1、由于天然气具有易燃易爆性，所以运输过程对船舶的要求很高，风险性也很大。因此，如何能够保持lng船的平稳运行，这是我们亟待研究的课题之一。而作为lng船的主要动力推进装置的蒸汽轮机，它的正常运行与否势必影响着整条船的性能与安全。由于运行时间较长，以及出现的摩擦磨损等情况，汽轮机会发生一些故障。而汽轮机的异常振动是其中较为常见的一种故障。它可以对整个机组产生巨大的危害。汽轮机是一个比较复杂的设备，造成振动的原因有很多种，因此，一旦出现汽轮机异常振动的情况，我们首先要做的就是迅速找出引起异常振动的原因所在，然后对症下药，制定出合理的解决方案，以保证船舶的稳定和安全的运行。本文将分别从设计制造、安装维
2、修、运行三个方面进行分析振动原因及预防策略。1 设计制造方面1.1 转子的质心与旋转中心不重合汽轮机在全速运转起来时转速比较高，这时如果转子的质心与旋转中心不重合则会因为转子的不平衡而产生一个离心力的作用，这个离心力对转轴产生一个激振力使机组产生振动。如果这个离心力过大，机组就会振动异常。要避免这种情况的发生，就应该对装配的每一级叶片进行动平衡试验，最后在出厂前，对装配完成的转子分别进行高速和低速动平衡，以确保转子的动平衡量符合要求。同时还要求装配厂家加强加工精度和装配质量的提高和改进工作，以确保转子的原始不平衡量不至于太大。1.2机组本身的设计不当机组的设计不当也会引起机组的振动。因此在设计
3、阶段，要合理选择轴承或者叶片等设备的规格，如果轴承选取不当，由于其稳定性较差，则极小的不平衡也会引起机组的剧烈振动。2 安装和检修方面汽轮机的安装是一个十分复杂的工程，任何一个安装步骤出现问题，都有可能导致汽轮机组的异常振动，具体主要表现在以下几个方面：2.1 基础的合格汽轮机运行的好坏与否与它的基础的牢固情况密不可分。基础建设一定要按照图纸来施工，并且确保达到足够的强度。如果在运行中发生基础破裂或者沉降的情况，就会使台板受力不均或者台板地下出现空缺，从而导致汽轮机在运行过程中的异常振动，并且振动随汽轮机负荷的变化而变化。2.2 轴承座的安装质量轴承座的安装必须要严格按照图纸要求来进行。并且要
4、进行多次测量，以保证应该达到的精度要求。2.3 低压缸的安装汽轮机的低压缸通常体积相对较大，并且连接着冷凝器，在安装过程中主要是防止因为外力因素而导致的汽缸变形，一旦运行起来引起气流分配不均并且容易发生摩擦而产生剧烈振动。通常在安装汽缸时需要用百分表对各支撑点进行测量，确保汽缸没有因为受力而发生变形，进而防止振动的发生。2. 4 机组中心应当找正机组中心一般包括转子与汽缸的同心度、支撑转子的各轴承的标高、轴系连接的同心度和平直度。当转子与汽缸的同心度偏大时，容易引起汽流激振、电磁激振和动静碰磨，若在转轴处发生碰磨的话，会很容易使转子发生热效应而产生弯曲5。同时汽缸的内缸和外缸的中心也应保持重合
5、，不然便会由于内部蒸汽在泄露时的不均匀而导致振动，汽缸的安装也要配合好滑销系统的安装，来满足热膨胀的需求。因此，要确保机组的稳定性，就要通过精确测量来控制外缸和内缸的中心重合，动子和静子的也重合，并且调整好转子中心与汽缸中心的偏离程度。2. 5 轴承的安装轴承的安装也很关键，安装过程中既要控制轴承与轴承盖的紧力不能过大，也要控制不能过小。过大便容易使轴承盖变形，若是球面轴承发生变形之后就无法实现自由调位；紧力过小则会出现异常振动的情况。轴承的连接紧力也要严格的进行控制，轴承连接紧力不足的话导致轴承刚度不足，在同样的激振力下便有可能导致剧烈的振动。因此必须将每个连接螺栓拧紧。垫片是用来承受转子的
6、重量和转子由于不平衡而产生的离心力的，垫块确定转子的位置，装配时要每块垫块接触部分占总面积的百分之七十以上，并且接触面受力均匀，接触点均匀分布，这样便可以避免因为垫块而引起振动的发生。轴承的间隙大小也要符合要求，间隙过的会由于运行时的振动不稳定，产生扰动而使振动不断增大。由于推力轴承是转子相对于汽缸的膨胀死点，因此安装时必须要确保转子轴向窜动量满足要求。若窜动量过大，汽轮机组负荷变化时，就会给推力瓦块施加较大的冲击力；若窜动量过小，推力瓦块便不容易形成适当厚度的油膜，所引起的结果便是油膜温度升高或者出现摩擦的情况，进而可能导致异常振动。同时为了确保不会发生轴承的受力中心与几何中心发生偏离而引起
7、机组的异常振动，需要在轴承装配过程中通过准确的测量来保证轴承受力中心与几何中心重合。轴承的中心高度要求很严格，必须达到可以均匀分配负荷的要求，否则便有可能产生振动。2. 6 滑销系统间隙调整汽轮机正常运行时，缸体内充满了高温高压的蒸汽，产生了极大地热膨胀，并且，由于高压缸和倒车汽轮机汽缸分段布置前后温差比较大。为了使汽轮机在热态和冷态能够自由膨胀和收缩，并且能够保证转子的中心与缸体的中心不至于偏差太大，所以在汽机缸体上设计了很多滑销结构，用来引导整个机组按照预设的方向膨胀或者收缩，以确保汽轮机动静部分的中心位置以及每一个间隙部分在膨胀时可以达到要求，使汽轮机可以平稳运行。所以滑销系统的设计必须
8、符合要求，销与槽的间隙要合理，以免影响机组的热膨胀过程。2. 7 活动部件及断叶片安装期间必须确保没有一些零部件残留在汽缸内部，否则在汽轮机组装好进行运行时部件可能在气流的强大冲击下装机叶片导致叶片损坏，进而当汽轮机叶片断裂时，转子的质量分布明显不对称，机组的振动会发生明显的变化，既包括振幅大小的变化也包括振动相位的变化。因此，在现场检修转子时对各级叶片逐一进行外观检查，确定无裂纹及铆钉松动现象，同时保证缸内没有其他残余物的存在。3 运行方面机组会不会产生异常振动不仅与前面分析的制造、安装和检修中的各因素有关，还与运行状况有很大关系。运行中一些突发情况或者操作不当都会引起机组的振动。3.1 转
9、子质量不平衡。转子质量不平衡产生的原因有两种：原始不平衡和转动过程中的部件飞脱松动或者断裂。原始不平衡是在汽轮机加工制造过程中造成的，前面已经讲过。如果机组安装过程没有问题，而由于机组连续运行时间过长，也有可能发生部件松动、飞脱或者断裂的情况。转动过程中容易发生飞脱或者断裂的部件有围带、拉筋、叶片以及平衡质量块等。而易发生松动的部件有护环、槽楔以及联轴器等。这些部件的飞脱、松动或者断裂都将导致转子的质量不平衡，从而造成汽轮机组的异常振动。为了避免此种情况的发生，在汽轮机检修时，一定要做到仔细检查汽轮机内部组件的牢固性，以及是否有裂纹等缺陷，一旦发现及时更换部件3. 2 转子热弯曲汽轮机转子在运
10、行中不可避免有转子的弯曲，弯曲转子有两类情况，即转子永久性弯曲和转子瞬时性弯曲。转子瞬时性弯曲是由于暖机时间不足，转子上下温差不匀使转子热变形不均匀，或由动静摩擦引起转子不对称温升造成转子热弯曲，又或者是其它初始应力引起的转子暂时性弯曲。这种暂时性弯曲引起转子不平衡振动，不过这种故障只要让机器连续运转几个小时，即可自行消除。永久性的弯曲即塑性弯曲，在转子的制造过程中，由于转子的材质不均匀，以及装配中的误差，会造成转子的质心与转子的旋转中心不重合，由于离心力的作用，久而久之会造成转子的永久性弯曲。另外由于在高温蒸汽作用下转子会热膨胀，如果轴向间隙过小，会使转子发生瞬时性弯曲，长期运行的情况下也可
11、引起转子的永久性弯曲。这种变形不会有弹性恢复力。原始弯曲引起的强迫振动是相当于恒幅力激起的强迫振动，不能通过转子的平衡来消除此种振动。针对转子热变形的故障处理就是更换新的转子以减低机组异常振动。没有了振动力的产生机组也就不会出现异常振动。3.3 中心孔进油汽轮机转子中心孔进油一般都是由于中心孔端部的机电联轴器侧堵头上的排气孔未封严而导致的。这样在开机运行的时候，中心孔内部的空气由于受热会产生膨胀逸出中心孔，而当停机以后转子的温度降低，中心孔内空气温度也随之降低，体积缩小，此时外界的空气会通过联轴器间隙以及排气孔进入中心孔，而来自喷油管用来润滑盘车大齿轮的润滑油便可随空气一同进入中心孔。就这样，
12、每次停车都会有部分润滑油进入中心孔，次数越多积累的润滑油也就越多，只要润滑油没有充满中心孔，在汽轮机高速旋转时，油被甩到中心孔壁面上形成油膜。但是通常旋转的转子存在一定的挠度，这样转子的旋转中心与中心孔的几何中心存在一定的偏离，导致中心孔的油膜厚度不同，因此不同厚度的油膜与孔壁的热交换程度也不相同。这样转子在径向便产生了温差，引起转子热弯曲。当机组的有功负荷增加的时候，包括在暖机和升速过程中，热弯曲程度也会增加。振动情况会随着开机次数的增多而愈发显得明显。解决方法： 对转子中心孔探伤完毕时，内部探伤时的涂油一定要清理干净，并把堵头封好。在安装时应进行检查转子中心孔堵头上的排气孔是否与外界相通，
13、若发现有排气孔就应堵死。 有些转子中心孔进油是从转子前面吸入的，所以安装时还要检查调速器小轴是否存在进油的隐患6。3.4 摩擦振动摩擦对汽轮机影响最大的并不是它所产生的抖动和涡动现象，而主要是由于摩擦所产生的转子热变形。为什么摩擦可以导致热变形呢？这是因为在发生动静摩擦的时候，转子圆周上各点产生的摩擦程度不同，这样也就会产生不同的温升从而导致转子摩擦出一周的温度不同，因此也就由于受热不均转子发生弯曲，进而发生摩擦振动。要避免这类振动发生就要求运行中不断监视转子的运行状况，一旦发现问题要及时解决，以免产生剧烈的振动，影响机组的运行。3.5气流激振汽流激振具有两个主要特征：较大量值的低频分量的出现
14、和运行参数对振动的增大影响越来越明显。原因主要是冲击到叶片上的气体来流不均匀，导致叶片受力不均衡；而有些大型机组产生汽流激振的现象也有可能是由于末级叶片较长，蒸汽在叶片膨胀末端产生流道紊乱引起的10。要消除汽轮机组的激振现象不是一朝一夕可以做到的，首先要长期记录并分析机组振动的数据，当确定了产生汽流激振的工作状态的参数以后，采用减低负荷变化率和避开产生汽流激振的负荷范围的方式来避免汽流激振的产生。3.6 联轴器不对中或者螺栓断裂联轴器一般有三种不对中情况，即：角度不对中、平行不对中和综合不对中。它们的存在会导致转子连接处产生两倍频作用的剪切力和弯矩，以及相邻轴承将承受工频径向作用力9。无论是哪
15、种不对中情况发生都会使转轴受力情况改变，进而产生异常振动，对结构和安全产生不利影响。对汽轮机中低压联轴器螺栓断裂引起的振动，停机时应破坏真空紧急停机，以减少机组停机惰走时间，防止机组降速过临界转速时因碰磨振动引起转子永久弯曲。因此，预防此种故障的最主要措施就是在大修中保证机组的安装质量。3.7 润滑油温润滑油温在油膜的形成中有着至关重要的作用，必须控制温度在合理的范围内，过高或者过低都不能形成符合要求的油膜。3.8 轴封温度轴封的温度高低会影响轴承座的标高以及端部汽封部位的动静间隙。每个轴封的温度都不同，因此要根据运行状况合理调节轴封温度。3.9 不可忽视的汽轮机转子陀螺效应的影响陀螺效应是高
16、速旋转机械中，当转子的对称轴的方位改变时发生的一种物理现象。当转子的对称轴被迫在空间改变方位时，即对称轴被迫进动时，转子必对轴承作用一个附加力偶，这种现象就是陀螺效应。对于随船运动的船用汽轮机，不仅由于旋转轴的弯曲会引起陀螺效应，即使旋转轴不弯曲，船在水中航行时由于水对船的作用或其它运行设备的作用而引起船的振动，这种振动也使汽轮机产生陀螺效应2。特别是在恶劣海况时，船体的振动比较大，转子必然与船体一起振动，会产生较明显的陀螺效应。海况越恶劣，转子由于陀螺效应而产生的陀螺力矩就越大，转子对轴承的作用力也就越大。由于附加陀螺力矩的影响，陀螺效应引起转轴附加力过大可能使转轴折断或使轴承破坏。在这个过
17、程中，极易引起转子弯曲或者失衡，造成剧烈的振动。因此，在大质量、高转速船用汽轮机的设计与制造过程中就应考虑陀螺力矩的影响,在设计上尽量减轻转子的质量与体积， 在制造时，尽量保证转子的材质均匀；在装配时尽量减少误差，使质心与几何中心相一致； 在设计与制造时合理考虑转子的轴向间隙，以减小由干高温蒸汽作用下引起转子的热膨胀而造成转子的热弯曲；适当增加基座的弹性，以减小由于船的振动而引起的陀螺效应的影响。4 结论总之，引起汽轮机组异常振动的原因有很多，除了以上介绍的之外，还有润滑油温、轴封温度、机组真空和排汽缸温度等。我们在遇到汽轮机异常振动的情况时，一定要首先分析异常的原因，不要急于停机拆机，确认故
18、障点的情况，然后再制定相应的解决方案。许多情况需要维修人员根据以往积累的大量经验来判断。因此加强机组维护人员培训，提高维修人员业务素质及专业技能也是解决汽轮机故障的最佳途径。参考文献1轮机工程手册编委会. 轮机工程手册m，北京：人民交通出版社,1993,868-10712张鹏鹰.对船用汽轮机转子陀螺效应的分析j.科技咨询，2012（8）：81-833钱宇，郭玉杰.汽轮机联轴器断裂引起的不稳定振动现象j.热力透平,2011 40（2）:142-1454洛佳成，王佐仁，张秀坤.浅析汽轮机安装中几种振动原因及预防对策j.中国新技术新产品，2012（1）：1005曹振新.汽轮机转子中心孔进油引发振动机理分析j.科技创新导报，2011（26）：78-796施维新.汽轮发电机组振动及故障m.北京：中国电力出版社，1998
