汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因分析及處理

劉勝華，王慧

（1.神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)測控技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

振動(dòng)是衡量大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的重要指標(biāo)，需要對其進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的采集、分析和故障診斷。引起振動(dòng)的原因極其復(fù)雜，不僅與設(shè)備前期的設(shè)計(jì)、制造、安裝有關(guān)聯(lián)，同時(shí)，與設(shè)備在運(yùn)行中的工藝過程參數(shù)有著密不可分的連接。本文則主要以油膜渦動(dòng)理論為依據(jù)，通過對神華包頭煤化工有限責(zé)任公司汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分析，得出了軸承的油膜失穩(wěn)引起的機(jī)組振動(dòng)異常的圖譜特征，給出了解決油膜渦動(dòng)問題的切實(shí)可行的措施，為以后設(shè)備管理中遇到的同類問題提供參考。

1 機(jī)組概況

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

機(jī)組的軸系由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子采用整鍛加套裝葉輪結(jié)構(gòu)，其中高中壓部分為整鍛，低壓部分后5 級為紅套結(jié)構(gòu)，后端采用套裝的剛性聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)相聯(lián)，軸系結(jié)構(gòu)和支撐狀況如圖1 所示。機(jī)組的安全監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）系統(tǒng)采用了本特利公司生產(chǎn)的3500 系統(tǒng)，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(cè)焊接的支架上，各支撐點(diǎn)排序及軸系結(jié)構(gòu)圖如下。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動(dòng)分析

2.1 異常振動(dòng)情況描述及相關(guān)工藝調(diào)整

汽輪發(fā)電機(jī)組于2018 年9 月至10 月進(jìn)行了解體大修，大檢修后于10 月16 日開車并網(wǎng)帶負(fù)荷后，發(fā)現(xiàn)2#、3#、4#軸承處軸振與座振發(fā)生異常突升、突降現(xiàn)象，尤其是3#瓦X 方向的振動(dòng)值高，最高達(dá)到194μm，設(shè)計(jì)要求報(bào)警值為

128μm，跳車值為256μm。機(jī)組帶負(fù)荷過程振動(dòng)與負(fù)荷變化數(shù)據(jù)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(jī)組帶負(fù)荷過程振動(dòng)突變前后振動(dòng)數(shù)據(jù)

2.2 振動(dòng)原因分析

（1）油膜渦動(dòng)簡介。油膜渦動(dòng)是由于滑動(dòng)軸承中的油膜力的作用引起轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)造成的，是以滑動(dòng)軸承為支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見的一種轉(zhuǎn)子失穩(wěn)現(xiàn)象。通過研究油膜力引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子失穩(wěn)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)頻譜特性。當(dāng)軸頸在軸瓦中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸徑和軸承的間隙沿周向是不均勻的，潤滑油被軸頸帶動(dòng)，順著軸頸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)潤滑油從較窄的間隙流向較寬的間隙，會(huì)出現(xiàn)空穴，對軸頸有負(fù)壓力，當(dāng)軸頸受到外來擾動(dòng)時(shí)，軸承油膜除了產(chǎn)生沿偏移方向的彈性恢復(fù)力以保持和外載荷平衡外，還要產(chǎn)生一垂直于偏移方向的切向失穩(wěn)分力，這個(gè)失穩(wěn)分力會(huì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子作渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)切向分力大于阻尼力時(shí)，這種渦動(dòng)是發(fā)散的，即不穩(wěn)定的，此時(shí)，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(dòng)力黏性系數(shù)，C 為軸頸與軸承之間的間隙，Ω 為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角速度，ω 為轉(zhuǎn)軸渦動(dòng)角速度，實(shí)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(dǎo)，可得如下公式：

由式（1）可知，油膜引起的渦動(dòng)頻率稍小于轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的一半，這種半頻渦動(dòng)稱為油膜渦動(dòng)。

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

圖2 振動(dòng)趨勢圖

圖3 振動(dòng)波形和頻譜圖

圖4 軸心軌跡圖

從振動(dòng)異常圖譜看，時(shí)域波形圖發(fā)生畸變，表現(xiàn)為不規(guī)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(dǎo)成分，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子工作頻率。另外，3 軸的渦動(dòng)方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，為同步正進(jìn)動(dòng)，渦動(dòng)的軌跡圖形比較混亂，呈現(xiàn)為雙環(huán)橢圓形或蜂窩狀特征。綜合以上異常振動(dòng)的特征，分析機(jī)組發(fā)生油膜渦動(dòng)。

3 采取的措施

3.1 理論依據(jù)

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(fù)載等有關(guān)。潤滑油的黏度越大，軸頸在旋轉(zhuǎn)時(shí)所帶動(dòng)的油分子就越多，油層較厚，軸頸就較容易失穩(wěn)。為了減少軸頸上浮的偏心角，可以改變潤滑油的標(biāo)號和提高軸瓦進(jìn)口油溫的來降低黏度。進(jìn)油溫由40 ～41℃調(diào)整到最高44℃，3#、4#瓦的振動(dòng)值有所降低。也通過降低油溫的手段進(jìn)行了嘗試，進(jìn)油溫度從40 ～41℃降低至36℃，振動(dòng)值也有所降低，這是因?yàn)橛蜏亟档土?，油的黏度增加，油的阻尼增加，阻尼增加，抑制的油膜渦動(dòng)的發(fā)生。在實(shí)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(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)機(jī)理不一樣，根據(jù)每個(gè)實(shí)際情況而選擇。

（2）提高供油壓力。對于一個(gè)已發(fā)生油膜渦動(dòng)的轉(zhuǎn)子，相應(yīng)地提高供油壓力，會(huì)對轉(zhuǎn)子振動(dòng)有一定的抑制作用。提高進(jìn)油壓力，當(dāng)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(dāng)于對轉(zhuǎn)子有一個(gè)向下壓的控制力，因而起到約束轉(zhuǎn)子振動(dòng)的作用。進(jìn)油壓力從0.105MPa 提高到0.11MPa，3#、4#瓦的振動(dòng)值也有所降低。

（3）檢修措施。機(jī)組在線運(yùn)行過程中，采取了一系列有效的措施降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)，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(jī)檢修后徹底解決。檢修中，對3#、4#瓦進(jìn)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(fù)。對3#的頂隙和瓦背緊力進(jìn)行了調(diào)整，減小了頂隙，增加了瓦背緊力具體見表2。

表2 檢修數(shù)據(jù)

通過檢修調(diào)整后，汽輪發(fā)電機(jī)組各軸瓦的振動(dòng)值恢復(fù)到了正常，再?zèng)]有發(fā)生油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié)語

大型機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生油膜渦動(dòng)時(shí)，盡管振幅比較小，對軸承潤滑和轉(zhuǎn)子運(yùn)行影響不大，但是，此時(shí)，轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)已經(jīng)開始有失穩(wěn)的傾向，長時(shí)間運(yùn)行容易造成零部件的松動(dòng)和疲勞等故障。而一旦發(fā)生油膜渦動(dòng)故障，很有可能發(fā)展為振蕩類故障，其危害極大，往往在非常短的時(shí)間內(nèi)就能毀掉轉(zhuǎn)子和軸承。對軸瓦失穩(wěn)，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(tài)下，可以通過工藝參數(shù)的調(diào)整，消除油膜渦動(dòng)。最后，當(dāng)工藝措施無法消除后，可以通過停機(jī)檢修解決該問題。可以根據(jù)現(xiàn)場具體條件、軸瓦失穩(wěn)的嚴(yán)重程度、軸瓦的形式、軸瓦的相關(guān)穩(wěn)定性參數(shù)、軸頸振動(dòng)值等因素。除了軸承本身固有特性會(huì)引起油膜振蕩之外，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中工作流體的激振、密封中流體的激振、軸材料內(nèi)摩擦等原因也會(huì)使軸承油膜失穩(wěn)。此外，聯(lián)軸器不對中、軸承與軸頸不對中、工作流體對轉(zhuǎn)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(wěn)定工作的軸承油膜變得不穩(wěn)定，因此，需要從多方面尋找引起油膜失穩(wěn)的原因，并針對具體原因采取相應(yīng)對策。