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機組運行中大軸彎曲的原因、特征及診斷方法

發(fā)布時間：2025-09-20

對于大型機組轉(zhuǎn)子彎曲是一個復雜的問題，其多與溫度相關。正在運行的轉(zhuǎn)子可能存在周圍溫度分布不均的情況，其原因可能是發(fā)電機和電動機繞組受熱不均、發(fā)電機線圈短路及感應電動機的轉(zhuǎn)子銅條斷路或轉(zhuǎn)子鐵心短路，也有可能是局部摩擦生熱或油膜軸承受熱不均所致。

受熱不均使轉(zhuǎn)子在熱側產(chǎn)生熱膨脹，并朝這一側彎曲。這通常是臨時性彎曲，隨著受熱不均的消失而不復存在。但如果摩擦劇烈且集中，則在出現(xiàn)摩擦的區(qū)域內(nèi)，摩擦生熱可導致材料在壓應力的作用下屈服。轉(zhuǎn)子冷卻時，局部永久塑性變形會使轉(zhuǎn)子在此區(qū)域內(nèi)略有變短，而在與摩擦方向相反的方向萬形成永久性彎曲。

1、在熱彎曲的眾多原因中摩擦最為常見

在機組運行中摩擦可能產(chǎn)生熱點并使轉(zhuǎn)子彎曲。若有一臺恒速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子，此時，軸每轉(zhuǎn)一次在同一位置產(chǎn)生一次摩擦，接觸區(qū)域內(nèi)的摩擦會使局部受熱并產(chǎn)生熱點。轉(zhuǎn)子隨后會朝著熱點彎曲，造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)新的不平衡。這種新的不平衡與原有不平衡以矢量方式相加，如果總體不平衡度升高，摩擦將會持續(xù)下去。出現(xiàn)這種情況時，1X振動響應矢量有可能反向于轉(zhuǎn)動方向作往復運動隨著該循環(huán)不斷往復，1X響應矢量在與旋轉(zhuǎn)相反的方向上緩慢轉(zhuǎn)動。完成一次循環(huán)可能耗時幾分鐘至數(shù)小時。

如果高點與重點之間明顯反相，則熱彎曲會減小總體不平衡度和振動響應，摩擦接觸可能周期性消失或再次出現(xiàn)。如果接觸點碰巧超前于重點，產(chǎn)生的熱彎曲往往會在朝前方向上平移振動矢量。

2、熱彎曲的另一來源是滑動軸承油膜厚度不均所致轉(zhuǎn)子受熱不均

流體動力學軸承的軸頸通常在平均偏心率0.6～0.8的條件下工作，但動態(tài)運動會在平均位置周圍產(chǎn)生轉(zhuǎn)跡。對于較大的1X響應，軸頸高點的通過位置比軸頸另一側的通過位置更接近于軸承壁。在懸臂式壓縮機內(nèi)，現(xiàn)已知這種彎曲可使1X矢量產(chǎn)生緩慢的正向運動。    

出現(xiàn)熱彎曲是因為油膜摩擦力與油膜中的速度梯度成比例。隨著軸頸高點表面逐漸靠近軸承壁，油膜會變得非常薄，軸頸表面與軸承壁之間的速度梯度變大，進而產(chǎn)生更多的熱量。旋轉(zhuǎn)半轉(zhuǎn)后，軸頸“低點“靠近軸承壁，但此時轉(zhuǎn)子中心線位于軌跡的相反一側，所以瞬時偏心率更小，熱量輸入更少。

因此，軸頸高點遇到的熱量輸人(來自油膜摩擦)多于相反一側。此過程在軸頸兩側之間產(chǎn)生溫度梯度。不均勻熱膨脹可產(chǎn)生一種臨時性彎曲，進而可在裝有懸臂式轉(zhuǎn)子或耦合力矩較大的機器內(nèi)產(chǎn)生高振幅循環(huán)性1X振動。

3、冷卻不均，導致受熱不均和熱彎曲。

冷卻氣流中含有輕度的不對稱性，會導致熱彎曲，致使1X振動增強。發(fā)電機轉(zhuǎn)子還會隨時間逐漸磨損，因為循環(huán)往復開機和關機會使內(nèi)部零件錯位，出現(xiàn)這種情況時，冷卻通路可能部分或完全堵塞，致使轉(zhuǎn)子的溫度分布發(fā)生變化。因此在工作一段時間后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子可能需要重新調(diào)整平衡。

4、由于操作或其他原因造成蒸汽含水

這種情況使轉(zhuǎn)子和外殼表面的冷卻都出現(xiàn)劇烈變化，該情況一般出現(xiàn)在高壓和中壓轉(zhuǎn)子上。發(fā)生此類事件會立即導致轉(zhuǎn)子臨時性彎曲，然后發(fā)生劇烈摩擦，致使轉(zhuǎn)子表面局部受熱導致轉(zhuǎn)子彎曲變得更嚴重，且隨后變得對溫度非常敏感，因為轉(zhuǎn)子的熱屬性已變成各向異性。

5、轉(zhuǎn)子彎曲診斷

轉(zhuǎn)子彎曲是一種故障，可產(chǎn)生與不平衡極其類似的1X振動行為。轉(zhuǎn)子彎曲主要通過慢滾動速度時存在的1X振動加以識別。其與不平衡不同的是，彎曲在慢滾動時會產(chǎn)生劇烈的正向1X響應。遠超過共振轉(zhuǎn)速時，彎曲響應變小，大多數(shù)殘余1X振動都是由不平衡所致。    

轉(zhuǎn)子熱彎曲即然多由摩擦引起，所以與負荷直接相關，一般情況下隨著負荷的增長，摩擦會加劇，軸的彎曲程度也加劇，振動自然也就越大。一旦振動增大后快速降負荷或停機振動并不立即較小，而是有一定的時間滯后。

轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲后停機惰走時在相同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的工頻相位可能不重合，惰走停機時在低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)軸晃度較大。

電方面的原因引起的發(fā)電機受熱不均的熱彎曲而引起的振動。勵磁電流變化后，振動逐漸變化，一段時間后才能穩(wěn)定下來，振動變化滯后于勵磁電流變化。這種現(xiàn)象說明振動主要是由于熱變形引起的。可能的原因有：匝間短路誘發(fā)的轉(zhuǎn)子部件非對稱熱變形，通風孔堵塞、冷卻水量不均勻等誘發(fā)的轉(zhuǎn)子冷卻不均勻以及部件松動或膨脹受阻等。

當發(fā)電機轉(zhuǎn)軸存在不對稱冷卻時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子會發(fā)生熱彎曲，引起振動增大。因此通過改變冷卻介質(zhì)的溫度可以判斷有無不對稱冷卻。對于水冷發(fā)電機可采用改變冷卻水溫試驗，而對于氫冷發(fā)電機可采用改變冷卻氫溫試驗，觀察其變化對振動發(fā)展的影響。通常在存在不對稱冷卻故障時，冷卻介質(zhì)溫度越高，振動越小。

（來源：振動診斷與 轉(zhuǎn)子平衡）