汽轮机的分类
火力发电厂中的蒸汽轮机
当我们仔细研究通过常规和非常规能源发电的比例时，我们发现世界上50%以上的电能需求由核电厂和火力发电厂满足。作为这些发电厂的核心，最基本的部件之一是蒸汽轮机。沸腾的水（有时加入一些溶剂）产生的蒸汽在热量的帮助下驱动涡轮机的转子，最终导致耦合轴旋转。该轴还连接到发电机，该发电机将该旋转运动转换为电力。
蒸汽轮机中的振动
从结构上讲，蒸汽轮机是一个复杂的组件，它将许多复杂的部件组合在一起，任何一种由于动部件和对应配合静部件等引起的不可控振动都可能导致系统故障，从而导致重大灾难。如最近一个例子是发生在2019年的印度北部Anpara D热电厂500MW汽轮发电机组的爆炸。
因此，分析振动的原因和强度对于确保正确操作和安全至关重要。
汽轮机振动的主要原因
在这里，我们将讨论任何火力发电厂汽轮机振动的可能主要原因：
汽轮机转子失衡
安装和维修方面：如转子动平衡不理想、隔板通道不合格、叶片节距偏差、两个半隔板之间的装配不当或固定叶片的外缘腐蚀。维护大修后，必须仔细维护所有叶片的相同重量和材料，尤其是仅更换少数叶片时。即使叶片重量或重心的微小变化也会导致转子不平衡和振动。
运行过程中：转子结垢、质量脱落、碰磨或裂纹等次生弯曲导致失衡、应力腐蚀等导致失衡。
如转子结垢，一台30MW的蒸汽轮机在污染情况下可能损失高达5%的发电量。
对中
另一个可能导致汽轮机多轴承轴系振动行为变化的关键因素是不不对中，这会在联轴器上施加过多的弯矩。
发生错位的迹象之一是冷热振动行为的改变。这种冲击可以观察到为每转一次的振动。在理想情况下，总长度约为70m的完整涡轮发电机组轴线应为连续且平滑的曲线。否则，就可能存在错位的问题。
下图表示涡轮发电机系统中的轴线不对中。它负责改变蒸汽轮机的振动行为。
为避免此类情况或处理错位问题：我们应该确保固定部件和旋转部件之间有足够的间隙，以及轴和轴承之间的同心度。于这种情况主要是由于轴承故障造成的，因此更换轴承将有助于消除不必要的振动。
汽轮机转子振动7.故障可能由维护不当引起。从转子上拆下阀盘的操作不正确，导致轴上有很深的划痕。修理需要对轴进行返工和重新平衡，以防止可能导致振动的不平衡。图片来源：阿瓦兹发电管理公司。
汽轮机转子振动8.蒸汽可以绕过螺栓。插入孔中的大型螺栓用于将大型水平接头法兰牢牢固定在高压气缸中。螺栓孔是由于汽缸变形和管道压力变化而可能形成蒸汽喷射泄漏的地方。图片来源：阿瓦兹发电管理公司。
旋转元件的磨损
在运行的蒸汽轮机中，旋转部件受到恒定静态和动态载荷情景的影响。这种持续的负载和高压会导致旋转元件的磨损、不平衡和错位，从而导致不必要的振动。
磨损部件的另一个原因可能是蒸汽对涡轮转子的突然冲击。这种影响发生在汽轮机无故跳闸的情况下。部件的磨损最初可能会导致较小的振动幅度，通常不会立即导致故障。然而，如果长时间不干预，情况会变得更糟。
由于间隙不足而导致摩擦会破坏转子的末端密封。这种情况通常发生在工作速度下的高质量转子与静止表面接触时，通常是由于迷宫或隔板压盖密封件与转子之间的间隙太小引起的。其次，接触点可能会局部温度升高，导致接触点的金属温度由于摩擦而升高。
大型旋转转子质量与固定密封件的冲击产生的力通常会在转子表面上留下一层金属。摩擦会导致转子在撞击点处的弹性变形和临时转子轴弯曲。轴弯曲通常会导致振动水平增加。
接触脱离接触的间歇性碰磨
轴颈轴承损坏
在使用条件下，存在不同的磨损、疲劳，这可能损坏汽轮机最敏感的部件之一——轴颈轴承。这种损坏将导致转子轴不稳定，并导致不受控制的高振幅振动。
在循环载荷情况下可能会出现相对较大的相对位移，这最终可能成为轴承零件松动和间隙不足的原因。
轴颈轴承特有的问题之一是油膜不稳定性，这是火力发电厂汽轮机感应自激振动的原因。
胀差和转子膨胀
胀差被称为转子轴向热增长相对于壳体的测量值。
转子膨胀是转子相对于涡轮机基础的轴向热增长的绝对测量值。
当汽轮机处于暖机状态时，由于不均匀的热膨胀，这些现象常会发生，从而导致汽轮机振动。
介质和执行机构波动
为了保持涡轮轴的稳定旋转以产生恒定的电力，执行机构和调节系统应保持平稳操作和高可靠性。但有时，由于一些运行问题，输入的蒸汽参数不符合负荷要求，这会导致突然的颠簸，最终导致涡轮机振动。
有时，介质不达标，温度压力参数偏离设计工况，也会导致汽轮机振动。譬如介质液击，如果疏水阀未开，有过多的积水，也会有类似情况发生。执行机构可能导致汽轮机发生气流激振。
下图是探头支架异常导致振动跟随转速变化但波动剧烈。
下图是低负荷下水或湿蒸汽进入而损坏的叶片翼型。
润滑不当
涡轮由多个旋转部件组成。涡轮部件之间润滑油的正确循环确保了允许的操作。润滑油不足或缺乏会导致部件摩擦，从而导致无法避免的振动和严重损坏。需要注意的是，国际工程保险协会报告称，世界上汽轮机故障的最高频率是因为油的损失。下图是油温提高37-46的振动上升，缓慢降低油温后振动下降。
转子弯曲
三种不同类型的涡轮转子弯曲。
第一个是“弹性弯曲”，这是由于转子上的静载荷而发生的。
第二个是“临时弯曲”。发生临时转子弯曲的原因主要有两个：转子受温度场不均匀（温度也可由摩擦导致局部温度场变化）和转子材料刚度的各向异性。
最后，我们有“永久转子弯曲”。产生永久转子弯曲的原因是塑性变形。这是最严重，重心从中心线转移。
转子裂纹
作为旋转系统（尤其是蒸汽轮机）失效机制的另一个严重现象是高周疲劳。有关其重要参数的不完整信息可能导致转子的灾难性故障。
在高周疲劳中，影响裂纹扩展的最重要因素之一是高温。在大多数旋转系统中，主要包括蒸汽轮机，产生高循环疲劳的过程很普遍，应避免，以防止任何重大损失。
通常，由于裂纹，轴刚度会降低，这反过来又会导致共振转移到较低的转速。
机壳相关
机壳温度波动可通过多种方式引起汽轮机振动。壳体问题可能以多种不同的方式导致对中问题，主要与温度波动引起的膨胀和收缩有关。
首先，由于与外壳的热隔离不足和/或其他区域的绝缘薄弱，汽轮机汽缸可能出现温度分层。热绝缘损失可能是在接头和管道与外壳之间的连接处（通常在涡轮机底部）绝缘不良造成的。例如，外壳底部绝缘不良会导致外壳顶部到底部的温度梯度，从而导致外壳变形和弹性转子弯曲。供应商将确定可接受的外壳温度梯度。根据我们的经验，坡度不得超过60℃。新的高压涡轮机对外壳热梯度特别敏感。
如果涡轮机轴未恢复到曲率极限要求内，就从热状态启动，则旋转叶片和固定隔板可能会摩擦并损坏密封件和隔板压盖。随着轴重量的增加，涡轮转子、涡轮汽缸的尺寸以及轴的热惯性也随之增加。其影响是，2次启动间隔（以及盘车时间）需要更长的时间，以便在下次启动之前消除转子的任何弯曲。
轴温差下的弯曲量估算公式：
圆柱弯曲可以通过了解其尺寸和结构材料来估计。圆柱弯曲（mm）可通过以下表达式确定
壳体温差下的弯曲量估算公式
还可以确定转子热弯曲对壳体的影响。当壳体顶部比底部热时，壳体会向下弯曲。如果温度梯度从壳体顶部到底部以及沿着其长度是恒定的，则最大弯曲应力发生在壳体中部垂直方向和壳体支架之间水平方向。在这些条件下的弯曲或挠曲可以确定为
温度梯度对壳体的影响
热启动期间，还必须考虑叶片和隔板的温度梯度。在热涡轮启动中，如果蒸汽相对较冷，那么隔板和叶片金属温度将比转子低。在这种情况下，隔板的直径将比转子直径更快地增加，从而产生径向松动并减小叶片和隔板间隙。使用典型的线性热膨胀系数，对于转子和隔板之间每100℃的温差，500 mm的隔板密封直径将增加0.3 mm。
因此，如果转子的曲率高于正常范围，并且在热启动过程中未仔细进行蒸汽流路调节，则可能会发生摩擦。
使用这些公式和应用经验进行的计算告诉我们，在汽轮机启动期间，高压缸顶部和底部之间的温差不应高于规定的正常极限。如果超过该温差限制，前端压盖中的径向距离将显著减小，从而引起摩擦，随后在控制级附近发生转子弯曲。
也不要忘记螺栓、销钉和其他壳体接头。高压涡轮机的外壳有厚壁，以及需要螺栓和销钉的大型水平连接法兰。在机组启动或停机期间，有时涡轮负荷会快速变化，或机壳法兰和壁面受热不均匀。高压和中压外壳顶部和底部之间的温差（通常为50C至70C）和法兰销（最大15C至25C）可能导致蒸汽通过外壳水平接头泄漏。
高压缸壳体弯曲导致振动的常见原因
许多汽轮机修理公司的经验表明，高压缸壳体弯曲的原因是停机时热汽轮机缸内的蒸汽冷凝。蒸发冷凝液的高温传热冷却了气缸的底部，而气缸的顶部保持相对较热。因此，在大多数情况下，气缸将向下弯曲，而外壳顶部将保持笔直。
安装问题
此外，当定距螺栓和垫圈安装不正确时，多缸涡轮机的低压（LP）和中压（IP）气缸架中的间隙可能会很差。定距螺栓用于将低压和中压外壳框架固定到基础上。
冷凝器问题
在额定负荷运行时，如果冷凝器压力（真空）和冷凝水温度在正常范围内，则间隙应符合设计要求。但是，如果冷凝器压力（真空）异常且冷凝水温度高，则低压缸会变得比允许的极限更热，从而导致冷凝器中的体积膨胀。结果是距离螺栓间隙减小或变为零。如果未观察到设计间隙，涡轮振动可能会增加，必须降低涡轮负载。
管道问题
连接到机壳的蒸汽管道的无补偿位移会导致机壳运动和转子振动。对于壁厚的大直径管道尤其如此。当涡轮机运行时，转子和涡轮机壳都有轴向运动。涡轮机设计中考虑了系统的热膨胀。在涡轮机设计过程中，还考虑了这些大管道施加在壳体上的力和力矩。过度的管道连接载荷可能导致套管变形，施加在壳体法兰上的弯矩也可能导致套管内的气缸位移和移动，这两种情况都会增加转子振动。
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