汽輪發(fā)電機組軸承失穩(wěn)故障的診斷及處理

魏艷輝，蘇 秦，劉一凡

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021）

1 軸承失穩(wěn)機理

軸承失穩(wěn)故障一般發(fā)生在大型汽輪發(fā)電機組的滑動軸承上。根據(jù)軸承類型的不同，發(fā)生失穩(wěn)故障的概率也不同，其中圓筒瓦及橢圓瓦發(fā)生失穩(wěn)故障的概率偏高，可傾瓦的穩(wěn)定性相對較高，發(fā)生失穩(wěn)故障的概率較前兩種軸承低。據(jù)相關資料統(tǒng)計，橢圓瓦和可傾瓦的失穩(wěn)故障分別占22%和3%［1］。機組軸承失穩(wěn)故障的振動特征及誘因也不完全相同，根本原因均可總結為軸承的運行工況發(fā)生了變化，承載系數(shù)降低，產(chǎn)生了非線性的失穩(wěn)力。

圖1 滑動軸承失穩(wěn)機理簡圖

汽輪機轉子轉動時，軸瓦與軸頸形成一層油膜以防止軸頸與軸承直接接觸，轉動過程中產(chǎn)生的熱量被循環(huán)的潤滑油帶走，以避免軸承溫度上升，保證軸瓦工作穩(wěn)定。當轉子靜止時，軸瓦與軸頸直接接觸，而當轉子以角速度ω旋轉，在油膜的作用下軸頸的中心就會發(fā)生移動，軸浮在油膜上，此時軸瓦中心與軸頸中心的連線下方油膜最薄，相反的方向油膜最厚。由于油楔的存在，油膜力F與軸瓦的載荷P會平衡；但隨著轉子轉速升高，軸瓦中心與軸頸中心連線角度發(fā)生變化，油膜力、軸瓦的載荷也隨之改變，兩個力不平衡，其矢量和隨之產(chǎn)生ΔP，將ΔP沿徑向和切向分解得到F1和F2，由圖1可知，徑向力F1使軸頸回到平衡位置O1的力，而切向力F2使轉子沿垂直于徑向偏移方向運動，該力是軸承失穩(wěn)的主要激振力，稱為失穩(wěn)力，是破壞軸承穩(wěn)定性的根源。當失穩(wěn)力大于軸承的阻尼力時，轉軸便發(fā)生渦動，軸承失穩(wěn)，振動幅值大幅升高，并夾雜著大量的低頻分量，振動幅值急劇增加。若失穩(wěn)力能量較小，則達到一定程度后受滑動軸承的束縛，轉子支撐系統(tǒng)再次平衡，振動幅值維持在高位；若失穩(wěn)能量巨大，則振動發(fā)散，發(fā)生機組毀壞的惡性事故。例如1972年日本海南電站3號機組發(fā)生的毀機失火事故［2］。

2 軸承失穩(wěn)原因分析

軸承失穩(wěn)主要從兩個角度考慮，一是非線性激振力產(chǎn)生的誘發(fā)因素，二是軸承本身的承載特性。現(xiàn)結合近年所發(fā)生的軸承失穩(wěn)振動案例，總結導致該類故障的原因。

2.1 軸系受外部因素擾動

機組軸系本身的突然不平衡、動靜碰磨、軸系熱彎曲、負荷突變以及電氣擾動等因素會影響到軸頸在軸承中的軸心位置變化，由失穩(wěn)力產(chǎn)生的機理可知，軸心位置的改變相當于改變了軸頸在軸承中的工作環(huán)境以及油膜的工作狀態(tài)，激起圖1中的失穩(wěn)力F2。通化熱電2號機低壓缸前軸承的失穩(wěn)便是由于電氣擾動激起失穩(wěn)力而導致振動突然上升而使汽輪機跳閘。

2.2 軸承參數(shù)不合理

軸承的檢修工藝控制對軸承的工作狀況影響很大，特別是軸承的頂隙、側隙，其是否合理直接影響到油膜的工作環(huán)境。比如圓筒瓦和橢圓瓦，如果其頂隙過大或側隙過小，則軸承上部的油膜力下降，軸承的偏心率減小，直接導致軸承的承載系數(shù)變低、穩(wěn)定性下降，因此軸承的頂隙及側隙調整不合理，往往是現(xiàn)場檢修后啟動導致軸承失穩(wěn)的主要原因。通化鋼鐵自備電廠1號機檢修后啟動發(fā)生軸承失穩(wěn)，主要原因為軸承頂隙及側隙偏離設計值。對故障軸承重新修復及調整后，軸承振動幅值由120μm 降至21μm，在設計值允許范圍內。

2.3 對輪中心不良或軸承標高不合理

對輪中心不良除了引起軸系局部動不平衡誘發(fā)工頻振動增大外，還會使軸承的載荷發(fā)生變化，當軸承載荷較設計值低時，導致軸承的承載系數(shù)降低，進而誘發(fā)軸承穩(wěn)定性下降。軸承標高不合理不僅僅體現(xiàn)在靜態(tài)標高的調整上，因汽輪機閥序的改變或其他外部因素導致的軸承箱溫度偏高均會使軸承的動態(tài)標高大幅度變化。無論是軸承靜態(tài)標高調整的不合理還是軸承動態(tài)的異常變化，最終的結果均是軸承的載荷發(fā)生變化，同對輪中心不良一樣，也會導致軸承的承載系數(shù)降低誘發(fā)軸承失穩(wěn)。通化熱電2號機軸承失穩(wěn)，其根本原因是軸承標高不合理導致低壓缸前軸承載荷下降。

2.4 潤滑油溫度及壓力偏低

潤滑油溫度偏低則影響到潤滑油的粘度，粘度越大在軸承中形成的油膜越厚，而變厚的油膜則直接影響到油膜剛度下降，從而引起軸承失穩(wěn)。而潤滑油壓力過低則影響到油膜的形成，若軸承本身已處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，則潤滑油壓力低會破壞油膜穩(wěn)定性，導致軸承徹底失穩(wěn)。

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另外，軸瓦本身存在的缺陷，如軸瓦烏金面存在磨損、油囊形成不良等，也會影響潤滑油油膜穩(wěn)定性，致使軸承失穩(wěn)。

3 軸承失穩(wěn)的振動特征

3.1 振動故障發(fā)生時伴有異音

軸承失穩(wěn)故障發(fā)生時，由于軸頸在軸承內發(fā)生撞擊會聽到類似軸承被拍擊的“啪啪”聲，機組外部會發(fā)出嗡嗡的聲音。

3.2 軸瓦失穩(wěn)時振動具有突發(fā)性

當軸承失穩(wěn)故障發(fā)生時，振動的趨勢會在短時間增大，而且發(fā)生前沒有明顯的征兆，個別案例發(fā)生振動時，往往來不及采取措施機組便已跳閘?？肇摵砂l(fā)生軸承失穩(wěn)故障時，往往汽輪機轉速小范圍變化，低頻振動仍不會消除；帶負荷運行時，某些案例通過改變進汽方式間接影響故障軸承的載荷時，振動幅值異常會消失。

升速過程中發(fā)生自激振動的轉速稱為失穩(wěn)轉速，當達到軸承失穩(wěn)條件時振動顯著上升；定速時發(fā)生軸承失穩(wěn)，是因為軸承本身在3 000r/min工況時穩(wěn)定性不好，處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，當軸系有外部擾動、軸承載荷發(fā)生變化等因素時，軸承失穩(wěn)。

3.3 軸承失穩(wěn)時振動具有低頻特征

軸瓦自激振動的頻率特征多以半頻或低頻為主。根據(jù)相關案例對軸承失穩(wěn)的機組進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)機組在失穩(wěn)時出現(xiàn)25Hz的半頻振動，發(fā)生半速渦動，如通鋼自備電廠1號機及通化熱電廠2號機，主要是因為這些機組的故障軸承對應的轉子一階共振頻率設計值超出25 Hz。而松花江熱電廠6號機的油膜振蕩，則在發(fā)生失穩(wěn)時出現(xiàn)17.7 Hz振動分量，對應的機組轉速略低于一階共振轉速。分析認為，因為故障軸承的載荷下降較多，影響到轉子系統(tǒng)的支撐剛度，引起軸系在更低的轉速下發(fā)生共振，因此軸承失穩(wěn)工況下，軸系振動的低頻分量的頻率會低于原設計的一階臨界轉速。松花江熱電廠6號機軸承失穩(wěn)瓦振及軸振頻譜分析圖為典型的軸承失穩(wěn)振動頻譜分析圖（見圖2）。

圖2 松花江熱電廠6號機軸承失穩(wěn)振動及軸振頻譜分析

由圖2的頻譜分析可以看出：當發(fā)生自激振動時，主要以低頻振動為主，因為轉子存在一定的不平衡量，在頻譜中夾雜著工頻振動分量。由振動的基本原理可知，僅發(fā)生一種頻率的振動時，波形圖為標準的正弦波；兩種頻率的振動同時發(fā)生時，振動波形表現(xiàn)為兩種振動頻率正弦波的疊加，波形的形狀主要決定于振動的頻率分量及各頻率對應的幅值大小。以通鋼自備電廠1號機組的振動為例，發(fā)生自激振動時，軸系還存在一定的不平衡，故軸瓦振動主要為低頻及50Hz的振動分量，波形圖較規(guī)則（見圖3）。

3.4 軸承失穩(wěn)與運行參數(shù)具有相關

圖3 通鋼自備電廠1號機軸承失穩(wěn)振動波形

在機組運行參數(shù)方面，主要體現(xiàn)在機組負荷及潤滑油參數(shù)，某些機組軸承發(fā)生低頻振動后與機組負荷有一定相關性。如新疆東方希望300 MW 機組，其根本原因是不同負荷工況下的負載發(fā)生了變化，導致軸承的穩(wěn)定性下降，在失穩(wěn)臨界狀態(tài)時，振動幅值隨著低頻分量的變化而大幅度擺動；完全達到失穩(wěn)狀態(tài)后，在軸承束縛的作用下低頻分量起主導作用，軸承振動的通頻幅值表現(xiàn)為小幅波動。軸承振動與潤滑油溫度及壓力的關系，體現(xiàn)在潤滑油溫度越低發(fā)生低頻振動的概率越大，潤滑油壓力越低越不利于低頻振動的控制。潤滑油溫度及壓力并非低頻振動的決定因素。

3.5 低頻振動具有傳遞性

當機組的某個軸承發(fā)生失穩(wěn)后便產(chǎn)生低頻振動，隨后波及相鄰的軸承，在故障診斷的過程中，必須判斷最先發(fā)生低頻振動的軸承，重點處理。

4 軸承的承載系數(shù)及失穩(wěn)的處理措施

4.1 軸承的承載系數(shù)

軸承類型的不同導致承載特性的不同，其抗失穩(wěn)能力也有很大差異，軸承穩(wěn)定性從低到高依次為：圓筒瓦、橢圓瓦、可傾瓦。機組投產(chǎn)后，若想通過更換軸承的類型解決軸承失穩(wěn)引發(fā)的振動問題，需根據(jù)機組軸系載荷重新設計選型，該種故障處理周期較長。

軸承的穩(wěn)定性主要取決于承載系數(shù)，軸承的承載系數(shù)S是軸承動態(tài)特性重要指標，是選用軸承的主要校核指標，也是處理軸承失穩(wěn)而誘發(fā)自激振動的理論依據(jù)。承載系數(shù)S的理論公式為：）

式中：p為軸承比壓；q為軸承載荷；D為軸頸直徑；L為軸承長度；ψ為間隙比（軸承半徑間隙與半徑之比）；η潤滑油黏度；ω軸旋轉角速度。

S越大說明軸承的穩(wěn)定性越好，失穩(wěn)轉速是承載系數(shù)的單值函數(shù)［3］，軸承穩(wěn)定性示意圖見圖4，其中ωsc為失穩(wěn)轉速，ωk為剛性支撐一階臨界轉速。

4.2 軸承失穩(wěn)的處理措施

圖4 圓筒瓦穩(wěn)定性示意圖

4.2.1 提高潤滑油溫度及壓力

潤滑油溫度直接影響到油的黏度，提高油溫可以有效降低油的黏度，增加軸頸在軸承中的偏心距。從公式（1）可以看出，降低油的黏度有利于提高軸瓦的穩(wěn)定性。目前潤滑油溫度一般運行范圍為38～42 ℃，當發(fā)生軸瓦失穩(wěn)而誘發(fā)自激振動時，可以提高潤滑油溫到上限。采取調整潤滑油的供油量并提升油膜的穩(wěn)定性的措施提高潤滑油壓力。在松花江熱電廠6號機組故障案例中，將潤滑油溫度由39℃提升至46 ℃，潤滑油壓由0.118 MPa升至0.168 MPa，低頻振動消失，轉軸振動幅值由處理前的330 μm 下降至110μm。

4.2.2 調整軸瓦載荷

由公式（1）中軸承承載系數(shù)的相關參數(shù)可以看出，軸瓦載荷越大越能提高軸承的穩(wěn)定性。機組正常運行時，針對高壓轉子軸承失穩(wěn)，可以通過更改調門進汽方式改變故障軸承的載荷；對于低壓轉子兩側軸承，可以通過調整凝汽器真空及排汽溫度來實現(xiàn)軸承的載荷調整；對于軸承箱溫度偏高導致的軸承失穩(wěn)，也可以調整軸封漏氣量，以免箱體溫度過高影響軸承標高；停機后，可通過調整對輪中心及軸承下部墊片等方式，達到調整軸承載荷的目的。通化熱電2號機組振動故障，停機后通過調整軸承標高來增強故障軸承的穩(wěn)定性，最終解決了軸承失穩(wěn)問題。

4.2.3 調整軸瓦間隙

減小軸承頂隙，增加側邊間隙，相當于增加偏心率，采用此措施的目的是改變間隙比，進而提高其穩(wěn)定性。然而過大的側面間隙同樣不利于油膜的形成，如通鋼自備電廠1號機組振動故障，在停機后對軸瓦檢查，發(fā)現(xiàn)軸承的側面間隙嚴重超出設計標準，軸瓦更換后重新調整該瓦的頂部及側面間隙，使其在設計范圍之內，解決了軸承失穩(wěn)問題。

4.2.4 減小軸承長徑比

減小軸承長徑比的目的是提高軸承比壓，從公式（1）可看出，提高p值對軸承承載系數(shù)的提升有直接作用。

4.2.5 消除導致軸承振動的其他因素

軸瓦的脫胎、磨痕、光潔度不良等因素及軸頸粗糙度、磨痕及圓度都會影響油膜形成，破壞軸承的穩(wěn)定性。引起軸承轉動的不平衡、熱彎曲、電氣擾動以及碰磨等，還導致軸頸在軸瓦中工作環(huán)境改變，使油膜特性受到影響，繼而使軸承失穩(wěn)誘發(fā)自激振動，因此，在出現(xiàn)軸承失穩(wěn)誘發(fā)的振動故障時，可考慮消除這些外部因素。

5 結束語

目前我國火力發(fā)電廠汽輪機組的裝機容量逐年遞增，近年來仍有軸承失穩(wěn)誘發(fā)的振動案例發(fā)生。分析振動原理可知，出現(xiàn)軸瓦自激振動的根本原因在于軸承失穩(wěn)，設計不合理或機組檢修過程中工藝達不到設計要求，都會導致失穩(wěn)而誘發(fā)自激振動。出現(xiàn)失穩(wěn)故障一般很難控制，但可以采用一系列措施治理，最終可以預防或消除振動，對于在機組運行工況下無法消除的振動則必須停機檢修。

［1］ 宋光雄，張煜，王向志，等.大型汽輪機發(fā)電機組油膜失穩(wěn)故障研究與分析［J］.中國電力，2012，45（5）：63－67.

［2］ 陸頌元.汽輪發(fā)電機組振動［M］.北京：中國電力出版社，2000.

［3］ 寇勝利.汽輪發(fā)電機組的振動及現(xiàn)場平衡［M］.北京：中國電力出版社，2007.