潤滑油不足時(shí)汽輪機(jī)組的振動(dòng)特征及故障診斷

肖坤鋒　吳昊

摘要：汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)具有潤滑、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滑油來進(jìn)行潤滑和冷卻。正常運(yùn)行時(shí)，潤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，也需要大量的潤滑油來進(jìn)行冷卻換熱。由于潤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。

關(guān)鍵詞：能源與動(dòng)力工程;汽輪機(jī);潤滑油;振動(dòng)

1潤滑油供油不足時(shí)機(jī)組的特征及故障診斷

1.1潤滑油供油不足時(shí)機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理

隨著進(jìn)入汽輪機(jī)軸承和轉(zhuǎn)子之間的潤滑油的數(shù)量明顯減少，該機(jī)組的軸承和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的摩擦熱量無法及時(shí)地隨著潤滑油而被帶走，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。

當(dāng)汽輪機(jī)軸承的潤滑油供油不足的時(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，潤滑油供油不足所帶來的油膜破損對(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。

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

1.2.1時(shí)域振動(dòng)特征

圖示兩機(jī)組在首次啟動(dòng)過的暖機(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15μm約17μm，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23～36μm和22～38μm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37～97μm和40～100μm，4號(hào)X方向的軸振分別在58～155μm和60～158m之間波動(dòng)。如圖1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，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，故可以分析出承潤滑油供油不足就是兩臺(tái)機(jī)組振動(dòng)故障的原因。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程中將會(huì)出現(xiàn)很大的變化。當(dāng)油膜建立時(shí)，通過的油量必然加大，而油膜破裂后隨著轉(zhuǎn)子與軸瓦的接觸，通過軸承的油量必然減小。

1.2.2頻域振動(dòng)特征

機(jī)組頂軸油泵切換到潤滑油泵后，定速1500r/min進(jìn)行中速暖機(jī)，#4瓦振動(dòng)開始出現(xiàn)明顯的快速跳變現(xiàn)象。振動(dòng)跳變時(shí)，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。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1.35Hz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。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(fā)生在新機(jī)調(diào)試及大修后的啟動(dòng)試運(yùn)過程中，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(duì)轉(zhuǎn)子及軸承的冷卻作用，當(dāng)出現(xiàn)供油下降時(shí)，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(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)過程里，軸承的振動(dòng)均出現(xiàn)如此的變化趨勢，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。

結(jié)束語：

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。

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