汽動(dòng)給水泵油膜振蕩故障分析與處理

屈 斌，張 寧，馬會(huì)云，張 利

（1.國(guó)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(dòng)給水泵油膜振蕩故障分析與處理

屈 斌1，張 寧1，馬會(huì)云2，張 利1

（1.國(guó)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(dòng)給水泵組在運(yùn)行中多次出現(xiàn)振動(dòng)突增并導(dǎo)致跳閘，通過對(duì)故障進(jìn)行分析診斷確認(rèn)為油膜渦動(dòng)引發(fā)油膜振蕩所致，并在多次治理與現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)給水泵；油膜渦動(dòng)；油膜振蕩；軸承頂隙

0　概述

某電廠200 MW汽輪機(jī)組汽動(dòng)給水泵為2007年加裝的全容量泵組。小汽輪機(jī)型號(hào)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(dòng)給水泵由沈陽(yáng)水泵股份有限公司制造，汽動(dòng)給水泵組4個(gè)軸承均為圓筒瓦，其中1，2號(hào)軸承支撐汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，3，4號(hào)軸承支撐給水泵轉(zhuǎn)子，1，2號(hào)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(dòng)給水泵轉(zhuǎn)子采用疊片式撓性聯(lián)軸器進(jìn)行連接。汽動(dòng)給水泵組與主機(jī)一同坐落于18 m平臺(tái)上。

1　故障分析診斷

自2014年初，該小汽輪機(jī)組1，2號(hào)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(shì)。當(dāng)小汽輪機(jī)組振動(dòng)正常未出現(xiàn)異常增大時(shí)，軸振幅值基本維持在20-30 μm。

2014-04-08，該小汽輪機(jī)組振動(dòng)再次突然增大，2號(hào)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(hào)X向、1號(hào)Y向、2號(hào)Y向振幅也都達(dá)到100 μm以上，跳閘時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷為180 MW。

針對(duì)這一問題，利用專業(yè)儀器對(duì)小汽輪機(jī)的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。4月9日啟動(dòng)汽動(dòng)給水泵，在轉(zhuǎn)速升至4 800 r/m in之前，1號(hào)、2號(hào)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(shí)，1、2號(hào)軸振幅突然上升，最大振幅出現(xiàn)在1號(hào)瓦，達(dá)到82 μm。而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/m in以上時(shí)，振動(dòng)幅值又恢復(fù)至之前水平。

由小汽輪機(jī)啟動(dòng)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(shí)，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(shí)的頻譜圖，此時(shí)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(duì)比圖譜中半頻與一倍頻的大小可見，此時(shí)的通頻振幅絕大部分為半頻成分。

圖1　振動(dòng)故障頻譜圖

圖2為振動(dòng)故障發(fā)生前的頻譜圖，此時(shí)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(duì)比振動(dòng)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(cè)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(shí)均會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)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(dòng)故障的特點(diǎn)：

（1） 振動(dòng)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(dòng)均恢復(fù)正常；

（2） 振動(dòng)故障發(fā)生時(shí)振幅以半頻分量為主；

（3） 未發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)機(jī)組振動(dòng)幅值較低；

（4） 振動(dòng)增大具有突發(fā)性。

由半頻分量引起的振動(dòng)故障原因多為油膜渦動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)故障，然后將潤(rùn)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(hào)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(rùn)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(dòng)減少；反之，溫度降低，潤(rùn)滑油粘度增加，穩(wěn)定性減弱，使軸承穩(wěn)定性變差，振動(dòng)增強(qiáng)。這種現(xiàn)象是典型的油膜渦動(dòng)的特征。

表1　變油溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

油膜渦動(dòng)是一種自激振動(dòng)。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(dòng)時(shí)，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(dòng)，就會(huì)使軸徑中心偏離軸承中心產(chǎn)生1個(gè)小位移，軸徑在軸承中的位置如圖3所示。此時(shí)，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(shí)軸頸的偏移使油流的壓力分布發(fā)生變化，被軸頸帶動(dòng)而高速流動(dòng)的潤(rùn)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(gè)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(dòng)的趨勢(shì)。

圖3　軸頸受力分析

實(shí)際運(yùn)行中的汽動(dòng)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(dòng)失穩(wěn)，這種渦動(dòng)的頻率等同或略小于轉(zhuǎn)軸工頻的一半。一旦發(fā)生渦動(dòng)，轉(zhuǎn)軸又將受到離心力的作用。這個(gè)離心力又會(huì)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(dòng)，這就是油膜渦動(dòng)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(shí)，渦動(dòng)的頻率低于該臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)振動(dòng)水平相對(duì)較輕，稱為油膜渦動(dòng)。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(shí)，油膜渦動(dòng)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(rùn)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(dòng)減小；反之，油溫降低，潤(rùn)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(dòng)故障是由油膜渦動(dòng)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(gè)方面。

（1） 減小擾動(dòng)，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(dòng)入手，也就是通過動(dòng)平衡加重來降低轉(zhuǎn)子的不平衡振動(dòng)水平。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：1號(hào)、2號(hào)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(dòng)幅值對(duì)轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)十分有限，并不是引起油膜渦動(dòng)的主要原因。

（2） 由于該小汽輪機(jī)組長(zhǎng)期未檢修，推測(cè)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(dòng)。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(hào)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(dòng)小汽輪機(jī)組。此時(shí)，1號(hào)、2號(hào)軸承的振動(dòng)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(shí)，仍然會(huì)出現(xiàn)半頻振動(dòng)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(dòng)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(duì)其進(jìn)行全面檢修，檢查轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片、平衡塊、汽封等部位，均未發(fā)現(xiàn)異常。測(cè)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(hào)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(hào)瓦頂隙調(diào)整為0.30 mm，2號(hào)瓦頂隙0.35 mm。檢修完畢再次啟動(dòng)機(jī)組，振動(dòng)情況得到較大改善，機(jī)組經(jīng)過4 800 r/m in附近時(shí)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(hào)軸振X向達(dá)到154 μm觸發(fā)保護(hù)跳機(jī)，同時(shí)2號(hào)軸振Y向64 μm，1號(hào)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(duì)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(duì)汽動(dòng)給水泵進(jìn)行了振動(dòng)外特性測(cè)試，分別對(duì)基礎(chǔ)、地腳、軸承座進(jìn)行振動(dòng)測(cè)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(dòng)給水泵地面基礎(chǔ)的振動(dòng)值只有2 μm，這說明基礎(chǔ)出現(xiàn)了松動(dòng)。為了查清是否因基礎(chǔ)松動(dòng)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(hào)軸頸前揚(yáng)0.45 mm；2號(hào)軸頸前揚(yáng)0.26 mm。而設(shè)計(jì)安裝要求為：1號(hào)軸頸前揚(yáng)0.16 mm；2號(hào)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(hào)、2號(hào)軸承箱與汽輪機(jī)本體連接在一起，軸承座臺(tái)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(duì)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(duì)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(rùn)滑油動(dòng)力黏度系數(shù)；l為軸承長(zhǎng)度；d為軸頸直徑；ω為軸頸旋轉(zhuǎn)角速度；Ψ為相對(duì)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(duì)偏心率ε（ε=e/c）和軸承長(zhǎng)徑比l/d的函數(shù)，偏心率越大或軸承長(zhǎng)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(duì)間隙Ψ也可以提高載荷P，使軸承更加穩(wěn)定。要同時(shí)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(zhǎng)徑比也可以加強(qiáng)軸承的穩(wěn)定性，但是縮短軸承的長(zhǎng)度對(duì)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(hào)、2號(hào)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)來改善振動(dòng)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(hào)瓦軸徑：120 mm，2號(hào)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(dòng)具有傳導(dǎo)性，往往由一個(gè)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(hào)軸振觸發(fā)，但因此斷定油膜渦動(dòng)完全由2號(hào)軸承引起并不嚴(yán)謹(jǐn)，監(jiān)測(cè)儀器也并未監(jiān)測(cè)到振動(dòng)激起時(shí)1號(hào)、2號(hào)軸承有明顯的先后順序，所以決定將1號(hào)、2號(hào)軸承的頂隙同時(shí)減小。又考慮到避免出現(xiàn)干摩擦，決定將1號(hào)、2號(hào)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(dòng)后在各個(gè)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(dòng)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(dòng)異常，故障處理取得成功。

3　結(jié)束語

油膜渦動(dòng)和油膜振蕩是一種比較常見的振動(dòng)故障。油膜渦動(dòng)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(shí)，油膜渦動(dòng)與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速重合發(fā)生共振，油膜渦動(dòng)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(shí)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(dòng)及故障（第二版）［M］.北京：中國(guó)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(dòng)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(dòng)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(dòng)故障診斷領(lǐng)域工作，email：dajiangjun188@126.com。

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

馬會(huì)云（1962-），女，高級(jí)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(jí)工程師，主要從事汽輪機(jī)振動(dòng)技術(shù)、節(jié)能技術(shù)方面工作。