潤(rùn)滑油不足時(shí)汽輪機(jī)組的振動(dòng)特征及故障診斷

王天佑，戴 韌

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)具有潤(rùn)滑、密封和冷卻功能,是保證汽輪機(jī)運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素之一。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組，其支持軸承需要大量的潤(rùn)滑油來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。正常運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油在軸承中形成穩(wěn)定的油膜，保證轉(zhuǎn)子良好的運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的熱傳導(dǎo)，表面摩擦以及油渦流會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，為確保轉(zhuǎn)子、軸承在適當(dāng)溫度下的平穩(wěn)運(yùn)行，也需要大量的潤(rùn)滑油來(lái)進(jìn)行冷卻換熱。

由于潤(rùn)滑油減少或中斷將引起汽輪發(fā)電機(jī)軸瓦燒毀、轉(zhuǎn)子彎曲等重大設(shè)備損壞事故。因此，研究軸承潤(rùn)滑油供油不足時(shí)的振動(dòng)特性，結(jié)合軸承的其它故障特征對(duì)上述故障提前做出準(zhǔn)確預(yù)判，對(duì)防止斷油燒瓦事故具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 潤(rùn)滑油供油不足時(shí)機(jī)組的特征及故障診斷

1.1 潤(rùn)滑油供油不足時(shí)機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組由于其自身的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，支持軸承均采用徑向動(dòng)壓軸承。根據(jù)滑動(dòng)軸承油膜的動(dòng)壓理論，楔形間隙(油楔)、足夠的潤(rùn)滑油量及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是軸瓦與轉(zhuǎn)子表面之間行成油膜的必備條件。在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸承中，軸頸與軸承孔之間有一定的間隙，轉(zhuǎn)子一旦高速旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)，軸承和軸頸之間就會(huì)充滿動(dòng)力潤(rùn)滑油。由于油楔的存在，軸承與轉(zhuǎn)子之間的潤(rùn)滑油將形成動(dòng)壓油膜，并據(jù)此保持轉(zhuǎn)子與軸承在非接觸狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)汽輪機(jī)軸承的潤(rùn)滑油供油不足的時(shí)候，因?yàn)楸痪砣朐谳S承間隙里面的滑油流量的逐漸減少以及其不連續(xù)的特點(diǎn)，故使得汽輪機(jī)的軸承和轉(zhuǎn)子之間形成半干摩擦的狀況。因此，在汽輪機(jī)的軸承和轉(zhuǎn)子之間的那部分油膜就會(huì)破損。此時(shí)，轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置將發(fā)生明顯變化，并且在油膜破損的同時(shí)會(huì)直接為汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子施加相當(dāng)強(qiáng)度的附加沖擊作用力。受兩者疊加的影響，轉(zhuǎn)子及軸承的振動(dòng)均將發(fā)生顯著的變化。另外，根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)可知，汽輪機(jī)的油膜破損情況不僅僅是自始至終只會(huì)發(fā)生在機(jī)組軸承的某個(gè)固定部位，而是隨著時(shí)間的不同，其油膜破損點(diǎn)的數(shù)量也會(huì)發(fā)生巨大的變化。因此，在不同的時(shí)刻，潤(rùn)滑油供油不足所帶來(lái)的油膜破損對(duì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的沖擊作用力是不同的。由于這種作用力的存在，使得該機(jī)組的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了附加的振動(dòng)。而這種振動(dòng)由于其附加沖擊激振力的隨機(jī)變化性，也表現(xiàn)出了明顯的隨機(jī)特征。這就意味著，其汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值將會(huì)呈現(xiàn)出快速波動(dòng)和快速變化的特征 。

隨著進(jìn)入汽輪機(jī)軸承和轉(zhuǎn)子之間的潤(rùn)滑油的數(shù)量明顯減少，該機(jī)組的軸承和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的摩擦熱量無(wú)法及時(shí)地隨著潤(rùn)滑油而被帶走，這就造成了汽輪機(jī)組軸承的金屬溫度、排油溫度以及回油溫度也高于正常情況下的相對(duì)應(yīng)溫度值，從而引起汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組軸瓦的燒毀、轉(zhuǎn)子彎曲等重大設(shè)備損壞事故。因此，保持良好的油膜是確保汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及其軸承安全運(yùn)行的前提條件之一。

1.2 潤(rùn)滑油供油不足時(shí)轉(zhuǎn)子及軸承的振動(dòng)特征

1.2.1 時(shí)域振動(dòng)特征

圖1～圖2為2臺(tái)不同的機(jī)組出現(xiàn)供油不足故障時(shí)機(jī)組振動(dòng)變化曲線。兩臺(tái)機(jī)組的3號(hào)和4號(hào)軸承均為低壓轉(zhuǎn)子的前后支持軸承。圖示兩機(jī)組在首次啟動(dòng)過(guò)的暖機(jī)階段，其低壓轉(zhuǎn)子的3號(hào)和4號(hào)X方向軸振(從機(jī)頭看的左手方向)的通頻幅值均快速波動(dòng)，其波動(dòng)幅值分別15 μm約17 μm，而軸振倍頻分量的幅值也出現(xiàn)輕微波動(dòng)。因此其軸振產(chǎn)生大量低頻分量，使波動(dòng)過(guò)程變得較為劇烈。

伴隨暖機(jī)階段轉(zhuǎn)速的增加,兩臺(tái)機(jī)組中的低壓轉(zhuǎn)子的3號(hào)和4號(hào)X方向軸振的通頻幅值波動(dòng)量分別上升到23～36 μm和22～38 μm與此同時(shí)，兩機(jī)組的軸振的倍頻分量幅值的波動(dòng)也隨之增加，且大量的低頻分量也出現(xiàn)在了低壓軸振中。此后隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)地增加，3號(hào)和4號(hào)軸振展現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的快速波動(dòng)現(xiàn)象，其中兩機(jī)組3號(hào)X方向的軸振分別在37～97 μm和40～100 μm，4號(hào) X方向的軸振分別在58～155 μm和60～158 m之間波動(dòng)。

如圖1～圖2所示，兩機(jī)組在穩(wěn)速運(yùn)行一段時(shí)間之后，軸振1倍頻分量的幅值也出現(xiàn)波動(dòng)很快的情況，且其波動(dòng)分量要高于低速和高速暖機(jī)階段的波動(dòng)分量。雖然兩機(jī)組的1倍頻分量的幅值出現(xiàn)了隨著時(shí)間而相對(duì)減少的情況，可是機(jī)組的軸振總幅值卻只出現(xiàn)了極其少量的變化，換句話說(shuō)，該機(jī)組1倍頻幅值分量的變化與軸振快速波動(dòng)之間沒(méi)有聯(lián)系。

由于不存在瓦溫，這種不同的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致低壓軸振幅值的快速波動(dòng)振 動(dòng)的情況也可最先確定該汽輪機(jī)組并非低頻失穩(wěn)振動(dòng)。加之兩臺(tái)機(jī)組的波動(dòng)量隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，且存在大量的低頻分量，故可以分析出承潤(rùn)滑油供油不足就是是兩臺(tái)機(jī)組振動(dòng)故障的原因。

圖1 某350 MW供熱機(jī)組1500 r/min下3X、4X軸振動(dòng)時(shí)域變化曲線

圖2 某300 MW機(jī)組3000 r/min下3X、4X軸振動(dòng)時(shí)域變化曲線

根據(jù)前文中所述的機(jī)理分析可知，這兩臺(tái)汽輪機(jī)組的軸承受油膜高度的影響，其回油量在油膜的建立及破碎過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)很大的變化。當(dāng)油膜建立時(shí)，通過(guò)的油量必然加大，而油膜破裂后隨著轉(zhuǎn)子與軸瓦的接觸，通過(guò)軸承的油量必然減小。因此，當(dāng)某一軸承出現(xiàn)供油不足問(wèn)題時(shí)，油膜將反復(fù)出現(xiàn)“破碎-建立”這一過(guò)程。轉(zhuǎn)子及軸承的時(shí)域振動(dòng)特征則會(huì)表現(xiàn)出如

圖1～圖2所示的振幅大幅度波動(dòng)現(xiàn)象。

另外，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子與軸承相對(duì)速度及油膜厚度將升高，供油不足則會(huì)更加嚴(yán)重，油膜 “破碎-建立”的循環(huán)過(guò)程必然加快。轉(zhuǎn)子及軸承振動(dòng)振幅波動(dòng)幅度及頻次較低轉(zhuǎn)速下將更加明顯。

1.2.2 頻域振動(dòng)特征

圖3 某300MW供熱機(jī)組3000r/min下3X、4X軸振動(dòng)頻譜

圖4 某350 MW供熱機(jī)組1500 r/min下4X軸振動(dòng)頻譜

圖5 某350 MW供熱機(jī)組1500 r/min下3X軸振動(dòng)頻譜

圖3為某300 MW機(jī)組在3000 r/min轉(zhuǎn)速下下3X、4X軸振動(dòng)頻譜。由圖可知該機(jī)組在啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)過(guò)程以及空載定速過(guò)程中都出現(xiàn)了振動(dòng)異常跳變的現(xiàn)象，同時(shí)定速過(guò)程中出現(xiàn)了#4 瓦溫度異常的現(xiàn)象。

機(jī)組頂軸油泵切換到潤(rùn)滑油泵后，定速1500 r/min進(jìn)行中速暖機(jī)，#4瓦振動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)明顯的快速跳變現(xiàn)象。振動(dòng)跳變時(shí)，如圖4振動(dòng)通頻值發(fā)生快速且大幅度的隨機(jī)跳變。在繼續(xù)升速的過(guò)程中，振動(dòng)跳變現(xiàn)象仍然存在，而且其振動(dòng)的跳變量以及變化速率隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。振動(dòng)數(shù)值變化范圍大且具有隨機(jī)性。振動(dòng)跳變時(shí)，通頻發(fā)生劇烈的隨機(jī)跳變。頻譜分析發(fā)現(xiàn):振動(dòng)跳變時(shí)，頻譜中出現(xiàn)了明顯的1.35 Hz低頻頻率分量。通頻振動(dòng)的快速跳變正是由于該低頻分量的劇烈的隨機(jī)跳變所致。

同時(shí)該低頻振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的增加，低頻分量的成分沒(méi)有明顯的變化，而低頻成量跳變的程度(幅值變化范圍以及時(shí)間間隔)越發(fā)的劇烈。如圖4所示，4X方向在1500 r/mi時(shí)，某個(gè)振動(dòng)跳變瞬間，1.35 Hz對(duì)應(yīng)的幅值可達(dá)到94 μm，3000 r/min時(shí)，某跳變的某個(gè)瞬間1.35 Hz 對(duì)應(yīng)的幅值達(dá)到了106 μm。基于以上的分析，綜合振動(dòng)特征、#4瓦溫超標(biāo)以及多次啟停頂軸油泵試驗(yàn)的結(jié)果，判定機(jī)組的振動(dòng)與軸承的潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油不足有關(guān)。

多次的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，供油不足發(fā)生機(jī)組振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)波形中含有大量的低頻振動(dòng)分量，如圖3～5所示。與自激振動(dòng)(半速渦動(dòng)、油膜振動(dòng)或汽流激振)比較，這種振動(dòng)在振動(dòng)頻率及低頻分量的豐富程度上均有明顯差別。

2 潤(rùn)滑油供油不足故障診斷方法

軸承潤(rùn)滑油供油不足故障主要發(fā)生在新機(jī)調(diào)試及大修后的啟動(dòng)試運(yùn)過(guò)程中,主要原因?yàn)檩S承箱進(jìn)油濾網(wǎng)堵塞及軸承進(jìn)、回油節(jié)流孔安裝錯(cuò)誤。一般來(lái)講，軸承供油不足具有以下的故障特征：

(1)軸承瓦溫及回油溫度變化。由于潤(rùn)滑油對(duì)轉(zhuǎn)子及軸承的冷卻作用，當(dāng)出現(xiàn)供油下降時(shí)，勢(shì)必帶來(lái)軸承及回油溫度的上升。盡管存在將其視為輔助判斷因素的說(shuō)法，但實(shí)際工程中軸承的金屬溫度和回油溫度是應(yīng)當(dāng)被給予足夠重視的判斷因素。

(2)頂軸油壓力的大幅波動(dòng)。當(dāng)汽輪機(jī)組軸承供油不足的情況加劇時(shí)，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的軸承中的油膜會(huì)反復(fù)地重復(fù)前文中所述 “破碎-建立”過(guò)程，油膜壓力隨之也將出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。此時(shí)，故障軸承的頂軸油壓就會(huì)表現(xiàn)出大幅度波動(dòng)現(xiàn)象。

(3)故障軸承處(及其附近)轉(zhuǎn)子振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)，且波動(dòng)幅度及頻次隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高而加劇。整個(gè)汽輪機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程里 , 軸承的振動(dòng)均出現(xiàn)如此的變化趨勢(shì)，并且隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的增加越發(fā)的劇烈，同時(shí)機(jī)組軸振動(dòng)的低頻分量也存在振幅增大的現(xiàn)象 , 且一般都分散在一個(gè)頻段范圍內(nèi)。因此，我們甚至可以把轉(zhuǎn)速視為汽輪機(jī)組振動(dòng)故障最基本相關(guān)量。

(4)汽輪機(jī)組的振動(dòng)出現(xiàn)低頻的明顯特征。供油不足時(shí)汽輪機(jī)組的振動(dòng)表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)振動(dòng)特征，其振動(dòng)波形中含有大量的低頻振動(dòng)分量，與自激振動(dòng)(半速渦動(dòng)、油膜振動(dòng)或汽流激振)比較，在振動(dòng)頻率及低頻分量的豐富程度上均有明顯差別。

總之，雖然供油不足造成的危害很大，但根據(jù)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中各軸承的運(yùn)行參數(shù)及振動(dòng)特征，還是可以對(duì)該類故障做出較為準(zhǔn)確的診斷。