汽動給水泵油膜振蕩故障分析與處理

屈 斌，張 寧，馬會云，張 利

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2.天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300）

汽動給水泵油膜振蕩故障分析與處理

屈 斌1，張 寧1，馬會云2，張 利1

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2.天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300）

某電廠200 MW汽輪機(jī)組的汽動給水泵組在運(yùn)行中多次出現(xiàn)振動突增并導(dǎo)致跳閘，通過對故障進(jìn)行分析診斷確認(rèn)為油膜渦動引發(fā)油膜振蕩所致，并在多次治理與現(xiàn)場試驗(yàn)中最終找到故障根源為基礎(chǔ)的不均沉降，通過采用減小軸承頂部間隙的方法將故障成功消除。

汽動給水泵；油膜渦動；油膜振蕩；軸承頂隙

0　概述

某電廠200 MW汽輪機(jī)組汽動給水泵為2007年加裝的全容量泵組。小汽輪機(jī)型號為TGQO6/7-1，由北京電力設(shè)備總廠制造，采用全周式進(jìn)汽方式。汽動給水泵由沈陽水泵股份有限公司制造，汽動給水泵組4個軸承均為圓筒瓦，其中1，2號軸承支撐汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，3，4號軸承支撐給水泵轉(zhuǎn)子，1，2號軸承配備了軸振傳感器。小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為整鍛實(shí)心轉(zhuǎn)子，與汽動給水泵轉(zhuǎn)子采用疊片式撓性聯(lián)軸器進(jìn)行連接。汽動給水泵組與主機(jī)一同坐落于18 m平臺上。

1　故障分析診斷

自2014年初，該小汽輪機(jī)組1，2號軸承軸振幅值開始突然增大，且多發(fā)于汽輪發(fā)電機(jī)組高負(fù)荷工況下，最大振幅呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。當(dāng)小汽輪機(jī)組振動正常未出現(xiàn)異常增大時，軸振幅值基本維持在20-30 μm。

2014-04-08，該小汽輪機(jī)組振動再次突然增大，2號軸振X向振幅達(dá)到150 μm，觸發(fā)了保護(hù)導(dǎo)致跳閘。1號X向、1號Y向、2號Y向振幅也都達(dá)到100 μm以上，跳閘時汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷為180 MW。

針對這一問題，利用專業(yè)儀器對小汽輪機(jī)的振動情況進(jìn)行監(jiān)測分析。4月9日啟動汽動給水泵，在轉(zhuǎn)速升至4 800 r/m in之前，1號、2號軸振幅均維持在20-30 μm的較低水平，包括過臨界在內(nèi)的最大幅值不超過40 μm。但當(dāng)轉(zhuǎn)速升到4 800 r/m in時，1、2號軸振幅突然上升，最大振幅出現(xiàn)在1號瓦，達(dá)到82 μm。而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/m in以上時，振動幅值又恢復(fù)至之前水平。

由小汽輪機(jī)啟動波德圖可知，在4 800 r/m in 至5 000 r/m in的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，通頻振幅（上部曲線）較其他轉(zhuǎn)速下明顯升高。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速分別為，一階：2 550 r/m in；二階：12 220 r/m in。顯然，這里振幅的升高并不是過臨界造成的，而且在通頻振幅升高時，基頻振幅值并未升高而是繼續(xù)維持在較低水平，這說明整體振幅的升高是由其他頻率分量造成的，需要觀察頻譜圖做進(jìn)一步分析。

圖1為振幅最大時的頻譜圖，此時轉(zhuǎn)速為4 824 r/m in，一倍頻頻率為80.40 Hz，幅值3.9 μm；左側(cè)較高的峰值為半頻分量，其頻率為40.20 Hz，幅值78.3 μm。通過對比圖譜中半頻與一倍頻的大小可見，此時的通頻振幅絕大部分為半頻成分。

圖1　振動故障頻譜圖

圖2為振動故障發(fā)生前的頻譜圖，此時給水泵轉(zhuǎn)速為4 568 r/m in，通頻振幅32.96 μm，基頻振幅26.25 μm。半頻處也有幅值出現(xiàn)但很小，約為1 μm。通過對比振動故障發(fā)生前后的頻譜圖不難發(fā)現(xiàn)，振幅突然升高是由于半頻分量的突增造成的。在隨后的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，給水泵轉(zhuǎn)速在反復(fù)升降的過程中，每次經(jīng)過或停留于4 800 r/m in附近時均會出現(xiàn)振動升高的情況，且同樣為半頻分量突增所致。

圖2　故障發(fā)生前的頻譜圖

至此歸納出該機(jī)組振動故障的特點(diǎn)：

（1） 振動增大與轉(zhuǎn)速有關(guān)，且發(fā)生于4 800 r/m in附近。在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)速升高或降低振動均恢復(fù)正常；

（2） 振動故障發(fā)生時振幅以半頻分量為主；

（3） 未發(fā)生振動故障時機(jī)組振動幅值較低；

（4） 振動增大具有突發(fā)性。

由半頻分量引起的振動故障原因多為油膜渦動或汽流激振，而汽流激振多發(fā)生在高參數(shù)的大中型機(jī)組上。該小汽輪機(jī)采用4抽的低參數(shù)蒸汽，出現(xiàn)汽流激振的可能性不大。此外汽流激振一旦出現(xiàn)，引起的振動將隨著進(jìn)汽量的升高而升高，不應(yīng)出現(xiàn)進(jìn)汽量增大振動反而恢復(fù)正常的情況。為進(jìn)一步論證故障原因?yàn)橛湍u動，排除汽流激振的可能性，進(jìn)行了變油溫試驗(yàn)。在保證機(jī)組其他運(yùn)行參數(shù)不變的前提下，首先穩(wěn)定轉(zhuǎn)速至4 800 r/m in以激發(fā)振動故障，然后將潤滑油供油溫度從當(dāng)前的41 ℃升至45 ℃（每5 m in升高1 ℃），之后將供油溫度降降至38 ℃（每5 m in降低1℃）。考慮到機(jī)組安全試驗(yàn)中只將溫度降低到38 ℃。以1號軸振為例，變油溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

在變油溫試驗(yàn)中溫度升高，潤滑油粘度下降，油膜穩(wěn)定性增強(qiáng)，使軸承趨于穩(wěn)定，振動減少；反之，溫度降低，潤滑油粘度增加，穩(wěn)定性減弱，使軸承穩(wěn)定性變差，振動增強(qiáng)。這種現(xiàn)象是典型的油膜渦動的特征。

表1　變油溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

油膜渦動是一種自激振動。假設(shè)1根不受任何載荷、完全平衡的理想轉(zhuǎn)軸在高速轉(zhuǎn)動時，其軸徑中心應(yīng)與軸承中心重合。如果轉(zhuǎn)軸受到外力擾動，就會使軸徑中心偏離軸承中心產(chǎn)生1個小位移，軸徑在軸承中的位置如圖3所示。此時，偏離軸承中心的軸徑將受到油膜彈性恢復(fù)力的作用，以迫使軸徑回至原中心位置。同時軸頸的偏移使油流的壓力分布發(fā)生變化，被軸頸帶動而高速流動的潤滑油從大間隙流進(jìn)小間隙，油壓逐漸升高，形成圖中所示的高壓區(qū)，而流出后的油壓逐漸降低，形成低壓區(qū)。這2個區(qū)域的壓差整體上垂直于軸頸偏移方向，形成失穩(wěn)分力，它具有迫使轉(zhuǎn)軸沿著垂直于徑向的偏移方向進(jìn)行同向渦動的趨勢。

圖3　軸頸受力分析

實(shí)際運(yùn)行中的汽動給水泵汽輪轉(zhuǎn)子軸頸中心并不是與軸承中心完全重合的，因此產(chǎn)生了渦動失穩(wěn)，這種渦動的頻率等同或略小于轉(zhuǎn)軸工頻的一半。一旦發(fā)生渦動，轉(zhuǎn)軸又將受到離心力的作用。這個離心力又會進(jìn)一步加大軸徑的偏移量，從而進(jìn)一步減小油膜間隙，使壓差增大，使失穩(wěn)分力更大，如此周而復(fù)始形成自激振動，這就是油膜渦動的形成機(jī)理。當(dāng)轉(zhuǎn)軸的工作轉(zhuǎn)速低于2倍的一階臨界轉(zhuǎn)速時，渦動的頻率低于該臨界轉(zhuǎn)速，此時振動水平相對較輕，稱為油膜渦動。但當(dāng)轉(zhuǎn)軸的工作轉(zhuǎn)速達(dá)到2倍的一階臨界轉(zhuǎn)速時，油膜渦動頻率與臨界轉(zhuǎn)速重合，產(chǎn)生共振，發(fā)展成為油膜振蕩。由于油膜振蕩的本質(zhì)是一種共振，因此它的破壞性非常大，容易造成設(shè)備的損壞。

在變油溫試驗(yàn)中，隨著油溫升高，潤滑油粘度下降，油膜穩(wěn)定性增強(qiáng)，使軸頸趨于穩(wěn)定，振動減小；反之，油溫降低，潤滑油粘度增加，油膜穩(wěn)定性減弱，使軸承穩(wěn)定性變差。至此可以斷定該機(jī)組的振動故障是由油膜渦動造成的油膜振蕩引起的。

2　故障處理過程

該類故障的處理思路主要有2個方面。

（1） 減小擾動，消除轉(zhuǎn)軸偏離平衡位置的誘因。主要從減小轉(zhuǎn)子的原始振動入手，也就是通過動平衡加重來降低轉(zhuǎn)子的不平衡振動水平。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：1號、2號軸振的一倍頻一直穩(wěn)定在20-30 μm，可改善的潛力很小，而且這種振動幅值對轉(zhuǎn)子的擾動十分有限，并不是引起油膜渦動的主要原因。

（2） 由于該小汽輪機(jī)組長期未檢修，推測是軸系中心、軸瓦間隙在運(yùn)行中發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致軸承穩(wěn)定性下降并造成油膜渦動。于是決定進(jìn)行揭瓦檢修：檢查軸瓦磨損情況；復(fù)核軸瓦緊力、間隙及復(fù)核轉(zhuǎn)子中心數(shù)據(jù)。

經(jīng)過檢修發(fā)現(xiàn)，2號軸承上瓦出現(xiàn)碎裂，下瓦有輕微磨損，頂部間隙達(dá)到0.43 mm。于是更換內(nèi)瓦并調(diào)整頂部間隙到0.36 mm，以滿足廠家給出的0.32-0.39 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2014-04-18再次啟動小汽輪機(jī)組。此時，1號、2號軸承的振動情況得到明顯的改善，但是每當(dāng)小汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到4 800 r/m in附近時，仍然會出現(xiàn)半頻振動分量突增的情況，只是最大振幅由之前的90 μm降低到60 μm。該機(jī)組的油膜渦動故障并未完全消除。該小汽輪機(jī)在此狀態(tài)下運(yùn)行到2014年9月，再次停機(jī)對其進(jìn)行全面檢修，檢查轉(zhuǎn)子末級葉片、平衡塊、汽封等部位，均未發(fā)現(xiàn)異常。測量軸彎曲度、晃度、瓢偏、通流間隙、汽封間隙等全部符合工藝要求。但2號軸承下瓦烏金出現(xiàn)大面積碎裂，為此更換了新軸瓦。按技術(shù)要求，將1號瓦頂隙調(diào)整為0.30 mm，2號瓦頂隙0.35 mm。檢修完畢再次啟動機(jī)組，振動情況得到較大改善，機(jī)組經(jīng)過4 800 r/m in附近時振幅降低至40 μm以內(nèi)，但頻譜圖顯示半頻分量仍然存在。

2014-10-31T17：00，小汽輪機(jī)再次出現(xiàn)油膜振蕩，2號軸振X向達(dá)到154 μm觸發(fā)保護(hù)跳機(jī)，同時2號軸振Y向64 μm，1號軸振X向134 μm，Y向81 μm，小機(jī)轉(zhuǎn)速4 830 r/m in。經(jīng)過2次檢修，對損傷軸瓦進(jìn)行了更換并將各項(xiàng)檢修指標(biāo)全部調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)要求，仍然出現(xiàn)油膜振蕩。

為了查找最終原因，對汽動給水泵進(jìn)行了振動外特性測試，分別對基礎(chǔ)、地腳、軸承座進(jìn)行振動測量。發(fā)現(xiàn)水泵基礎(chǔ)振幅達(dá)到了20 μm，而相鄰?fù)蜋C(jī)組的汽動給水泵地面基礎(chǔ)的振動值只有2 μm，這說明基礎(chǔ)出現(xiàn)了松動。為了查清是否因基礎(chǔ)松動導(dǎo)致機(jī)組不均勻沉降，重新校核了軸頸揚(yáng)度值，發(fā)現(xiàn)1號軸頸前揚(yáng)0.45 mm；2號軸頸前揚(yáng)0.26 mm。而設(shè)計(jì)安裝要求為：1號軸頸前揚(yáng)0.16 mm；2號軸頸后揚(yáng)0.20 mm，二者相去甚遠(yuǎn)。由于該小汽機(jī)采用的是一體式設(shè)計(jì)，1號、2號軸承箱與汽輪機(jī)本體連接在一起，軸承座臺板的墊鐵也被澆筑在基礎(chǔ)里，軸承內(nèi)沒有可調(diào)整的墊鐵，因此無法進(jìn)行軸承標(biāo)高的調(diào)整。這說明揚(yáng)度的變化是由不均勻沉降造成的，而不均勻的沉降使各軸承的載荷分配發(fā)生了變化，有的軸承因此載荷變輕從而造成軸承穩(wěn)定性下降。由于該機(jī)組特殊的設(shè)計(jì)使得揚(yáng)度無法通過軸承標(biāo)高的調(diào)整完全恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)要求，只能通過其他手段來改善軸承的穩(wěn)定性。因此，對軸承的承載原理需做更加深入的分析與研究。

圖4為軸承內(nèi)油膜壓力分布圖，其中：θ為偏位角；e為偏心距；R為軸承半徑；r為軸頸半徑；hmin為最小油膜厚度。軸承的承載能力與多種參數(shù)有關(guān)，對于圓柱軸承可用下式表示：

式中：P為軸承載荷；Ψp為軸承承載能力系數(shù)；μ為潤滑油動力黏度系數(shù)；l為軸承長度；d為軸頸直徑；ω為軸頸旋轉(zhuǎn)角速度；Ψ為相對間隙，Ψ=c/r；c為平均間隙，c=R-r。

圖4　軸承內(nèi)油膜壓力分布

從上式分析，Ψp是相對偏心率ε（ε=e/c）和軸承長徑比l/d的函數(shù)，偏心率越大或軸承長徑比越小，Ψp也越大，軸承的載荷P也越大，軸承越穩(wěn)定。同樣，如果能夠減小相對間隙Ψ也可以提高載荷P，使軸承更加穩(wěn)定。要同時實(shí)現(xiàn)這2點(diǎn)，可以通過減小平均間隙c。在檢修上，減小平均間隙就是減小軸承頂隙。當(dāng)然減小軸承長徑比也可以加強(qiáng)軸承的穩(wěn)定性，但是縮短軸承的長度對軸承的改造程度過大且不可逆，不作為首選的方案。

于是決定進(jìn)一步減小軸瓦頂隙。雖然原先1號、2號軸承的頂隙已經(jīng)滿足了廠家的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于機(jī)組發(fā)生了不均勻沉降，需要突破這個標(biāo)準(zhǔn)來改善振動情況，因此決定采用橢圓軸承頂部間隙標(biāo)準(zhǔn)的要求，即軸頸徑值的1.0 ‰-1.5 ‰。該小汽輪機(jī)組1號瓦軸徑：120 mm，2號瓦軸徑：160 mm，按照該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，其頂隙可以分別降低至0.12 mm 和0.16 mm的下限。油膜渦動具有傳導(dǎo)性，往往由一個軸瓦產(chǎn)生后傳遞至其他軸承，雖然機(jī)組2次跳機(jī)均由2號軸振觸發(fā)，但因此斷定油膜渦動完全由2號軸承引起并不嚴(yán)謹(jǐn)，監(jiān)測儀器也并未監(jiān)測到振動激起時1號、2號軸承有明顯的先后順序，所以決定將1號、2號軸承的頂隙同時減小。又考慮到避免出現(xiàn)干摩擦，決定將1號、2號頂隙在原基礎(chǔ)上分別降低0.1 mm，達(dá)到0.20 mm和0.25 mm。

處理后的小汽輪機(jī)組于11月21日再次開啟，啟動后在各個轉(zhuǎn)速下均未出現(xiàn)半頻分量，高低負(fù)荷下振幅穩(wěn)定。運(yùn)行過程中的瀑布圖顯示振動幾乎以一倍頻為主，低頻成分完全消失。在之后的運(yùn)行中該機(jī)組再也未發(fā)生振動異常，故障處理取得成功。

3　結(jié)束語

油膜渦動和油膜振蕩是一種比較常見的振動故障。油膜渦動頻率為基頻的一半或略低。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速2倍時，油膜渦動與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速重合發(fā)生共振，油膜渦動發(fā)展為油膜振蕩，振幅劇烈升高，引起跳機(jī)。該公司小汽輪機(jī)故障就屬此類。解決油膜振蕩故障可以采取的辦法有：減小軸瓦頂隙、增加軸承載荷、更換穩(wěn)定性較強(qiáng)的軸瓦等。而在運(yùn)行中如果急于降低油膜振蕩的幅值也可以采取臨時提高油溫或投入頂軸油的措施。

1 施維新.汽輪發(fā)電機(jī)組振動及故障（第二版）［M］.北京：中國電力出版社.2008.

2 羅劍斌，盧一兵，劉占輝，等.660 MW超超臨界鍋爐給水泵振動故障診斷［J］.電力安全技術(shù)，2012，14（2）：12-14.

3 汪杰斌，章遐林，楊 斌，等.給水泵汽輪機(jī)振動大跳閘原因分析及防范措施［J］.電力安全技術(shù)，2011，13（10）：14-1.

2015-07-27；

2016-03-27。

屈 斌（1987-），男，助理工程師，主要從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動故障診斷領(lǐng)域工作，email：dajiangjun188@126.com。

張 寧（1960-），男，高級工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動故障診斷工作。

馬會云（1962-），女，高級工程師，主要從事汽輪機(jī)技術(shù)專業(yè)工作。

張 利（1985-），男，高級工程師，主要從事汽輪機(jī)振動技術(shù)、節(jié)能技術(shù)方面工作。