關(guān)于5MW汽輪機(jī)油膜渦動(dòng)的分析

摘 要：萍鄉(xiāng)萍鋼安源鋼鐵有限公司動(dòng)力廠自2007年建有一臺(tái)5MW汽輪發(fā)電機(jī)組，利用煉鋼軋鋼過來的余熱蒸汽作為能源進(jìn)行發(fā)電。該發(fā)電機(jī)組2013年元月份以來，機(jī)組3#軸承（即汽輪機(jī)后軸承，以下統(tǒng)稱3#軸承）振動(dòng)時(shí)而漲至50-60μm，時(shí)而降至30-40μm，該機(jī)組軸承振動(dòng)報(bào)警值為63μm。經(jīng)過一番監(jiān)測(cè)，捕捉到了一組振動(dòng)數(shù)據(jù)，最終得出此機(jī)組3#軸承發(fā)生了油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。文章意在探討分析，并對(duì)解決機(jī)組所面臨的油膜渦動(dòng)現(xiàn)象提出個(gè)人建議。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；軸承；油膜渦動(dòng)

引言

2013年元月，5MW機(jī)組3#軸承振動(dòng)上漲之后，我們通過數(shù)據(jù)采集儀對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于振動(dòng)具有突發(fā)性，持續(xù)時(shí)間較短，所以采樣較困難。之后分別在元月份以及2月份對(duì)機(jī)組進(jìn)行了揭蓋檢修，振動(dòng)情況有所好轉(zhuǎn)。但在2013年10月份，機(jī)組振動(dòng)再次上漲至53μm左右，經(jīng)過分析仍為油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。所以，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承油膜渦動(dòng)現(xiàn)象查找原因并進(jìn)原因進(jìn)行分析，找出解決辦法，對(duì)萍鄉(xiāng)萍鋼安源鋼鐵有限公司透平機(jī)組安全運(yùn)行都有借鑒意義。

1 對(duì)5MW機(jī)組振動(dòng)分析

發(fā)生振動(dòng)后，對(duì)3#軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次采樣，終于捕捉到高振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，提取到頻譜圖以及波形圖。

提取到的振動(dòng)頻譜圖，由圖分析，幅值最高的主振動(dòng)頻率為25HZ。另外，在50HZ、75HZ等都有遞減的振動(dòng)成分。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，工頻為50HZ，由此可知，主振動(dòng)的振動(dòng)頻率為半頻。同時(shí)觀察3#軸承振動(dòng)波形圖，發(fā)現(xiàn)其時(shí)域波形有較顯著的低頻成分。常見的振動(dòng)模型中，滑動(dòng)軸承的油膜振蕩以及油膜渦動(dòng)都為半頻振動(dòng)，并且時(shí)域波形都與所測(cè)波形相符合。根據(jù)分析，油膜振蕩為油膜渦動(dòng)的更高級(jí)形式存在，一般在二倍于一階臨界轉(zhuǎn)速的速度區(qū)間發(fā)生。一旦發(fā)生油膜振蕩，軸承振動(dòng)的振幅將以極快速度加大，而且振動(dòng)振幅一旦開始升高，即使轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，軸承振動(dòng)的振幅也不容易再下降。由于汽輪機(jī)發(fā)生振動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速是恒定在3000r/min的工作轉(zhuǎn)速中，而且汽輪機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速為1650r/min，而且振動(dòng)幅值相對(duì)并非劇烈增加，所以可以排除汽輪機(jī)發(fā)生油膜振蕩，而是發(fā)生了油膜渦動(dòng)。

2 對(duì)滑動(dòng)軸承產(chǎn)生油膜渦動(dòng)的常見原因分析

透平式汽輪機(jī)產(chǎn)生油膜渦動(dòng)危害很大，會(huì)造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，主要常見原因可分為設(shè)計(jì)原因、制造原因、安裝維修原因、操作運(yùn)行原因、狀態(tài)劣化原因等，現(xiàn)試著來探討其中可能的影響因素分析。

2.1 滑動(dòng)軸承的穩(wěn)定性

滑動(dòng)軸承的穩(wěn)定性可主要?dú)w決于設(shè)計(jì)原因。軸承設(shè)計(jì)的參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式都是影響滑動(dòng)軸承穩(wěn)定性的主要設(shè)計(jì)原因。結(jié)構(gòu)合理，則會(huì)減小油膜渦動(dòng)力或增大渦動(dòng)力阻尼。到目前為止，透平式汽輪發(fā)電機(jī)組上，可傾瓦軸承、橢圓瓦軸承是穩(wěn)定性較好滑動(dòng)軸承，其次是三油楔瓦軸承和圓筒瓦軸承，其中圓筒瓦軸承相對(duì)來說是穩(wěn)定性最差的軸承。

2.2 滑動(dòng)軸承的磨損

此類可歸決于安裝維修原因。安裝維修過程中控制不當(dāng)，會(huì)使得滑動(dòng)軸承間隙、軸承殼體配合過盈等相關(guān)參數(shù)不當(dāng)?；瑒?dòng)軸承瓦的磨損會(huì)減少軸承的偏心率，造成油膜過厚，影響軸承剛度，嚴(yán)重的會(huì)降低轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，從而在接近工頻工作中引發(fā)振蕩。

2.3 滑動(dòng)軸承的潤滑油溫度

滑動(dòng)軸承中潤滑油會(huì)影響軸承承載能力、轉(zhuǎn)子的軸承高等，更重要的是油膜厚度將直接影響滑動(dòng)軸承的穩(wěn)定性。同等條件下，油的粘度隨著油溫升高而變低，而油膜厚度則同步變小，軸承的油膜剛度和阻尼系數(shù)都將改變。所以一般情況下，油溫高時(shí)油膜厚度變小，軸承更不易產(chǎn)生油膜渦動(dòng)，即穩(wěn)定性更好。反之，如果油溫過低則會(huì)造成油膜厚度增大，更易產(chǎn)生油膜渦動(dòng)。當(dāng)然，調(diào)節(jié)油溫是臨時(shí)抑制油膜渦動(dòng)的方法，并非解決辦法。

2.4 軸承負(fù)載變化

透平式汽輪發(fā)電機(jī)組軸系在運(yùn)行過程中，隨著機(jī)組的熱力變形， 轉(zhuǎn)子在油膜中浮起，加上機(jī)組凝汽器真空度、不均勻的地基等因素的影響，軸系對(duì)中情況（即標(biāo)高）將發(fā)生變化。所以，透平式汽輪發(fā)電機(jī)組在熱態(tài)中，機(jī)組軸承的負(fù)載將會(huì)發(fā)生變化，造成部份軸承過負(fù)載現(xiàn)象，嚴(yán)重的將出現(xiàn)溫升過高和燒瓦，而部份負(fù)荷偏低的軸承，將產(chǎn)生油膜渦動(dòng)或其它異?，F(xiàn)象。

3 對(duì)滑動(dòng)軸承油膜渦動(dòng)的原理分析

渦動(dòng)現(xiàn)象是透平機(jī)轉(zhuǎn)子的軸頸在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，其軸頸環(huán)繞其一平衡中心點(diǎn)作類似公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)理不同，渦動(dòng)的方向和渦動(dòng)同步率也有所不同。一般情況下渦動(dòng)的角速度接近為轉(zhuǎn)速的一半，故也有“半速渦動(dòng)”之名。軸頸在軸承中作偏心旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成一個(gè)進(jìn)口斷面大于出口斷面的油楔，如果進(jìn)口處的油液流速并不馬上下降，則軸頸從油楔間隙大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量，由于液體的不可壓縮性，多余的油就要把軸頸推向前進(jìn)，形成了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，渦動(dòng)速度就是油楔本身的前進(jìn)速度。真實(shí)的情況有所不同，通常渦動(dòng)頻率會(huì)略低于轉(zhuǎn)速頻率的1/2。一般來說渦動(dòng)頻率低于轉(zhuǎn)子的一階固有（或稱自振）頻率以下時(shí)，半速渦動(dòng)相對(duì)較平和，推測(cè)原因可能是油膜的非線性特性有關(guān)系，油膜的剛度和其阻尼的線性關(guān)系增加速度比油膜振動(dòng)幅度更快，可以對(duì)轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)幅度起到抑制作用，保證轉(zhuǎn)子仍能在此情況下相對(duì)地平穩(wěn)工作。所以可以解釋為什么5MW汽輪機(jī)3#軸承發(fā)生油膜渦動(dòng)后，仍能繼續(xù)工作。但長期處于這種狀態(tài)下，會(huì)對(duì)機(jī)組壽命和安全運(yùn)行帶來不可估量的影響，所以要采取相應(yīng)措施抑制甚至解決機(jī)組軸承油膜渦動(dòng)。

4 關(guān)于油膜渦動(dòng)的抑制或解決方法探討

以下為在現(xiàn)有條件下，應(yīng)對(duì)油膜渦動(dòng)現(xiàn)象的解決方法的探討，基本原理就是利用一切可以增大軸承偏心率的方法。

4.1 軸承的比壓增加

從定義上來說，軸承比壓是軸瓦工作面上單位面積所承受的載荷強(qiáng)度，軸承比壓值的增加，相當(dāng)于軸徑偏心率的增大，從而對(duì)油膜的穩(wěn)定性起到作用。增加軸承比壓的方法有幾種，一是可以通過調(diào)整軸承在軸系中的中心，這也是一種相對(duì)來說最簡(jiǎn)單的處理方法。此方法已經(jīng)在2013年2月份的檢修過程中使用，檢修后機(jī)組振動(dòng)一度好轉(zhuǎn)，并在2013年10月份之前并未再次發(fā)生油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。

4.2 潤滑油粘度的控制

潤滑油粘度越大，軸承中潤滑油的油層就較厚，會(huì)減少軸頸在軸承內(nèi)的偏心率，容易造成轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)?？梢酝ㄟ^提高進(jìn)油溫度或更換更低粘度潤滑油品來降低潤滑油粘度。5MW機(jī)組使用的是32#汽輪機(jī)油，粘度等級(jí)已經(jīng)屬于較低的油品，所以我們一直以來使用的是提高進(jìn)油溫度的方法來達(dá)到降低潤滑油粘度的目的。我們?cè)诒O(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)油溫度在40℃左右時(shí)，容易發(fā)現(xiàn)油膜渦動(dòng)現(xiàn)象，而當(dāng)我們把油溫提高到45℃左右時(shí)，油膜渦動(dòng)現(xiàn)象基本消除。但此方法并不能徹底根治消除振動(dòng)，只能當(dāng)應(yīng)急措施來使用。

4.3 減少頂部間隙、擴(kuò)大兩側(cè)間隙

相對(duì)來說，圓形軸承比橢圓軸承更容易發(fā)生油膜渦動(dòng)，原因是圓形軸承偏心率較低，會(huì)降低軸瓦預(yù)載荷，穩(wěn)定性下降。通?？梢酝ㄟ^調(diào)整頂隙和側(cè)隙，使圓筒形軸瓦變成橢圓軸瓦，橢圓軸瓦的橢圓度進(jìn)一步地增大，上瓦油膜力得到增加，軸頸上浮標(biāo)高相對(duì)降低，可以有效地提高軸瓦穩(wěn)定性。通過查詢資料以及實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示，5MW汽輪機(jī)的3#軸承安裝尺寸的頂隙和左右側(cè)隙之和都為0.27～0.36mm，是典型的圓形軸承。2月份檢修時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示，3#軸承實(shí)際頂隙在0.3mm左右，側(cè)隙左右側(cè)分別在0.2mm左右，基本屬于圓形軸承的工作狀態(tài)。增加3#軸承的橢圓度是可以嘗試的一種根治機(jī)組軸承油膜渦動(dòng)的方法。

5 結(jié)束語

文章通過本單位一臺(tái)5MW汽輪機(jī)組所遇到的軸承油膜渦動(dòng)故障案例，經(jīng)行分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及對(duì)解決辦法進(jìn)行探討。由于發(fā)生油膜渦動(dòng)現(xiàn)象的因素較多，實(shí)際工作當(dāng)中，可根據(jù)實(shí)際情況逐一排查并解決，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介：楊峰（1983-），男，江西省萍鄉(xiāng)市人，工作單位：萍鄉(xiāng)萍鋼安源鋼鐵有限公司，職務(wù)：機(jī)械工程師，研究方向：設(shè)備管理。