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摘　要：介绍安装在容量为25～660MW发电机组轴系不同轴向位置上的浮动和接触密封对振动影响的测试结果，分析产生振动的机理及特征，提出诊断方法和防治对策，并对发电机转子密封瓦产生碰磨振动具备的条件作了论证。

1　前言

密封瓦作为浮动密封使用在氢冷发电机转子上已有60多年的历史。近十几年来国内在汽轮发电机轴系上较广泛地采用浮动和接触式油挡及风挡，这些密封装置却引起了轴系震动，运行中振动突然升高到报警值甚至跳闸值，直接威胁机组的安全运行，大容量发电机密封瓦碰磨引起的振动及轴振快速爬升引起的跳机。本文现场实测了安装在容量为25～660MW轴系不同轴向位置上的浮动和接触式密封装置对轴系振动产生了程度不同的影响，影响程度和振动特征比一般的转轴碰磨振动要复杂。一般转轴碰磨振动已有较深入研究，现场实用的诊断方法已较为成熟，但应用这些成熟的诊断方法，还不能准确而有效地查明这些密封装置引起的振动故障。通过测试结果，分析了振动机理，提出浮动与接触式密封引起轴系振动故障的诊断方法和防治对策，为认识这些密封装置对轴系振动影响和合理的选用，提供了实验依据和量值概念。

2　浮动和接触式密封对轴系振动影响的概述

转轴与静止部件碰磨，这里称为一般转轴碰磨，是由于转轴振动、晃度（弯曲），使转轴径向不对称受热引起热弯曲，主要造成不平衡振动，这是目前大多数人都认识到的事实。但浮动和接触密封引起的振动还没有被认同，这是由于浮动环与转轴不直接发生摩擦，或虽然接触，但本身自带润滑，材料很软，直观认为不会引起明显振动，且这种密封装置引起的振动带有较大的随机性，解体检查，不像一般转轴碰磨那样可直观见到明显的故障点，

所以认识和诊断这些密封装置引起振动有较大的难度。现介绍目前国内采用的各种形式浮动和接触式密封对轴系振动的影响。

1.1密封瓦

密封瓦与乌金相似，功能是密封氢气,所以称之为密封瓦，实际是浮动密封的一种。在以往的长期使用中，并没有出现使人关注的振动问题。从石横电厂1～3号机组（上海电机厂引进型330MW）和沙角C厂1～3号机组（法国阿尔斯通660MW）试运中，发电机转子振动出现快速爬升和振动周期性波动现象后，密封瓦碰磨产生的振动在国内才引起关注。

1.2浮动油挡

20世纪90年代初，国内的浮动油挡首先在中小机组上使用，替代传统的齿式油挡，其结构与密封瓦相同，材质是石墨和聚氟乙烯压制（或铝和石墨浇铸）。前者使用在温度较低的励磁机、发电机、低压转子的轴瓦上，后者使用在温度较高的高、中压转子的轴瓦上。目前大多作为轴瓦外油挡，这种浮动油挡使用以来，对轴系振动的影响一直未引起关注。由于具有良好的密封效果，受到现场欢迎，自20世纪90年代中期，逐渐在大机组上应用，而且从轴瓦外油挡扩展到发电机密封瓦内油挡。随着浮动油挡的广泛使用，引起轴系振动日益增多，运行中振动突然增大至报警值跳闸值时有发生。

1.3接触式油挡和风挡

这种油挡和风挡是与转轴直接接触的。按接触材料种类划分为下列3种。

1.3.1石墨和聚氟乙烯接触油挡

自浮动油挡使用以来，为进一步改善密封效果，制造厂近几年来新推出的一种密封装置。为减小摩擦发热量，与轴接触部分车有2～3道齿，与转轴接触压力设计要求为0.03Mpa。经多台机组振动测试结果分析表明，这种接触式油挡对机组振动产生显著影响，如湖南金竹山电厂6号机（上海汽轮机厂125MW），大修中在2号瓦处安装了零重力接触油挡，在带负荷过程中，2～4号瓦振动值多次升高，最高达80μm，不得不停机，揭低压缸检查，未发现问题，把接触油挡拆除后，振动消除。

1.3.2毛毡条接触油挡和风挡

早期在中小机组上，为改善密封效果，在发电机端盖风挡和轴瓦式油挡的齿间加装毛毡条，由于毛毡条与转轴直接接触，所以称它为接触式油挡、风挡。经多台机组振动测试得知，这种接触式油挡和风挡对轴系振动的影响主要决定于毛毡条与转轴间的压力，其压力愈大，而且当压力过高时，还会限制轴颈上浮，造成乌金回油温度升高和烧瓦。

1.3.3聚氟乙烯接触风挡

为减小发电机端部漏风（氢），在端部与转轴处加装聚氟乙烯密封齿条，这种密封装置目前在大机组上较广泛采用。这种接触式风挡对轴系振动的影响，主要决定于转动状态下聚氟乙烯齿条与转轴间的压力，当其压力过大时，

将使轴系产生显著振动。如一台引进型300MW发电机，在一次小修中加装了密封齿条，静态下与转轴间的四周间隙均为0.05～0.10mm，小修后启动转速升至2040r/min不到5min，5、6号瓦垂直振动爬升至200μm、150μm，很快又升至300μm、210μm，打闸停机，发现6号瓦处密封齿条已软化变形。另有一台25MW机组，大修后启动，2～4号瓦振动大，不得不调整发电机转子平衡，历时2周，启动50多次，平衡未取得效果。后经同行分析、指点，将大修中发电机两端填装的聚氟乙烯密封齿条拆除后，发电机转子只经2次加重，机组各瓦振动即达到良好水平。

3　浮动和接触式密封引起轴系振动机理及特征

不论是浮动还是接触式密封，引起轴系振动的机理，都属于转轴碰磨，使其直径方向受热不均引起热弯曲，其振动特征主要表现为旋转性不平衡振动，具体引起的碰磨故障，转子受热不均特征，与密封装置的结构有直接关系。从这些密封装置对轴系产生的振动的测试结果看，其故障原因、振动机理及特征可归纳为以下几种类型。

1.密封瓦引起的振动

1.1故障原因及振动机理

密封瓦与转轴碰磨引起振动，经过近10多年的大量现场振动测试、分析研究，目前已查明，与一般浮动密封不同，这种密封装置在轴系中产生振动必须同时具备下列2个条件。

1）安装密封瓦的轴段不平衡响应很高。据现场大量振动测试、统计得知，当轴系不平衡响应值较正常值高3～5倍以上时，密封瓦与转轴碰磨对轴系振动才产生显著影响。能使轴系产生如此高的不平衡响应，只有发电机转子二阶临界转速在工作转速以下的三支撑轴系，或大容量发电机转子外伸长度和质量较大时，即中小机组励磁机/发电机三支撑轴系和大机组励磁机/发电机轴系四支撑。具备上述结构特点的励磁机/发电机轴系，目前国内只有2中机型，一是广东沙角C厂的1～3号机组；二是上海电机厂生产的引进型300MW机组（改进前后均如此）。前者发电机转子二阶临界转速为2480r/min，励磁机没有轴承，与发电机转子刚性连接，呈悬臂结构（外伸长度和质量太大），励磁机转子有1个密封瓦，发电机转子有2个密封瓦，后者发电机转子二阶临界转速为2250r/min，励磁机转子没有密封瓦。

2）密封瓦卡涩。正常工作的密封瓦的密封环与转轴间形成良好的油膜，由此可显著减小摩擦发热量，但由于密封瓦内外侧存在较大的压差（0.25～0.40MPa），使密封瓦紧贴密封瓦壳体，特别是双流、双环的密封瓦，密封环除承受静子内外压差的作用力外，还承受密封油将2个环压向壳体的作用力，由此进一步增大了环与壳体间的摩擦力，造成浮动环的卡涩，使环不能在转轴上自由浮动，形成半干摩擦，转轴产生不均匀受热，引起热弯曲。这种热弯曲产生的不平衡量，对于响应正常的轴系，不会引起明显振动，但对于响应值很高的轴系，将会产生显著的不平衡振动。沙角C厂的1～3号机组消除密封瓦（双流、双环）碰磨振动，经多个方案试验和论证，最后采用对密封环的壳体加装顶轴油的方法，减小密封环与壳体之间摩擦力，获得良好的消振效果。由这3台机的消振效果证明，在不改变轴系不平衡响应值很高的前提下，只要消除密封瓦卡涩，也能消除密封瓦碰磨振动。由此可进一步证明，密封瓦引起的碰磨振动必须同时具备该轴段响应过高和密封瓦卡涩2个条件。

1.2振动特征

密封瓦与转轴碰磨，引起热弯曲，产生不平衡，由于滞后角的存在，使转子呈现的不平衡不断后退（反转），这是转子形成旋转性不平衡的原因。经多年现场振动测试观察：密封瓦碰磨引起振动的主要特征可归纳为以下2种类型。

1）振动周期性波动。

2）迅速爬升。

4　浮动油挡引起的振动

浮动油挡与密封瓦结构十分相似，上述分析已指出，密封瓦产生碰磨振动必须同时具备该轴段不平衡响应很高和密封瓦存在卡涩2个条件，但浮动油挡产生碰磨振动只要一个条件即可，下面列举现场实测结果，具体讨论浮动油挡碰磨产生振动的特征、故障原因和机理。

1.故障原因及机理

由大量现场振动测试可知，浮动油档碰磨振动可在任何型式轴系、不同轴向位置上产生显著振动。造成这种现象的原因、机理为：

1）浮动环与转轴间存在干摩擦。目前现场使用的浮动油挡绝大部分是作为轴瓦外油挡或密封瓦的内油挡，在正常运行中，这些部位绝大多数情况下只存在极少量的漏油，其漏油量远不能满足浮动环与转轴间形成正常油膜的需要，因此这些浮动油挡在运行中浮动环无法浮起，实际处在干摩擦的状态。尽管按浮动环的原设计要求，是具有自润滑和材料软的特点，但大量现场振动测试证明，这种干摩擦将使转轴形成明显的不均匀受热，引起热弯曲，由于浮动环具有耐磨性，因此这种碰磨振动可在很长时间内持续发生。

2）安装不当。为获得良好的密封效果，往往将径向间隙设计得很小，过小的径向和轴向间隙会引起环的卡涩；过大的轴向间隙使环失去导向和定位作用，使环在轴上发生歪斜（不垂直）引起卡涩。

3）结构不当。现场使用的有些浮动油挡，只有下半部分装有限位壳体，上半部分可自由地轴向摆动，在径向间隙不是十分大的情况下，浮动环显然会发生轴向歪斜而卡涩。

4）材料不过关。目前绝大多数浮动油挡，特别是高中压转子轴瓦上的浮动油挡，只经几个或十几个小时的运行，停机检查即可发现浮动环已产生明显的变形和裂纹，因此在运行中，原设计间隙无法保证，浮动环的卡涩在所难免。

5）环与壳体摩擦阻力不可忽视。虽然作用在环上内外压差引起轴向力不大，但由于环与壳体间无润滑油，因此环与壳体间摩擦阻力不可忽视，在动态下这一阻力限制环与转轴灵活移动，尤其是当壳体表面加工不光滑时，移动阻力更明显，环与转轴加重碰磨。

2.振动特征

浮动油挡引起的振动，从特征上较密封瓦和一般转轴碰磨振动都要复杂，其难点是振动缓慢长时间爬升和变化规律的随机性，直观难于理解。从目前现场已测试和观察到的振动现象，归纳有以下几种类型：

1）运行中轴振（瓦振）迅速爬升，然后逐渐减小。

2）振动缓慢爬升。

3）轴系平衡无端恶化。

4）临界转速下振动无大的变化。

5　接触式油挡、风挡引起的振动

由石墨和聚氟乙烯复合材料、毛毡条、聚氟乙烯等材料构成的接触式油挡和风挡所产生的振动机理特征非常相似，而且在任何轴系均可产生明显振动。

1.故障原因及机理

这些密封材料虽然软，但都很耐磨，所以当它与转轴间接触压力较高，转轴旋转时，摩擦发热量较大。由于转轴存在弯曲、晃度、振动等原因，会造成转轴不均匀加热引起热弯曲，产生不平衡振动。由于密封材料与转轴间压力不同，将产生不同的振动特征。

2.振动特征

从目前已检测到的振动现象归纳，其振动主要特征与浮动密封引起振动十分相似，振动爬升幅值和轴系平衡恶化程度，主要由密封件与转子间的压力决定，严重时几分钟内可引起跳机，而且降速时，转子一阶临界转速下振动明显增大，这是由于降速过程中碰磨虽有所减轻但仍未消失。

6　振动故障诊断及防治

为对浮动和接触式密封振动故障进行诊断，介绍了密封瓦、浮动油挡和接触式密封引起振动的主要特征。尽管这些密封装置产生振动的机理均属于转轴碰磨产生热弯曲，引起不平衡振动，但就其振动特征看，与一般的转轴碰磨振动尚有明显不同，再结合轴系中是否安装了这些密封装置，由此可对故障原因作出明确诊断。

1.振动故障原因诊断

为获得可靠、严密的诊断，对这些密封装置引起的振动故障进行诊断时应注意以下几点。

1.1振动性质是普通强迫振动

由于这些密封装置产生振动的机理均是由转轴碰磨引起热弯曲，产生的是不平衡振动，振动基频分量占95%以上，因此从振动性质上属普通强迫振动，因此首先可排除运行中突发的轴瓦自激振动。

1.2区分一般转轴碰磨振动

转轴碰磨振动较为常见，尤其是汽轮机转子，一般转轴碰磨振动。早期振动存在不规则波动；而在中后期，由于转子热弯曲急遽增大，振动不可能形成规则的周期性波动，出现振动缓慢爬升且轴系平衡无端恶化的现象，因此需区分的是基频振动迅速爬升，因为浮动、接触密封和一般转轴碰磨振动均可产生这种振动现象。工作转速下，一般转轴碰磨振动主要发生在低压转子上，高、中压转子很少发生。

1.3密封瓦碰磨振动只能在响应很高的轴系上发生

由于密封瓦具有良好的润滑，长期现场运行经验证明，只有当不平衡响应较正常值高3～5倍以上时，方可产生明显的碰磨振动。

1.4排除转动部件飞脱引起的振动

由于这些密封装置引起的振动往往在机组正常运行时突然发生，它与转动部件损坏飞脱引起的振动较相似。这2种振动主要区别有：（1）转动部件飞脱引起的振动是真正严格意义上的突然发生，时滞很小（0.1s内），而密封装置引起的振动有较大的时滞，时滞达20～40min。（2）转动部件飞脱引起的振动绝大多数是一次性的，而密封件引起的碰磨振动会频繁发生。

1.5振动出现和密封装置使用历史的相关性

机组振动发生与这些密封装置使用时间是否直接相关。如无直接关系，即可排除密封装置引起的振动；如有关系，还需根据振动频谱（振动性质）和振动与时间的关系曲线作出肯定的诊断。

2.防治对策

由大量现场振动测试表明，浮动和接触式密封对轴系振动产生了不可忽视的影响，但这些密封装置具有良好的密封效果，目前还不能全盘否定，尤其是发电机密封瓦，因此有必要进一步讨论如何减小这些密封装置对轴系振动的影响。

据近十几年对这些密封装置消振经验的总结，其防治对策可归纳为以下几点：

1）不平衡响应高的轴系尽可能不要采用浮动和接触式密封。对于发电机和励磁机密封瓦，若经诊断明确振动故障是由密封瓦碰磨引起，可采用加装顶轴油的方法，减小浮动环与壳体之间的摩擦力，消除碰磨振动。

2）使用聚氟乙烯和毛毡条为材料的接触式密封，应保持在转动状态下密封件与转轴间压力不能过高，最好有0.05～0.10mm的间隙，为此在静态下，上部应预留0.25～0.35mm的间隙。（3）选用结构合理、加工精细、材料过关的浮动油挡。安装时，应保持合理的径向和轴向间隙，宁可将径向间隙适当放大，牺牲密封效果，也不要将径向间隙调小，引起振动。

4）根据具有良好润滑的密封瓦引起的碰磨振动只能发生在不平衡响应很高的轴系，对浮动油挡可采用外接润滑油的方法，消除浮动环与转轴之间的干摩擦，减小浮动油挡碰磨对轴系振动的影响。据广东韶关电厂8号机组的使用经 验，经多次振动测试结果证明，运行中轴振、瓦振波动很小，没有发生二次漏油污染。

5）建议密封装置的制造单位应配备振动水平较高的专业人员，对这些密封装置如何减小对轴系振动的影响进行认真、深入地研究。

7　结论

由安装在容量为25～660MW机组轴系不同轴向位置上浮动和接触式密封装置对轴系振动影响测试结果和长期使用的经验总结，可得到以下结论：

1）发电机转子上的密封瓦引起碰磨振动，必须同时具备该轴段的不平衡响应过高和密封瓦卡涩2个条件。

2）浮动和接触式油挡、风挡，对于轴系不平衡响应正常的轴系也会产生显著振动。这些密封装置引起振动的故障原因主要是密封环与转轴之间存在干摩擦；其次是设计、制造、安装尚待改进。

3）不平衡响应很高的轴系，尽量不要采用浮动和接触式密封装置。

来源：《中国电力》