轴振即转轴的径向振动,目前汽轮机组的轴振普遍采用涡流探头来测得。其探头中的线圈有高频电流通过时,产生高频电磁场并使得被测转子轴颈表面产生感应电流,并转化成电压表示出来。而这个电压随轴表面与传感器之间距离改变而变化,如此即实现了对转轴振动的测量 。
轴振一般用位移值表示,单位为微米。如果涡流传感器固定在轴瓦上,测取的是转轴与轴承之间的相对振动;如果传感器固定在基础上,则测取的振动近似认为是转轴的绝对振动。
瓦振即轴承座振动,也称轴承振动。一般由接触式的速度或加速度传感器获得,一般直接固定在轴承盖上或通过磁座吸附其上,故有时也称壳振、盖振。瓦振的测量以垂直方向为主,水平方向次之,轴向振动作为参考。
汽机或发电机转子由轴承支撑,转轴的振动必然会传递给轴承,所以两者存在一定的联系,包括幅值、相位、频率等。
1、两者的幅值大小关系。轴振与瓦振间的幅值比例关系与轴承座的刚度有很大关系,通常情况下,如果轴承座位刚性支撑(如一般落地式轴承),认为轴振的幅值约为瓦振的3~6倍。如果支撑刚度偏弱,该比值会相应减小,甚至会出现瓦振大于轴振的情况(如东汽60瓦机组低压转子座缸式轴承座)。
2、相位关系。瓦振一般为速度值,其相位超前轴振的位移值90°,即将速度值变换为位移值时,其相位角需要增加90°。如果振动是由不平衡引起,不平衡质量的相位与轴振的相位存在固定关系,同时它与瓦振的相位也有类似关系,正是因为有这样的关系,使得现场通过瓦振进行动平衡成为可能。
3、频率关系。两者有着几乎一致的频率成份,差别在于将速度值积分成位移值时,会损失掉部分高频分量,所以在对滚动轴承、风机轮毂、泵体叶轮等结构复杂的机械振动测量时,习惯用振动的速度值来进行故障分析,因为其能提供更为丰富的频谱信息。
国内汽轮发电机组的振动多采用相对轴振,其反映的是转子相对于支撑或缸体的振动,转子的轴振大,表示转子在旋转一周时,离开平衡距离的位移大。瓦振是绝对振动,反映轴承座等相对于基础的振动。在现代的汽轮机振动检测中,轴振与瓦振都是必要。
如果一个转子的相对轴振很小而瓦振很大,意味着站在固连于缸体的运动座标上看,转轴相对于支撑系统的位移变化很小,两者相对接触可以避免;但转子本身的动应力和轴承支承受到的动应力还取决于缸体本身的振动量值;缸体和支承振动大,转子和构件承受的动应力必定高,所以轴振与瓦振任一超标都是不可接受的。
一、轴振小,瓦振小。这说明机组振动正常。转子上激振力较小,支撑系统刚度正常。
二、轴振大、瓦振大。这说明振动确实大。振动的增大可能是由激振力增大或支撑刚度减弱引起的。消除这类振动理论上可以从减小激振力和提高支撑动刚度着手。实际处理时,受现场条件、工期等多方面因素的限制大幅度提高支撑系统刚度有一定难度,大都首先从减小转子上的激振力角度着手。
三、轴振大、瓦振小。排除虚假振动现象后,表明支撑系统动刚度正常,故障是由转子上激振力过大所引起,解决这类故障应首先从减小转子上的激振力着手。
造成轴振产生虚假信号的原因主要有下面两个因素:
1、电气偏差
电气偏差系非接触式电涡流传感器系统输出信号误差的来源之一,转轴每转一圈,该偏差就重复一次。传感器输出信号的变化并不是来自探头所测间隙的改变(动态运动或位置的变化),而通常是来自于转轴表面材料电导率的变化或转轴表面上某些位置局部磁场的存在。比如汽轮发电机组转轴接地磁化就会产生这种现象,据相关资料介绍,如果用小的别针放在转子上,如果别针能别吸住,高度怀疑转子磁化,另外也可以对转轴进行剩磁测量,一般汽轮发电机组允许剩磁20高斯/平方厘米以下为合格。
2、机械偏差
机械偏差也是电涡流传感器系统输出信号误差的来源之一。传感器所测间隙的变化,并不是由转轴中心线位置变化或转轴动态运动所引起的,通常来源于转轴的椭圆度、损坏、键标记、凹陷、划痕、锈斑或由转轴上的其它结构所引起的。
电气偏差和机械偏差的总和,在轴振动标准中规定,其数值不能超过相当于许用振动位移的25%或6μm 这两者中的较大值。通常涡流传感器在低转速(约工作转速的10%左右)下测得的轴的振值基本就相当于转轴的晃度值。上述讲的是测量面环节,除此之外和还有测量环境、静电、仪表回路相关的干扰或者仪器失真等等有关。
(4)轴振小、瓦振大。出现这情况后,需要首先判断机组采用刚性还是柔性支撑。如果是刚性支撑,则应检查支撑系统连接情况,如轴承紧力、瓦隙、瓦枕垫块接触等(具体请参考汽轮机轴承座外特性试验一文)。对于座落在排气缸上的轴承,还需检查台板与汽缸以及台板与轴承座之间的接触情况。对于发电机端盖轴承,还需检查发电机底部定子载荷分配情况等。这些方面出现缺陷后,有可能造成连接刚度和支撑系统自振频率的降低,导致机组振动变大,如果是柔性支撑,则可以从提高支撑动刚度和激振力两个角度入手。很多情况下,减小激振力的效果还是很不错的。
一、瓦振相关介绍
瓦振即轴承座振动,也称轴承振动。
一般由接触式的速度或加速度传感器获得,一般直接固定在轴承盖上或通过磁座吸附其上,故有时也称壳振、盖振。汽轮机瓦振的测量基本都是垂直方向安装,在新百万等级机组中也有安装在45°方向的,但水平和轴向方向安装的非常少,水平和轴向上的振动可以作为振动故障诊断的辅助,以提高振动故障诊断准确率。
瓦振是绝对振动,反映轴承座等相对于基础的振动。在汽轮发电机组振动检测中,轴振与瓦振都是十分必要的,对于评价整个机组的健康状态来说缺一不可。如果一个转子的相对轴振很小而瓦振很大,意味着站在固连于缸体的运动座标上看,转轴相对于支撑系统的位移变化很小,两者相对接触可以避免;但转子本身的动应力和轴承支承受到的动应力还取决于缸体本身的振动量值;缸体和支承振动大,转子和构件承受的动应力必定高,所以轴振与瓦振任一超标都是不可接受的。
对一个单一频率信号,正弦波:
峰峰值(P-P)=2*峰值(P)=2*1.414*有效值(rms或RMS)
速度有效值,代表振动能量的大小,因为能量是0.5mv²(动能 Ek=1/2mv^2)
现场测量得到设备的振动数据,一般都包含多个频率成分(频谱中含有低频和高频),如果速度mm/s要换算成位移μm,由于各频率成分幅值的占比大小不同影响通频值的大小,所以多频率成分信号的通频位移、速度和加速度值间无法直接进行换算。
二、瓦振与轴振的关系
汽机或发电机转子由轴承支撑,转轴的振动必然会传递给轴承,所以轴振和瓦振两者存在一定的联系,包括幅值、相位、频率等。
1、两者的幅值大小关系。轴振与瓦振间的幅值比例关系与轴承座自身的刚度有很大关系(还会受相互之间接触刚度的影响)。
一般情况下,如果轴承座是刚性支撑(落地式轴承),轴振的幅值约为瓦振的4~8倍。如果支撑刚度偏弱,该比值会相应减小,在许多座缸式轴承上,常常会出现瓦振与轴振相当或大于轴振的情况;
2、相位关系。瓦振一般采用速度传感器,其相位超前位移90°,即将速度值变换为位移值时,其相位角需要增加90°。如果振动是由不平衡引起,不平衡质量的相位与轴振的相位存在固定关系,同时它与瓦振的相位也有类似关系,正是因为有这样的关系,使得现场通过瓦振进行动平衡成为可能。
3、频率关系。两者有着几乎一致的频率成分,差别在于将速度值积分成位移值时,会损失掉部分高频分量,所以在对滚动轴承、风机轮毂、泵体叶轮等结构复杂的机械振动测量时,习惯用振动的速度值来进行故障分析,因为其能提供更为丰富的频谱信息。
三、瓦振相关标准
1、GB/T 6075.2关于瓦振的标准:
单一频率下,上表中振动速度与位移的换算如下(3000r/min):
3.8mm/s相当于34.5μm;
7.5mm/s相当于67.5μm;(这个数值以下可以安全运行)
11.8mm/s相当于106μm。(达到这个数值就需要停机处理了)
GB/T 6075.2关于瓦振的标准做了明确的规定,当然这也仅仅是对大多数机组而言,仍有部分特殊情况的机组不适合,可以根据长期积累的经验对限值进行适当的放大或者缩小
2、电力工业技术管理法规中关于瓦振的标准:
单一频率下,上表中振动位移与速度的换算(3000r/min):
25μm相当于2.8mm/s;
30μm相当于3.3mm/s;
50μm相当于5.6mm/s;
《电力工业技术管理法规》未对报警值和停机值做明确说明,仅仅作为参考,作为一个法规不可能对对瓦振标准展开来详细研究。
四、建议
目前,绝大多数机组仍然在使用位移来作为评价轴承振动(瓦振)的标准,这主要取决于多年来延续下来的习惯,同时汽轮发电机组很少存在高频成分(绝大多数为一倍频),使得速度积分成位移后的数值也能代表轴承座的振动状态。另外随着轴振测量技术的不断发展,大家往往更关心的是轴振,忽视了对瓦振的关注。
建议按照GB/T 6075.2执行,逐步习惯采用振动速度来评价瓦振,而传感器最好选择速度传感器。
1)汽轮机转速在1500r/min时,振动双振幅50um以下为良好,70um以下为合格;汽轮机转速在3000r/min时,振动双振幅25um以下为良好,50um以下为合格。
2)标准还规定新装机组的轴承振动不宜大于30um。
3)标准规定的数值,适用于额定转速和任何负荷稳定工况。
4)标准对轴承的垂直、水平、轴向三个方向的振动测量进行了规定。在进行振动测量时,每次测量的位置都应保持一致,否则将会带来很大的测量误差。
5)在三个方向的任何一个方向的振动幅值超过了规定的数值,则认为该机组的振动状况是不合格的,应当采取措施来消除振动。
6)紧停措施还规定汽轮机运行中振动突然增加50um应立即打闸停机。同时还规定临界转速的振动最大不超过100um。
它是以支承转子的轴承座振动的峰峰值(双振幅)为评定尺度。其评定标准以轴承座的垂直、水平、轴向三个方向的振动中最数值为评定依据。
轴振分为相对振动和绝对振动,这是两种测量方式,用接触式传感器(如速度传感器)测量转轴相对于地面的振动为绝对振动,接触式传感器(涡流探头)测量转轴相对于轴承座的振动为相对振动,或者用一个非接触式传感器和一个惯性式传感器组成的复合传感器测量转的绝对振动。对于瓦振、轴振都可以带保护,这因各厂要求不同而不同,一般情况是同一个瓦的一个瓦振信号和两个轴振信号3取2保护。
现在,轴振多采用电涡流传感器测得转子相对振动值;用速度,加速度传感器测得的绝对值即瓦振来实现对旋转设备运行状态进行监测。
轴承座振幅与激振力和支撑动刚度、油膜刚度的关系
在线性系统中,部件呈现的振幅与作用在部件上的激振力成正比,与它的动刚度成反比,可用下式表示:
式中 ——振幅;
——激振力;
——部件动刚度。 其中
——动态放大系数;
——激振力圆频率;
——振动系统自振圆频率;
——阻尼系数。
部件静刚度又称刚度系数,它是表示部件产生单位位移(变形)所需的静力;动刚度是表示部件产生单位振幅(位移)所需的交变力。
上述分析的是轴承座振幅与激振力的关系,在目前现场运行的机组还广泛地测量转轴相对和绝对振动,作为评价机组振动状况的依据。转轴绝对振动可以近似地看作转轴相对振动与轴瓦振动的矢量叠加。
转轴相对振动振幅与激振力的关系,近似地也可以用公式(2-1)表述,但公式中支撑动刚度是指轴瓦与轴颈之间的油膜刚度,它虽然是非线性,但在很小位移值时,近似为转轴相对振幅与激振力成正比,与油膜刚度成反比,而与轴瓦支撑动刚度成正比。前两项比较好理解,后一项较为抽象。
转轴相对振动从理论上来说,当油膜刚度、激振力一定时,轴瓦支撑动刚度无限高时,轴瓦振幅为零,转轴相对振动为最大;相反,当激振力、油膜刚度一定,轴瓦支撑动刚度为零时,轴瓦振幅为最大,转轴相对振动为零,即轴颈跟随轴瓦同步位移,轴颈与轴瓦之间无相对位移。在实际机组上这两种极端情况都不会发生,但近似的情况是存在的,例如大机组高压转子的轴瓦,近似属于笫一种情况,大机组的低压和发电机转子轴瓦属于第二种情况。这样也就明白了,#1、#2瓦轴瓦振动为什么不大,轴振大;相反,低压和发电机转子转轴相对振动不大,瓦振比轴振还要大。
轴颈与轴瓦之间油膜刚度值,是随着油膜厚度增大而显著降低,所以如果想要获得较小的转轴相对振幅,除降低激振力外,还有一个重要措施是减小油膜厚度,即可增加油膜刚度。轴瓦油膜厚度与轴瓦型式、转子转速、轴瓦间隙、刮瓦工艺、调门开启方式、机组工况、油温等诸多因素有关。在目前振动故障诊断中对轴瓦支撑动刚度,在国内经40多年消振实践已引起了充分的关注,但对轴瓦油膜刚度还未引起注意。例如目前大机组普遍存在的#1、#2瓦轴振,与调门开启方式十分敏感,引起基频振动大幅波动,故障原因说法不一,实际故障原因是调门开启方式改变,引起轴颈在轴瓦内发生位移,改变了轴瓦油膜刚度所致。
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