勢上看主要為1X幅值的變化所致;轉子不平衡類故障對轉速比較敏感。
            4. 轉子的軸心軌跡為橢圓形(或近似橢圓形)態,渦動范圍一般較大,渦動方向始終為同步正進動。

            4、故障驗證

            2020年8月份,用戶停機檢修。對該汽輪機轉子返廠校高速動平衡后,汽輪機四個通道振動幅值均降低至25μm以下,且趨勢平穩。

            圖9 檢修后汽輪機振動趨勢圖

            該汽輪機轉子在以往檢修時曾做過低速動平衡,但在檢修后重新運行時仍表現出明顯的不平衡特征。其實,大型旋轉機械設備,其轉子大多使用的是撓性轉子,在高速旋轉過程中轉子會存在撓曲變形,改變轉子圓周方向的質量分布,故針對撓性機組轉子存在平衡類故障時,建議要對轉子校高速動平衡處理。

            圖10 剛性轉子&撓性轉子動平衡機理

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