關于5MW汽輪機油膜渦動的分析

摘 要：萍鄉萍鋼安源鋼鐵有限公司動力廠自2007年建有一臺5MW汽輪發電機組，利用煉鋼軋鋼過來的余熱蒸汽作為能源進行發電。該發電機組2013年元月份以來，機組3#軸承（即汽輪機后軸承，以下統稱3#軸承）振動時而漲至50-60μm，時而降至30-40μm，該機組軸承振動報警值為63μm。經過一番監測，捕捉到了一組振動數據，最終得出此機組3#軸承發生了油膜渦動現象。文章意在探討分析，并對解決機組所面臨的油膜渦動現象提出個人建議。

關鍵詞：汽輪機；軸承；油膜渦動

引言

2013年元月，5MW機組3#軸承振動上漲之后，我們通過數據采集儀對其進行監測，由于振動具有突發性，持續時間較短，所以采樣較困難。之后分別在元月份以及2月份對機組進行了揭蓋檢修，振動情況有所好轉。但在2013年10月份，機組振動再次上漲至53μm左右，經過分析仍為油膜渦動現象。所以，對汽輪發電機組的軸承油膜渦動現象查找原因并進原因進行分析，找出解決辦法，對萍鄉萍鋼安源鋼鐵有限公司透平機組安全運行都有借鑒意義。

1 對5MW機組振動分析

發生振動后，對3#軸承振動數據進行了多次采樣，終于捕捉到高振動時的振動數據，提取到頻譜圖以及波形圖。

提取到的振動頻譜圖，由圖分析，幅值最高的主振動頻率為25HZ。另外，在50HZ、75HZ等都有遞減的振動成分。汽輪機轉速為3000r/min，工頻為50HZ，由此可知，主振動的振動頻率為半頻。同時觀察3#軸承振動波形圖，發現其時域波形有較顯著的低頻成分。常見的振動模型中，滑動軸承的油膜振蕩以及油膜渦動都為半頻振動，并且時域波形都與所測波形相符合。根據分析，油膜振蕩為油膜渦動的更高級形式存在，一般在二倍于一階臨界轉速的速度區間發生。一旦發生油膜振蕩，軸承振動的振幅將以極快速度加大，而且振動振幅一旦開始升高，即使轉速繼續提高，軸承振動的振幅也不容易再下降。由于汽輪機發生振動時轉速是恒定在3000r/min的工作轉速中，而且汽輪機的一階臨界轉速為1650r/min，而且振動幅值相對并非劇烈增加，所以可以排除汽輪機發生油膜振蕩，而是發生了油膜渦動。

2 對滑動軸承產生油膜渦動的常見原因分析

透平式汽輪機產生油膜渦動危害很大，會造成機組運行不穩定，主要常見原因可分為設計原因、制造原因、安裝維修原因、操作運行原因、狀態劣化原因等，現試著來探討其中可能的影響因素分析。

2.1 滑動軸承的穩定性

滑動軸承的穩定性可主要歸決于設計原因。軸承設計的參數及結構形式都是影響滑動軸承穩定性的主要設計原因。結構合理，則會減小油膜渦動力或增大渦動力阻尼。到目前為止，透平式汽輪發電機組上，可傾瓦軸承、橢圓瓦軸承是穩定性較好滑動軸承，其次是三油楔瓦軸承和圓筒瓦軸承，其中圓筒瓦軸承相對來說是穩定性最差的軸承。

2.2 滑動軸承的磨損

此類可歸決于安裝維修原因。安裝維修過程中控制不當，會使得滑動軸承間隙、軸承殼體配合過盈等相關參數不當。滑動軸承瓦的磨損會減少軸承的偏心率，造成油膜過厚，影響軸承剛度，嚴重的會降低轉子臨界轉速，從而在接近工頻工作中引發振蕩。

2.3 滑動軸承的潤滑油溫度

滑動軸承中潤滑油會影響軸承承載能力、轉子的軸承高等，更重要的是油膜厚度將直接影響滑動軸承的穩定性。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都將改變。所以一般情況下，油溫高時油膜厚度變小，軸承更不易產生油膜渦動，即穩定性更好。反之，如果油溫過低則會造成油膜厚度增大，更易產生油膜渦動。當然，調節油溫是臨時抑制油膜渦動的方法，并非解決辦法。

2.4 軸承負載變化

透平式汽輪發電機組軸系在運行過程中，隨著機組的熱力變形， 轉子在油膜中浮起，加上機組凝汽器真空度、不均勻的地基等因素的影響，軸系對中情況（即標高）將發生變化。所以，透平式汽輪發電機組在熱態中，機組軸承的負載將會發生變化，造成部份軸承過負載現象，嚴重的將出現溫升過高和燒瓦，而部份負荷偏低的軸承，將產生油膜渦動或其它異?，F象。

3 對滑動軸承油膜渦動的原理分析

渦動現象是透平機轉子的軸頸在高速旋轉的同時，其軸頸環繞其一平衡中心點作類似公轉的運動。機理不同，渦動的方向和渦動同步率也有所不同。一般情況下渦動的角速度接近為轉速的一半，故也有“半速渦動”之名。軸頸在軸承中作偏心旋轉時，形成一個進口斷面大于出口斷面的油楔，如果進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，形成了與轉子旋轉方向相同的渦動運動，渦動速度就是油楔本身的前進速度。真實的情況有所不同，通常渦動頻率會略低于轉速頻率的1/2。一般來說渦動頻率低于轉子的一階固有（或稱自振）頻率以下時，半速渦動相對較平和，推測原因可能是油膜的非線性特性有關系，油膜的剛度和其阻尼的線性關系增加速度比油膜振動幅度更快，可以對轉子的渦動幅度起到抑制作用，保證轉子仍能在此情況下相對地平穩工作。所以可以解釋為什么5MW汽輪機3#軸承發生油膜渦動后，仍能繼續工作。但長期處于這種狀態下，會對機組壽命和安全運行帶來不可估量的影響，所以要采取相應措施抑制甚至解決機組軸承油膜渦動。

4 關于油膜渦動的抑制或解決方法探討

以下為在現有條件下，應對油膜渦動現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度，軸承比壓值的增加，相當于軸徑偏心率的增大，從而對油膜的穩定性起到作用。增加軸承比壓的方法有幾種，一是可以通過調整軸承在軸系中的中心，這也是一種相對來說最簡單的處理方法。此方法已經在2013年2月份的檢修過程中使用，檢修后機組振動一度好轉，并在2013年10月份之前并未再次發生油膜渦動現象。

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，會減少軸頸在軸承內的偏心率，容易造成轉子的失穩?？梢酝ㄟ^提高進油溫度或更換更低粘度潤滑油品來降低潤滑油粘度。5MW機組使用的是32#汽輪機油，粘度等級已經屬于較低的油品，所以我們一直以來使用的是提高進油溫度的方法來達到降低潤滑油粘度的目的。我們在監測過程中發現，當進油溫度在40℃左右時，容易發現油膜渦動現象，而當我們把油溫提高到45℃左右時，油膜渦動現象基本消除。但此方法并不能徹底根治消除振動，只能當應急措施來使用。

4.3 減少頂部間隙、擴大兩側間隙

相對來說，圓形軸承比橢圓軸承更容易發生油膜渦動，原因是圓形軸承偏心率較低，會降低軸瓦預載荷，穩定性下降。通?？梢酝ㄟ^調整頂隙和側隙，使圓筒形軸瓦變成橢圓軸瓦，橢圓軸瓦的橢圓度進一步地增大，上瓦油膜力得到增加，軸頸上浮標高相對降低，可以有效地提高軸瓦穩定性。通過查詢資料以及實際測量結果顯示，5MW汽輪機的3#軸承安裝尺寸的頂隙和左右側隙之和都為0.27～0.36mm，是典型的圓形軸承。2月份檢修時測量的數據顯示，3#軸承實際頂隙在0.3mm左右，側隙左右側分別在0.2mm左右，基本屬于圓形軸承的工作狀態。增加3#軸承的橢圓度是可以嘗試的一種根治機組軸承油膜渦動的方法。

5 結束語

文章通過本單位一臺5MW汽輪機組所遇到的軸承油膜渦動故障案例，經行分析振動產生的原因以及對解決辦法進行探討。由于發生油膜渦動現象的因素較多，實際工作當中，可根據實際情況逐一排查并解決，保證機組的安全運行。

作者簡介：楊峰（1983-），男，江西省萍鄉市人，工作單位：萍鄉萍鋼安源鋼鐵有限公司，職務：機械工程師，研究方向：設備管理。