汽輪機低頻振動原因分析及處理

楊曉鋒，吳宗健

（杭州中能汽輪動力有限公司，浙江杭州 310018）

1 汽輪機組低頻振動

某汽輪機組為驅動壓縮機用凝汽式汽輪機，額定轉速12 000 r/min，前、后徑向軸承為5 瓦可傾瓦軸承，布置方式為下部2 塊瓦、上部3 塊瓦。按照API 612—2020《石油、化工和天然氣工業用 特種用途汽輪機》，在最高連續轉速范圍內，該機組前、后軸承處的軸振幅應在25 μm 以下。但該機組在單機試車時，還未到達額定轉速，前軸承處軸振幅就已超標，經歷幾次降速沖轉，振動均未能達標。具體表現為：機組剛啟動時，前軸承處軸振幅為7 μm 左右；之后隨轉速增加振動平穩上升，在轉速升到9000 r/min 左右時，振幅達到20 μm；隨轉速繼續上升，振幅繼續增大且開始大幅波動，到11 889 r/min 時，振幅最高達到37 μm，隨后降速停機（圖1）。對應頻譜圖顯示，9000 r/min 之前，振動頻率主要為工頻，即轉子工作頻率，是由轉子本身剩余不平衡量引起的振動；9000 r/min 后，振動頻率中出現較明顯的低頻成分，稍低于0.5 倍工作頻率，振幅在5 μm 左右（圖2）；隨著轉速繼續上升，低頻振幅不斷增大，到11 889 r/min 時，低頻振幅已經超過工頻振幅，成為振動頻率的主要成分（圖3）。

圖1 前軸承處軸振趨勢

圖2 9000 r/min 時前軸承處軸振頻譜

圖3 11 889 r/min 時前軸承處軸振頻譜

為消除上述振動故障，進行了如下試驗：

（1）潤滑油溫試驗。將潤滑油進油溫度由38 ℃升高到42 ℃，前軸承處最大軸振下降到29 μm 左右，且轉速上升到9500 r/min后，才出現低頻振動分量，繼續升速時不穩定波動的幅度有所降低。

（2）潤滑油壓試驗。將潤滑油進油壓力由0.1 MPa 提高到0.13 MPa，前軸承處軸振稍有下降，降低幅度在3～5 μm。

2 汽輪機低頻振動的原因分析

2.1 振動特征及原因分析[1～3]

結合故障表象和相關振動數據，可以發現振動有如下特征：①振動頻率與工作頻率不同，主要為接近于0.5 倍頻的低頻分量；②振動趨勢呈不穩定波動狀態，且波動的振幅值較大，轉速低于9000 r/min 時，振動以工頻分量為主，高于9000 r/min后，開始出現低頻振動，且時隱時現，隨著轉速升高，直至超過工頻振動成為主要振動頻率；③振動對潤滑油狀態的變化比較敏感，潤滑油溫和油壓升高后，振動狀況有所好轉。

綜合以上振動特征分析，該機組前軸承處軸振增大及持續不穩定波動的原因，是軸承油膜失穩引起了轉子的自激振動。

2.2 油膜失穩機理[4～5]

轉軸在軸承內以一定轉速旋轉時，如果不存在外界擾動力，軸頸中心將在其靜平衡位置上穩定運轉。當有外界擾動力作用在轉軸上時，軸頸中心可能會偏離其靜平衡位置，在油膜交叉剛度的作用下，會產生徑向彈性力和切向力。徑向力的方向與軸頸偏離的方向相反，會推動軸頸中心回到靜平衡位置，切向力的方向則與軸頸偏離的方向垂直，會推動轉子沿著垂直于偏移的方向運動。如果切向力的大小超過了系統本身的阻尼力，就會引起轉軸的渦動，開始渦動后，轉軸所受的離心力就會增大，軸頸中心偏離的距離也隨之增大，所產生的切向力也更大，進一步推動轉軸渦動，形成自激振動。

大多數油膜失穩故障發生在機組升速和超速試驗過程中，當機組轉速升到某一值時，轉軸開始渦動，渦動的頻率稍低于轉動頻率的0.5 倍，開始渦動的這個轉速稱為失穩轉速。這時，轉軸處于自激振動的起始階段，隨后機組轉速繼續升高，轉軸渦動頻率也隨之升高，但始終維持在稍低于轉動頻率的0.5 倍。油膜渦動時的轉軸振幅一般較低，當轉速升高到臨界轉速附近時，由于共振的放大作用，轉軸振幅會增大，此時油膜渦動會消失，越過臨界轉速后，油膜渦動又重新出現。當轉速升高到大于2 倍臨界轉速后，渦動頻率與轉軸固有頻率重合，產生共振，振動幅值會急劇增大，油膜渦動發展成為油膜振蕩，轉軸處于自激振動的后期階段。

油膜振蕩有如下特點：①油膜渦動時，振動頻率主要為工頻，發展成為油膜振蕩后，工頻振動會減小，低頻振動會急劇增大，甚至超過工頻振動，成為主要振動頻率；②振動幅值很大，且具有突發性，接近油膜振蕩時，低頻振動會出現不穩定波動的趨勢，振幅忽高忽低，一旦出現油膜振蕩，振幅會在非常短的時間內劇增；③油膜振蕩是由于油膜渦動頻率與轉軸一階固有頻率重合導致的，因此只有當轉速超過轉子一階臨界轉速的2 倍后，才有可能發生油膜振蕩；④油膜振蕩與軸承內潤滑油的流動狀態有關，潤滑油的溫度和壓力、軸承型式、軸承頂隙和側隙、載荷等都會對油膜振蕩產生不同程度的影響；⑤油膜振蕩故障大多發生在升速階段，尤其是超速試驗過程中。

2.3 消除油膜失穩的方法[6～7]

消除油膜失穩故障，一般可從減小外界擾動和提高軸承穩定性這兩個方面入手。

（1）減小外界擾動。在機組升速過程中，當存在外界擾動時，轉子可能會提前失穩，即在到達失穩轉速之前，轉子就開始渦動。對于旋轉機械而言，大軸晃度、軸端瓢偏、轉軸振動、軸頸橢圓度、轉軸彎曲等都是重要的外界擾動因素，有可能引起轉軸的自激振動，需盡量減小這些因素的影響。

（2）提高軸承穩定性。主要是通過采取各種措施，來增大軸頸相對于軸承中心的偏心率，運轉時的軸頸偏心率越大，軸承的穩定性就越好。這些措施包括：①采用穩定性更好的軸承；②減小軸承頂隙、增大軸承側隙，提高軸承預負荷，減小頂隙可以通過修刮軸承中分面來實現，增大側隙可以采用修刮進、出口油囊的方法；③減小軸承寬徑比，增大軸承比壓；④取消上半軸瓦的環向油槽；⑤提高潤滑油供油溫度或更換黏度較低的潤滑油。

3 處理措施及效果

3.1 高速動平衡

轉軸的不平衡振動是該機組最主要的外部擾動因素，減小軸振動可有助于消除故障。在該機組停機冷卻后，將轉子拆出，在高速動平衡設備上再次進行高速動平衡，進一步降低剩余不平衡量，減小轉軸的不平衡振動。

3.2 減小軸承頂隙

可傾瓦軸承包含有多個瓦塊，每個瓦塊都可以繞其支點擺動，機組運行時，每個瓦塊都能根據軸頸的運動狀態而自由調整位置，形成最合適的油楔，以適應轉速、機組負荷等的變化。由于在穩定運轉時，可傾瓦軸承中每塊瓦的油膜力都會通過軸頸中心，因此不會產生切向失穩力，是目前公認的穩定性最好的軸承。穩定性最好并不代表永遠不會失穩，其穩定性與軸承安裝狀態、軸承間隙大小等有很大關系，軸承頂隙較大，承載較輕時，可傾瓦軸承的油膜阻尼較小，抵抗外界擾動的能力較差，容易引起失穩[8]。相反，當可傾瓦軸承的頂隙較小時，上瓦的油膜力較大，轉子相對靜平衡位置的偏移量較小，轉子—軸承系統的穩定性較好[9]。因此，通過修磨軸承中分面來減小該機組軸承的頂隙，以提高穩定性。

3.3 處理后效果

經過高速動平衡、減小軸承頂隙后，該機組按規定流程重新暖機啟動，在整個升速期間、穩定運行及超速試驗階段，機組的振動數據良好，通頻振幅在15 μm 左右，主要振動頻率為工頻，低頻振動基本消失，也未出現振幅波動現象，振動問題得以解決（圖4）。

圖4 處理后前軸承處軸振趨勢

4 結論

（1）該機組發生不穩定低頻振動的原因是油膜失穩。可傾瓦軸承的穩定性最好，但并非絕對穩定，軸承間隙和載荷都會影響軸承的穩定性。

（2）降低軸振動可減小外界擾動因素，有利于提高穩定性，機組在安裝、檢修時應將外界擾動因素降至最小。

（3）減小軸承頂隙可提高穩定性，該機組減小軸承頂隙后振動指標達到優秀水平。

該機組的振動故障原因分析及處理過程，可為同類型機組的設計和運行，提供相應參考。