潤滑油不足時汽輪機組的振動特征及故障診斷

王天佑，戴 韌

(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

汽輪機潤滑油系統具有潤滑、密封和冷卻功能,是保證汽輪機運行安全的關鍵因素之一。高速運轉的汽輪發電機組，其支持軸承需要大量的潤滑油來進行潤滑和冷卻。正常運行時，潤滑油在軸承中形成穩定的油膜，保證轉子良好的運轉；同時，由于轉子的熱傳導，表面摩擦以及油渦流會產生很大的熱量，為確保轉子、軸承在適當溫度下的平穩運行，也需要大量的潤滑油來進行冷卻換熱。

由于潤滑油減少或中斷將引起汽輪發電機軸瓦燒毀、轉子彎曲等重大設備損壞事故。因此，研究軸承潤滑油供油不足時的振動特性，結合軸承的其它故障特征對上述故障提前做出準確預判，對防止斷油燒瓦事故具有重要的現實意義。

1 潤滑油供油不足時機組的特征及故障診斷

1.1 潤滑油供油不足時機組的振動機理

汽輪機發電機組由于其自身的設計機構特點，支持軸承均采用徑向動壓軸承。根據滑動軸承油膜的動壓理論，楔形間隙(油楔)、足夠的潤滑油量及相對運動速度是軸瓦與轉子表面之間行成油膜的必備條件。在轉子高速旋轉時的軸承中，軸頸與軸承孔之間有一定的間隙，轉子一旦高速旋轉起來時，軸承和軸頸之間就會充滿動力潤滑油。由于油楔的存在，軸承與轉子之間的潤滑油將形成動壓油膜，并據此保持轉子與軸承在非接觸狀態下持續運轉。

當汽輪機軸承的潤滑油供油不足的時候，因為被卷入在軸承間隙里面的滑油流量的逐漸減少以及其不連續的特點，故使得汽輪機的軸承和轉子之間形成半干摩擦的狀況。因此，在汽輪機的軸承和轉子之間的那部分油膜就會破損。此時，轉子的相對位置將發生明顯變化，并且在油膜破損的同時會直接為汽輪機的轉子施加相當強度的附加沖擊作用力。受兩者疊加的影響，轉子及軸承的振動均將發生顯著的變化。另外，根據以往的實驗可知，汽輪機的油膜破損情況不僅僅是自始至終只會發生在機組軸承的某個固定部位，而是隨著時間的不同，其油膜破損點的數量也會發生巨大的變化。因此，在不同的時刻，潤滑油供油不足所帶來的油膜破損對汽輪機的轉子的沖擊作用力是不同的。由于這種作用力的存在，使得該機組的轉子產生了附加的振動。而這種振動由于其附加沖擊激振力的隨機變化性，也表現出了明顯的隨機特征。這就意味著，其汽輪機組轉子的振動幅值將會呈現出快速波動和快速變化的特征 。

隨著進入汽輪機軸承和轉子之間的潤滑油的數量明顯減少，該機組的軸承和轉子之間產生的摩擦熱量無法及時地隨著潤滑油而被帶走，這就造成了汽輪機組軸承的金屬溫度、排油溫度以及回油溫度也高于正常情況下的相對應溫度值，從而引起汽輪機發電機組軸瓦的燒毀、轉子彎曲等重大設備損壞事故。因此，保持良好的油膜是確保汽輪機發電機組及其軸承安全運行的前提條件之一。

1.2 潤滑油供油不足時轉子及軸承的振動特征

1.2.1 時域振動特征

圖1～圖2為2臺不同的機組出現供油不足故障時機組振動變化曲線。兩臺機組的3號和4號軸承均為低壓轉子的前后支持軸承。圖示兩機組在首次啟動過的暖機階段，其低壓轉子的3號和4號X方向軸振(從機頭看的左手方向)的通頻幅值均快速波動，其波動幅值分別15 μm約17 μm，而軸振倍頻分量的幅值也出現輕微波動。因此其軸振產生大量低頻分量，使波動過程變得較為劇烈。

伴隨暖機階段轉速的增加,兩臺機組中的低壓轉子的3號和4號X方向軸振的通頻幅值波動量分別上升到23～36 μm和22～38 μm與此同時，兩機組的軸振的倍頻分量幅值的波動也隨之增加，且大量的低頻分量也出現在了低壓軸振中。此后隨著轉速繼續地增加，3號和4號軸振展現出更為強烈的快速波動現象，其中兩機組3號X方向的軸振分別在37～97 μm和40～100 μm，4號 X方向的軸振分別在58～155 μm和60～158 m之間波動。

如圖1～圖2所示，兩機組在穩速運行一段時間之后，軸振1倍頻分量的幅值也出現波動很快的情況，且其波動分量要高于低速和高速暖機階段的波動分量。雖然兩機組的1倍頻分量的幅值出現了隨著時間而相對減少的情況，可是機組的軸振總幅值卻只出現了極其少量的變化，換句話說，該機組1倍頻幅值分量的變化與軸振快速波動之間沒有聯系。

由于不存在瓦溫，這種不同的轉速導致低壓軸振幅值的快速波動振 動的情況也可最先確定該汽輪機組并非低頻失穩振動。加之兩臺機組的波動量隨著轉速增加而增加，且存在大量的低頻分量，故可以分析出承潤滑油供油不足就是是兩臺機組振動故障的原因。

圖1 某350 MW供熱機組1500 r/min下3X、4X軸振動時域變化曲線

圖2 某300 MW機組3000 r/min下3X、4X軸振動時域變化曲線

根據前文中所述的機理分析可知，這兩臺汽輪機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程中將會出現很大的變化。當油膜建立時，通過的油量必然加大，而油膜破裂后隨著轉子與軸瓦的接觸，通過軸承的油量必然減小。因此，當某一軸承出現供油不足問題時，油膜將反復出現“破碎-建立”這一過程。轉子及軸承的時域振動特征則會表現出如

圖1～圖2所示的振幅大幅度波動現象。

另外，隨著轉速的升高，轉子與軸承相對速度及油膜厚度將升高，供油不足則會更加嚴重，油膜 “破碎-建立”的循環過程必然加快。轉子及軸承振動振幅波動幅度及頻次較低轉速下將更加明顯。

1.2.2 頻域振動特征

圖3 某300MW供熱機組3000r/min下3X、4X軸振動頻譜

圖4 某350 MW供熱機組1500 r/min下4X軸振動頻譜

圖5 某350 MW供熱機組1500 r/min下3X軸振動頻譜

圖3為某300 MW機組在3000 r/min轉速下下3X、4X軸振動頻譜。由圖可知該機組在啟動沖轉過程以及空載定速過程中都出現了振動異常跳變的現象，同時定速過程中出現了#4 瓦溫度異常的現象。

機組頂軸油泵切換到潤滑油泵后，定速1500 r/min進行中速暖機，#4瓦振動開始出現明顯的快速跳變現象。振動跳變時，如圖4振動通頻值發生快速且大幅度的隨機跳變。在繼續升速的過程中，振動跳變現象仍然存在，而且其振動的跳變量以及變化速率隨著轉速的增加呈現出增大的趨勢。振動數值變化范圍大且具有隨機性。振動跳變時，通頻發生劇烈的隨機跳變。頻譜分析發現:振動跳變時，頻譜中出現了明顯的1.35 Hz低頻頻率分量。通頻振動的快速跳變正是由于該低頻分量的劇烈的隨機跳變所致。

同時該低頻振動隨著轉速的增加，低頻分量的成分沒有明顯的變化，而低頻成量跳變的程度(幅值變化范圍以及時間間隔)越發的劇烈。如圖4所示，4X方向在1500 r/mi時，某個振動跳變瞬間，1.35 Hz對應的幅值可達到94 μm，3000 r/min時，某跳變的某個瞬間1.35 Hz 對應的幅值達到了106 μm。基于以上的分析，綜合振動特征、#4瓦溫超標以及多次啟停頂軸油泵試驗的結果，判定機組的振動與軸承的潤滑油系統供油不足有關。

多次的現場實測數據表明，供油不足發生機組振動波動時，其振動波形中含有大量的低頻振動分量，如圖3～5所示。與自激振動(半速渦動、油膜振動或汽流激振)比較，這種振動在振動頻率及低頻分量的豐富程度上均有明顯差別。

2 潤滑油供油不足故障診斷方法

軸承潤滑油供油不足故障主要發生在新機調試及大修后的啟動試運過程中,主要原因為軸承箱進油濾網堵塞及軸承進、回油節流孔安裝錯誤。一般來講，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。由于潤滑油對轉子及軸承的冷卻作用，當出現供油下降時，勢必帶來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法，但實際工程中軸承的金屬溫度和回油溫度是應當被給予足夠重視的判斷因素。

(2)頂軸油壓力的大幅波動。當汽輪機組軸承供油不足的情況加劇時，在轉子高速旋轉的軸承中的油膜會反復地重復前文中所述 “破碎-建立”過程，油膜壓力隨之也將出現劇烈波動。此時，故障軸承的頂軸油壓就會表現出大幅度波動現象。

(3)故障軸承處(及其附近)轉子振動出現波動，且波動幅度及頻次隨著機組轉速的升高而加劇。整個汽輪機組的啟動過程里 , 軸承的振動均出現如此的變化趨勢，并且隨汽輪機轉速的增加越發的劇烈，同時機組軸振動的低頻分量也存在振幅增大的現象 , 且一般都分散在一個頻段范圍內。因此，我們甚至可以把轉速視為汽輪機組振動故障最基本相關量。

(4)汽輪機組的振動出現低頻的明顯特征。供油不足時汽輪機組的振動表現出明顯的隨機振動特征，其振動波形中含有大量的低頻振動分量，與自激振動(半速渦動、油膜振動或汽流激振)比較，在振動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，但根據機組運行過程中各軸承的運行參數及振動特征，還是可以對該類故障做出較為準確的診斷。