汽輪發電機組振動原因分析及處理

劉勝華，王慧

（1.神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010；2.沈陽鼓風機集團測控技術有限公司，遼寧 沈陽 110869）

振動是衡量大型旋轉設備運轉狀態的重要指標，需要對其進行快速、精準的采集、分析和故障診斷。引起振動的原因極其復雜，不僅與設備前期的設計、制造、安裝有關聯，同時，與設備在運行中的工藝過程參數有著密不可分的連接。本文則主要以油膜渦動理論為依據，通過對神華包頭煤化工有限責任公司汽輪發電機組進行分析，得出了軸承的油膜失穩引起的機組振動異常的圖譜特征，給出了解決油膜渦動問題的切實可行的措施，為以后設備管理中遇到的同類問題提供參考。

1 機組概況

神華包頭煤化工有限責任公司熱電中心配置了4 臺480t/h 煤粉鍋爐、2 臺50MW 汽輪發電機組，2010 年投入運行。汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產的高壓、單缸、沖動、直接空冷、抽汽凝汽式汽輪機，型號為&=. 9.3/4.2。發電機為山東濟南發電設備廠，:; =系列三相交流兩極同步發電機，額定轉速及頻率為：3000r/min、50Hz或3600r/min、60Hz。額定電壓為：6.3kV、10.5kV（50Hz 時）或4.15kV、13.8kV（60Hz 時），發電機的勵磁方式為靜止可控硅勵磁，冷卻方式為：密閉循環式空氣冷卻（簡稱空冷式），轉子繞組為空內冷，其余為空外冷。

機組的軸系由汽輪機轉子、發電機轉子組成。汽輪機轉子采用整鍛加套裝葉輪結構，其中高中壓部分為整鍛，低壓部分后5 級為紅套結構，后端采用套裝的剛性聯軸器與發電機相聯，軸系結構和支撐狀況如圖1 所示。機組的安全監視系統（TSI）系統采用了本特利公司生產的3500 系統，配置了1#～4#軸承的軸振、瓦振探頭，其中，3#、4#瓦為橢圓瓦，落地軸承座，3#、4#瓦的軸振和瓦振探頭均安裝在軸承外側焊接的支架上，各支撐點排序及軸系結構圖如下。

圖1 軸系結構示意圖

2 振動分析

2.1 異常振動情況描述及相關工藝調整

汽輪發電機組于2018 年9 月至10 月進行了解體大修，大檢修后于10 月16 日開車并網帶負荷后，發現2#、3#、4#軸承處軸振與座振發生異常突升、突降現象，尤其是3#瓦X 方向的振動值高，最高達到194μm，設計要求報警值為

128μm，跳車值為256μm。機組帶負荷過程振動與負荷變化數據如表1 所示。2#、3#、4#軸承處軸振與座振同趨勢變化，其中，3X 軸振幅值及幅值變化量最大，1#軸承處軸振與座振變化不明顯。

表1 機組帶負荷過程振動突變前后振動數據

2.2 振動原因分析

（1）油膜渦動簡介。油膜渦動是由于滑動軸承中的油膜力的作用引起轉子運動失穩造成的，是以滑動軸承為支撐的轉子系統常見的一種轉子失穩現象。通過研究油膜力引起轉子失穩的運動機理，可以計算出轉子失穩轉速及轉子失穩的運動頻譜特性。當軸頸在軸瓦中轉動時，軸徑和軸承的間隙沿周向是不均勻的，潤滑油被軸頸帶動，順著軸頸的轉動方向從較寬的間隙流向較窄的間隙，從而形成油楔，可以對軸頸有托舉擠壓的作用，軸頸處于平衡位置。當潤滑油從較窄的間隙流向較寬的間隙，會出現空穴，對軸頸有負壓力，當軸頸受到外來擾動時，軸承油膜除了產生沿偏移方向的彈性恢復力以保持和外載荷平衡外，還要產生一垂直于偏移方向的切向失穩分力，這個失穩分力會驅動轉子作渦動運動。當切向分力大于阻尼力時，這種渦動是發散的，即不穩定的，此時，切向分力為F，L 為軸承寬度，R 為軸頸半徑，η 為潤滑油的動力黏性系數，C 為軸頸與軸承之間的間隙，Ω 為轉軸旋轉的角速度，ω 為轉軸渦動角速度，實際軸承的軸頸半徑R 和間隙C 的比值非常大，按照Sommerfeld 的理論推導，可得如下公式：

由式（1）可知，油膜引起的渦動頻率稍小于轉軸轉動角速度的一半，這種半頻渦動稱為油膜渦動。

（2）異常振動分析。振動異常通道GAP 電壓為-8.85V,趨勢平穩，進而判斷傳感器系統無異常，該異常信號為振值機組振動信號，非儀表失效。圖2 所示為測點3 軸X 的振動趨勢，圖3 所示為測點3 軸X、Y 的頻譜，圖4 所示為測點3軸的軸心軌跡。

圖2 振動趨勢圖

圖3 振動波形和頻譜圖

圖4 軸心軌跡圖

從振動異常圖譜看，時域波形圖發生畸變，表現為不規則的周期信號，在工頻的波形上疊加了幅度很大的低頻信號，除工頻外，低頻成分較多，在0.38X 附近積聚了較高能量，占主導成分，且遠遠高于轉子工作頻率。另外，3 軸的渦動方向與轉子轉動的方向相同，為同步正進動，渦動的軌跡圖形比較混亂，呈現為雙環橢圓形或蜂窩狀特征。綜合以上異常振動的特征，分析機組發生油膜渦動。

3 采取的措施

3.1 理論依據

3.2 處理措施

（1）改變潤滑油的黏度。軸瓦的油膜厚度與軸頸線速度、潤滑油黏度、軸承間隙、軸承負載等有關。潤滑油的黏度越大，軸頸在旋轉時所帶動的油分子就越多，油層較厚，軸頸就較容易失穩。為了減少軸頸上浮的偏心角，可以改變潤滑油的標號和提高軸瓦進口油溫的來降低黏度。進油溫由40 ～41℃調整到最高44℃，3#、4#瓦的振動值有所降低。也通過降低油溫的手段進行了嘗試，進油溫度從40 ～41℃降低至36℃，振動值也有所降低，這是因為油溫降低了，油的黏度增加，油的阻尼增加，阻尼增加，抑制的油膜渦動的發生。在實際工程中，提高油溫和降低油溫兩種方法都可以嘗試，它們對降低油膜渦動產生的振動機理不一樣，根據每個實際情況而選擇。

（2）提高供油壓力。對于一個已發生油膜渦動的轉子，相應地提高供油壓力，會對轉子振動有一定的抑制作用。提高進油壓力，當軸頸上部增大壓力，一方面，可以改變力的分布；另一方面，相當于對轉子有一個向下壓的控制力，因而起到約束轉子振動的作用。進油壓力從0.105MPa 提高到0.11MPa，3#、4#瓦的振動值也有所降低。

（3）檢修措施。機組在線運行過程中，采取了一系列有效的措施降低轉子振動，但均沒有從根本上解決該問題，該問題于2019 年3 月20 日停機檢修后徹底解決。檢修中，對3#、4#瓦進行了檢查和測量，3#、4#軸頸無磨損，軸瓦無裂紋、無脫胎，下軸瓦無磨損，烏金接觸約75%，上軸瓦有輕微磨損，刮瓦修復。對3#的頂隙和瓦背緊力進行了調整，減小了頂隙，增加了瓦背緊力具體見表2。

表2 檢修數據

通過檢修調整后，汽輪發電機組各軸瓦的振動值恢復到了正常，再沒有發生油膜渦動現象。

4 結語

大型機組運行時發生油膜渦動時，盡管振幅比較小，對軸承潤滑和轉子運行影響不大，但是，此時，轉子－軸承系統已經開始有失穩的傾向，長時間運行容易造成零部件的松動和疲勞等故障。而一旦發生油膜渦動故障，很有可能發展為振蕩類故障，其危害極大，往往在非常短的時間內就能毀掉轉子和軸承。對軸瓦失穩，首先，從儀表判斷是否儀表故障，其次，從工藝的因素再找原因，理想狀態下，可以通過工藝參數的調整，消除油膜渦動。最后，當工藝措施無法消除后，可以通過停機檢修解決該問題。可以根據現場具體條件、軸瓦失穩的嚴重程度、軸瓦的形式、軸瓦的相關穩定性參數、軸頸振動值等因素。除了軸承本身固有特性會引起油膜振蕩之外，轉子系統中工作流體的激振、密封中流體的激振、軸材料內摩擦等原因也會使軸承油膜失穩。此外，聯軸器不對中、軸承與軸頸不對中、工作流體對轉子周向作用力不平衡等，都有可能改變各軸承的載荷分配，使本來可以穩定工作的軸承油膜變得不穩定，因此，需要從多方面尋找引起油膜失穩的原因，并針對具體原因采取相應對策。