振動技術在船舶汽輪發電機組上的應用

羅日榮，秦俊明，董 芳

(91663部隊，山東青島 266012)

作為電力生產的關鍵設備，汽輪發電機組朝著大型化、復雜化、大容量、高參數等方向不斷發展。

機組的機械結構日趨復雜，不同部分之間聯系更加緊密，一旦某個部件發生故障，不僅影響機組本身的運行，還會對后續設備產生影響，引發二次故障和連鎖反應，造成巨大的經濟損失，嚴重時還會引起災難性的人員傷亡事故。因此開展汽輪發電機組的故障診斷研究是十分必要的［1］。

軸系是汽輪發電機組的主要部件之一，轉子的不良運轉往往造成機組的故障。振動技術是十分有效的旋轉機械狀態監測與故障診斷的方法，將振動技術應用到汽輪發電機組的狀態監測與故障診斷中，必將實現對機組的有效監控。

1 汽輪發電機組的故障類型

汽輪發電機組是典型的旋轉結構機械，同時包含了齒輪嚙合、滑動和滾動軸承等旋轉機械。因此在機組故障類型中有旋轉機械最常見的故障，如不平衡振動、轉子不對中、機械松動、轉子碰摩、滑動軸承的半速渦動和油膜振蕩等［2］。

1.1 不平衡

轉子不平衡是旋轉機械的常見故障之一。在制造與維修過程中，雖然都要對轉子作平衡，使不平衡量小于限定值。但經過一段時間的運行，由于諸如轉子彎曲、熱態不平衡、部件脫落、轉子結垢等原因，不平衡量會逐漸增大。由于轉子處于高速運行狀態，偏心量的少許增加都會使慣性離心力劇增，使機器的功能下降，甚至無法繼續運行。

當不平衡重量只存在于一個平面內時，這種不平衡稱為靜不平衡;而當在多個平面內有不平衡情況時，就是動不平衡［3］。

1.2 不對中

不對中也稱為不同軸，是指用聯軸節連接起來的兩根軸的中心線有偏移，如圖1。軸承兩端的中心線有偏移，如圖2。存在不同軸時，容易發生軸向振動，使轉子發生暫時或永久變形，使軸承和聯軸節工作情況惡化、機械壽命縮短等。不同軸較輕時，其頻率成分為旋轉基本頻率;不同軸嚴重時，會產生旋轉基頻的高次成分。造成不同軸的主要原因有制造精度差、安裝不良、熱變形不均勻、聯軸節松動、地基下沉等。

圖1 聯軸器不對中

圖2 軸承不對中

1.3 機械松動

松動現象是由于螺栓緊固不牢或由于基礎松動、過大的軸承間隙等引起的。松動會使轉子發生嚴重振動。

1.4 轉子碰摩

隨著機組參數的不斷提高，動靜間隙的不斷縮小，以及運行過程中不平衡、不對中、熱彎曲等的影響，經常發生轉子碰摩故障。根據摩擦部位不同，碰摩分兩種情況:轉子外緣與靜止件接觸而引起的摩擦，稱為徑向碰摩;轉子在軸向與靜止件接觸而引起的摩擦，稱為軸向碰摩。從不同的角度，摩擦還可分為局部摩擦和全周摩擦;早期、中期和晚期碰摩等。

1.5 自激振動

自激振動的產生不是由于機械受到外來周期性持續激振力，而是由于機械內部運動本身所產生的交變力。一旦振動停止，交變力自然消失。與強迫振動相比，自激振動出現比較突然，振動強度比較嚴重，短時間內就會對機械造成嚴重破壞。

1.6 油膜渦動和油膜振蕩

油膜渦動是一種在某突然開始的轉速下，在軸承中發生的一種流體力不穩定現象。其特點是振動頻率約為轉子轉動頻率的一半，故又稱為半速渦動。隨著轉子轉速的上升，油膜渦動頻率也隨之上升，當轉子轉速上升到臨界轉速2倍以上時，渦動頻率不再上升，而始終為臨界轉速頻率，并出現強烈振動，這就是油膜振蕩。油膜振蕩的原因是油膜渦動與轉子共振二者相互作用的結果，因而也稱為共振振蕩。根據線性化理論，一旦這種振動出現，就會產生相當大的共振振幅，增加轉子中心與軸承中心的偏離程度，容易導致轉子疲勞破壞［4］。

2 某汽輪發電機組的振動監測

某汽輪發電機組自投入使用后，操作人員一直反應機組振動較大，因此在日常工作中對該機組采用振動監測手段，判斷機組整體的工作狀態。根據振動測試的要求，選擇在堅實的機體上，如機腳、軸承座、設備機體頂部等能反映振動全貌的位置處，避免在罩殼、蓋板、懸臂、薄殼結構等具有明顯局部振動處布置測點。通過對機組振動烈度值的計算，掌握機組的運行狀態。

為了解決機組整體振動偏大原因，在該機組進行維護保養時，對機組進行振動頻譜分析。汽輪發電機組測點位置如圖3所示。

圖3 測點位置

其中汽輪機1、2測點，齒輪箱的3、4、5、6測點為滑動軸承;發電機的7、8測點為滾動軸承。

3 振動數據分析

3.1 振動烈度值計算

振動烈度主要針對設備整機振動狀況作出分析，分為測量量標和評定量標，測量量標一般取為振動速度有效值，而評定量標取為“當量振動烈度”。通過對烈度值的計算，并根據標準 ISO 10816－3－1998(GB/T 6075.3－2001)，可以對汽輪發電機組運行狀態進行判斷。

振動速度有效值定義為

式中:vrms為振動速度有效值，mm/s;v(t)為振動速度周期性的時間函數，mm/s;T為振動速度依時間變化的周期，s。

代表機器整體振動的量標取為“當量振動烈度”，其定義為

式中:vs為當量振動烈度，mm/s;vx，vy，vz分別為3個相互垂直方向上測得的振動速度有效值，mm/s;Nx，Ny，Nz分別為3個方向上的測點數。

按標準ISO 10816－3－1998(GB/T 6075.3－2001)，定期對該機組進行振動監測，并計算機組振動烈度值，發現機組振動烈度值呈上升趨勢。該機組部分振動烈度值如表1所示。

表1 某汽輪發電機組振動烈度值

雖然振動烈度值并沒有達到標準界定的臨界狀態，但其烈度值上升趨勢仍說明整個機組運行狀態在逐步惡化。需要采取相應的精密診斷措施，確定機組的故障隱患。

3.2 頻譜分析

某型汽輪發電機組簡圖如圖3所示，汽輪機與小齒輪連接，發電機與大齒輪連接，通過大小齒輪嚙合實現減速。其中汽輪機工頻為141.3 Hz，發電機工頻為50 Hz，小齒輪數n1=23，大齒輪數n2=130。對機組不同負載情況下進行振動測試，每個工況下，分別設置采樣頻率1 kHz和10 kHz，對數據進行頻譜分析，發現汽輪機輸出端軸承部位徑向振動信號頻譜圖 (圖略)有異常特征頻率出現。當機組負載分別為560 kW和840 kW時，在汽輪機輸出端軸承頻譜圖中，除了出現轉子工頻信號，還出現半倍轉速頻率信號，且幅值高于轉子工頻分量。各點幅值如表2所示。

表2 各頻率點振動數值

從頻譜圖中 (圖略)可以看到，振動頻率為組合頻率，次諧波非常豐富，異常頻率接近轉速頻率的一半，且不隨機組負載情況的改變而改變，其他測點振動頻譜圖未見異常特征頻率。汽輪機輸出端軸承部位的油膜半速渦動特征比較明顯，判斷為油膜振蕩導致整機振動過大。

3.3 振動性質與振動分析

油膜振蕩是由于滑動軸承中的油膜作用而引起的旋轉軸的自激振蕩，可產生與轉軸達到臨界轉速時同等的振幅或更加激烈。油膜振蕩不僅會導致高速旋轉機械的故障，有時也是造成軸承或整臺機組破壞的原因［5］。

1)油膜振蕩的原因。

(1)軸系結構設計。影響轉軸的載荷分布及軸的撓曲程度，轉軸在工作過程中偏心率的大小會影響軸承的工作條件，導致軸承的工作性能下降。

(2)軸承負載。在運行過程中，由于機組的熱變形，轉子在油膜中浮起，以及真空度、地基不均勻下沉等因素的影響，軸系對中情況將發生變化。因此，在熱態下，機組軸承的負荷將重新分配，有可能使個別軸承過載，出現溫升過高和燒瓦，個別軸承的負荷偏低，產生油膜振蕩或其它異常振動。

(3)軸承進油溫度。滑油溫度過高時，其粘度會下降，最小油膜厚度變小，軸承的工作點、油膜剛度和阻尼系數都將發生變化。

(4)軸瓦間隙。軸瓦間隙會影響軸承運行的最小間隙，導致軸承工作穩定性發生變化。

由于工作需要，該汽輪發電機組啟用至今，并沒有全時運轉，經常停機，軸系轉子在經常性的啟停機過程中，其對中情況發生變化，導致機組在運行后會發生油膜半速渦動現象，隨著時間累計，半速渦動現象愈加明顯，振動烈度值也進一步增大，到達報警限度值。

2)解決油膜振蕩的方法。

(1)在振蕩發生時，提高油溫，降低潤滑油的粘度。

(2)使軸頸處于較大的偏心率下工作，利用上瓦油壓，使下瓦的載荷加大，從而提高軸瓦的穩定性。

(3)調整軸承的相對高度。

3.4 處理措施和結果

根據以上分析，解決軸承問題是消除油膜振蕩最基本和最有效的方法，在現場調試工期比較緊張的情況下，采取了現場檢修的辦法，通過調整汽輪機輸出端軸承部位的軸瓦位置，解決油膜振蕩問題。在軸瓦位置調整后，通過連續振動監測，該部位轉子頻率無低頻成分出現，振動基本以轉子頻率為主，油膜振蕩已經得到有效控制。

4 小結

汽輪發電機組是一個復雜的、大型設備，其組成部件的異常狀態，往往會導致機組的運行異常，嚴重時還會導致機組損壞、造成人員損傷。利用振動技術，加強汽輪發電機組日常運行監測，對于掌握機組狀態是非常有效的，另外通過振動頻譜分析技術，對于分析機組故障隱患、排除故障原因，也會起到事半功倍的作用。

［1］張衍，姚智剛.汽輪機動平衡技術研究及海洋條件下轉子不平衡因素分析［J］.中國修船，2009，22(6):36－37.

［2］周駿，潘曉銘，周哲為.轉子動平衡的技術研究 ［J］.機械設計與制造，2007(4):151－153.

［3］張祖德.旋轉機械轉子不平衡的故障診斷 ［J］.特鋼技術，2008(4):49－52.

［4］李凱.汽輪發電機組油膜振蕩故障的分析診斷與處理［J］.江蘇電機工程，2010(4):71－74.

［5］童小忠，應光耀.半山1號燃氣機組油膜渦動和油膜振蕩分析及處理 ［J］.汽輪機技術，2006，48(1):63－66.