在汽輪發(fā)電機(jī)組上最常見(jiàn)的強(qiáng)迫振動(dòng)是振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速符合的振動(dòng)。但是還有一些強(qiáng)迫振動(dòng)，其頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不符合，本文將對(duì)這些強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

電磁激振

在普通強(qiáng)迫振動(dòng)中，兩極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不均衡電磁力的頻率為fp（轉(zhuǎn)子工作頻率）；產(chǎn)生均衡電磁力的頻率為2fp。不均衡電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子和靜子都是不平衡的；均衡電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子是平衡的，但對(duì)靜是不平衡的，所以它不會(huì)引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)，而只使靜子產(chǎn)生振動(dòng)。

當(dāng)靜子剛不足或局部共振時(shí)，機(jī)組帶上負(fù)荷后會(huì)使靜子產(chǎn)生頻率為2fp的較大振動(dòng)。如果軸承座與發(fā)電機(jī)靜子相連，這種振動(dòng)將傳至軸瓦；有時(shí)軸承座與靜子雖然不直接相連，但是由于基礎(chǔ)或軸承座本身共振（2fp），在軸承座上也會(huì)呈現(xiàn)振動(dòng)頻率為2fp的較大振動(dòng)。對(duì)于這種振動(dòng)，通過(guò)改變勵(lì)磁電流的試驗(yàn)即可得到證實(shí)。

高次諧波共振

振動(dòng)系統(tǒng)中具有某種共振響應(yīng)，其頻率為激振力頻率的整數(shù)倍，即：

這種現(xiàn)象稱(chēng)為高次諧波共振。產(chǎn)生這種振動(dòng)的激振力就是上面所述普通強(qiáng)迫振動(dòng)中的三種激振力。

在實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組上，這三種激振力并不是完全按正弦規(guī)律變化的的，因此將它以傅時(shí)葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：

式中F(t)為激振力；a0為常數(shù)，即在激振力的一個(gè)周期內(nèi)，相應(yīng)頻率下各分量的平均值；a1、a2…為頻率ωp、2ωp…所對(duì)應(yīng)的激振力的幅值。

上式中的每一項(xiàng)都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的強(qiáng)迫振動(dòng)，其中a1項(xiàng)產(chǎn)生的振動(dòng)就是上述的普通強(qiáng)迫振動(dòng)；由于高次項(xiàng)幅值上般小，在振動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的振幅也很?。坏钱?dāng)其中某一項(xiàng)（例如a3項(xiàng)）的激振力的頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的自振頻率符合時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)呈現(xiàn)頻率為3fp的較大振幅的強(qiáng)迫振動(dòng)。

根據(jù)這個(gè)原理，可以反推出轉(zhuǎn)子產(chǎn)生激振力的性質(zhì)。當(dāng)軸承振動(dòng)波形是規(guī)則的正弦波且f=fp時(shí)，說(shuō)明高次項(xiàng)可以忽略；反之，說(shuō)明激振力中除轉(zhuǎn)子不平衡外，還有不可忽略的其他激振力存在。而高次諧波幅值的大小與系統(tǒng)剛度（共振程度、結(jié)構(gòu)剛度）成反比，與高次項(xiàng)激振力幅值成正比。

在汽輪發(fā)電機(jī)組上，激振力的非基波分量的產(chǎn)生主要由下列因素引起：

• 轉(zhuǎn)子彎曲（永久彎曲、熱彎曲或彈性彎曲）和橫向裂紋；

• 固定式聯(lián)軸器不對(duì)中；

• 固定式聯(lián)軸器端面瓢偏過(guò)大，連接后引起軸頸晃擺值過(guò)大；

• 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子局部短路或空氣間隙偏差過(guò)大，引起不均衡電磁力。 

為了避免激振力中包含過(guò)大的非基波分量，在電廠中不允許使用校正轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的方法來(lái)補(bǔ)償轉(zhuǎn)子過(guò)大的彎曲和固定式聯(lián)軸器連接偏差過(guò)大。

在軸承上檢測(cè)到的高次諧波主要是由于軸平均發(fā)展速度系統(tǒng)共振引起的，國(guó)為軸承座及支承系統(tǒng)的自振頻率一般都低于高次諧波共振的最低頻率2fp，從理論上說(shuō)，它不可能形成這種共振。

軸瓦系統(tǒng)的高次諧波共振是由于轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大或軸瓦檢修工藝不良而引起的，如軸瓦在洼窩內(nèi)接觸不很或失去緊力，使軸瓦系統(tǒng)的自振頻率下降到某一個(gè)高次項(xiàng)頻率附近。一旦發(fā)生共振，軸瓦便產(chǎn)生較大的響聲。若停機(jī)檢查軸瓦，會(huì)發(fā)現(xiàn)軸瓦墊鐵和洼窩并調(diào)整軸瓦緊力之后，這種振動(dòng)即可消失。但是，如果轉(zhuǎn)子振動(dòng)較大、激振力中的高次項(xiàng)分量沒(méi)有減少，那么機(jī)組運(yùn)行不久，這種振動(dòng)又會(huì)復(fù)發(fā)。

在現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的另一種高次諧波共振發(fā)生在發(fā)電機(jī)靜子系統(tǒng)。由于電磁力中含有一定量的高次項(xiàng)分量，所以在靜子上經(jīng)常存在幅值較大，頻率為3fp、4fp的振動(dòng)。

測(cè)量軸承或轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜，可以大致了解各高次項(xiàng)激振力的相對(duì)大小。對(duì)于主要由不平衡力激起的振動(dòng)，除發(fā)電機(jī)軸承座因轉(zhuǎn)子剛性不完全對(duì)稱(chēng)而存在一定量頻率為2fp的振動(dòng)外，其他部分均不會(huì)產(chǎn)生頻率為2fp的振動(dòng)。對(duì)汽輪機(jī)各軸承座來(lái)說(shuō)，振動(dòng)頻率為2fp，3fp，…8fp等各種高頻振動(dòng)的幅值一般均小于3μm。

消除高次諧波共振應(yīng)從降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)、減少激振力的非基波分量和避開(kāi)共振三個(gè)方面考慮。當(dāng)減少激振力的非基波分量有困難時(shí)，在避開(kāi)共振的同時(shí)，應(yīng)盡可能降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)，否則不易消除這種共振。長(zhǎng)期運(yùn)行的實(shí)踐表明，轉(zhuǎn)子與軸承相對(duì)振動(dòng)應(yīng)小于120-140μm才能保證軸瓦長(zhǎng)期可靠地工作。

分諧波共振

振動(dòng)系統(tǒng)中具有某種共振響應(yīng)，其頻率為激振力頻率的整數(shù)分之一，即：

這種現(xiàn)象被稱(chēng)為分諧波共振，也稱(chēng)亞諧波或分?jǐn)?shù)振動(dòng)。引起這種振動(dòng)的激振力還是上述普通強(qiáng)迫振動(dòng)的三種激振力中的非基波分量。

這處振動(dòng)的機(jī)理是不能用線性系統(tǒng)來(lái)解釋的。百線性系統(tǒng)中所發(fā)生的分 共振與線性系統(tǒng)中發(fā)生的高次諧波激振力展開(kāi)原理一樣，也可出現(xiàn)與基波頻率成整數(shù)分之一的激振力；再加上圓筒形和橢圓形瓦對(duì)低頻振動(dòng)阻尼很小，甚至是負(fù)阻尼，因而在不大的激振力作用下也可以引起較大振幅。

產(chǎn)生分諧波共振的條件如下：

• 采用圓筒形或橢圓形瓦的機(jī)組；

• 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于第一臨界轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍；

• 轉(zhuǎn)子存在較大的不平衡量。 

根據(jù)振動(dòng)頻率，對(duì)這種振動(dòng)做出診斷一般并不困難，但是要注意與軸瓦自激振動(dòng)和氣流激振區(qū)分開(kāi)來(lái)。

消除這種振動(dòng)的主要措施是降低轉(zhuǎn)子不平衡量，其次是提高軸承座穩(wěn)固性和采用阻尼較大的活支瓦塊式軸承。 

隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)的頻率和振幅都是隨機(jī)的，因此從錄得的振動(dòng)波形上可以到各個(gè)波形互不相同，而且在穩(wěn)定的工況下，不同時(shí)間錄得的振動(dòng)波也不相同。

產(chǎn)生這種振動(dòng)的激振力是由不規(guī)則的沖擊所激起的，所以在振動(dòng)波形上包含了沖擊的強(qiáng)迫振動(dòng)（非周期性）和衰減的自由振動(dòng)兩種，其振動(dòng)頻率有系統(tǒng)的固有頻率，也有沖擊力的頻率。若在軸承座上測(cè)量，還包含與轉(zhuǎn)速相符的振動(dòng)頻率。事實(shí)上，由于沖擊力的頻率是一個(gè)較寬的頻帶，因此這種振動(dòng)的頻譜是連續(xù)的。

這時(shí)應(yīng)指出，若隨機(jī)振動(dòng)中含有低頻成分（12Hz以下），測(cè)量時(shí)要考慮拾振器的工作頻率范圍。如使用一般的拾振器測(cè)量，錄得的振動(dòng)波形和測(cè)量出的振動(dòng)會(huì)失真，在波形上最低頻率的振動(dòng)分量實(shí)際上是拾振器固有頻率的振動(dòng)，而較拾振器固有頻率低的振動(dòng)，卻沒(méi)有得到反映。

汽輪發(fā)電機(jī)組能夠產(chǎn)生隨機(jī)激振力的部件有油箱、注油器、大直徑蒸汽管或水管等。這些部件的振動(dòng)傳至機(jī)組和質(zhì)量較大的松動(dòng)部件，在不平衡力或汽流的作用下會(huì)引起沖擊。

根據(jù)振動(dòng)波形或頻譜，對(duì)這種振動(dòng)的性質(zhì)可以很快作出診斷。通過(guò)改變運(yùn)行參數(shù)、觀察振動(dòng)變化，可以找出激發(fā)隨機(jī)振動(dòng)的因素；再由譜圖找出振動(dòng)主要分量的頻率范圍，根據(jù)這些特征確定激起的根源和具體部件。

消除隨機(jī)振動(dòng)的主要措施是降低隨機(jī)激振力，其次是降低傳至基礎(chǔ)和機(jī)組的激振力。

拍振

兩個(gè)振動(dòng)頻率相近而又不成整數(shù)倍的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加便形成拍振，振幅變化的包絡(luò)線形成正弦曲線。拍周期倒數(shù)就是拍的頻率，也等于兩種振動(dòng)頻率之差。

現(xiàn)場(chǎng)較常見(jiàn)的拍振多發(fā)生在兩個(gè)基礎(chǔ)相鄰、功率較大的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵、風(fēng)機(jī)軸承上。兩個(gè)異步電動(dòng)機(jī)銘牌轉(zhuǎn)速雖相同，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于所帶的負(fù)荷不同，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是有差別的，從而造成激振頻率不同；由于振動(dòng)的相互傳遞，從而形成拍振。

例如兩臺(tái)1600kW的鍋爐引風(fēng)機(jī)，其基礎(chǔ)相距只有0.3m，基礎(chǔ)雖然相互分開(kāi)且中間留了隔振縫，但一臺(tái)風(fēng)機(jī)停運(yùn)、另一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在停運(yùn)風(fēng)機(jī)軸承上仍可以檢測(cè)到40%－50%的運(yùn)行風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)值，從面在運(yùn)行中兩臺(tái)風(fēng)機(jī)各自形成敢十分明顯的拍振。

拍振周期隨兩臺(tái)機(jī)負(fù)荷變化而變化。電動(dòng)機(jī)銘牌轉(zhuǎn)速均為990r/min，經(jīng)實(shí)測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速為890－998r/min，則它們的不平衡振動(dòng)頻率差為0.1Hz，即拍的周期為10s，因此在這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)上測(cè)振，其振幅變化周期為3－100s不等，并能聽(tīng)到非常顯著的轟鳴聲，最大振幅和最小振幅之差達(dá)1－2倍之多。由于當(dāng)時(shí)不明拍振機(jī)理，因此這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的消振拖了2年多。

顯然在形成明顯拍振情況下，是無(wú)法找轉(zhuǎn)子平衡的。在不改變振動(dòng)相互傳遞條件下，消除拍振，只有讓一臺(tái)風(fēng)機(jī)停運(yùn)，找另一臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡。當(dāng)將每一臺(tái)風(fēng)機(jī)軸承不平衡振動(dòng)減少到50μm,以下時(shí)，拍振已不明顯。

為了防止運(yùn)行機(jī)組產(chǎn)生拍振，最有效的方法是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)保持足夠的距離。由運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)知，兩個(gè)基礎(chǔ)之間最小距離與轉(zhuǎn)子重量有關(guān)，近似可用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中：s為基礎(chǔ)之間最小距離，m；G為轉(zhuǎn)子重量，t；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

系數(shù)K一般取3－5，當(dāng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)要求較高時(shí)，系數(shù)K取其上限。

防止拍振的另一措施，是基礎(chǔ)之間采用必要的隔振，例如兩個(gè)相領(lǐng)的基礎(chǔ)不要相連，并設(shè)有隔振縫等，但對(duì)于標(biāo)高較高的基礎(chǔ)，這一措施明顯地降低其水平和軸向動(dòng)剛度。

當(dāng)存在拍振時(shí)，若使用一般指針式振動(dòng)表測(cè)量，可以觀察到振動(dòng)指示值發(fā)生周期性的變化，并能聽(tīng)到有節(jié)奏的轟轟聲音。

本文摘錄自聲振論壇會(huì)員laolang-1000分享的《汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及事故節(jié)選》一文，原文作者不詳，封面圖片來(lái)源于國(guó)投北部灣發(fā)電有限公司網(wǎng)站。

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標(biāo)簽：振動(dòng)頻率、汽輪機(jī)、轉(zhuǎn)子

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文章名稱(chēng)：《汽輪機(jī)中振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)子工作頻率不符合的強(qiáng)迫振動(dòng)》

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