楊曉鋒，吳宗健

（杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司，浙江杭州 310018）

1 汽輪機(jī)組低頻振動(dòng)

某汽輪機(jī)組為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)用凝汽式汽輪機(jī)，額定轉(zhuǎn)速12 000 r/min，前、后徑向軸承為5 瓦可傾瓦軸承，布置方式為下部2 塊瓦、上部3 塊瓦。按照API 612—2020《石油、化工和天然氣工業(yè)用 特種用途汽輪機(jī)》，在最高連續(xù)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，該機(jī)組前、后軸承處的軸振幅應(yīng)在25 μm 以下。但該機(jī)組在單機(jī)試車時(shí)，還未到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，前軸承處軸振幅就已超標(biāo)，經(jīng)歷幾次降速?zèng)_轉(zhuǎn)，振動(dòng)均未能達(dá)標(biāo)。具體表現(xiàn)為：機(jī)組剛啟動(dòng)時(shí)，前軸承處軸振幅為7 μm 左右；之后隨轉(zhuǎn)速增加振動(dòng)平穩(wěn)上升，在轉(zhuǎn)速升到9000 r/min 左右時(shí)，振幅達(dá)到20 μm；隨轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，振幅繼續(xù)增大且開始大幅波動(dòng)，到11 889 r/min 時(shí)，振幅最高達(dá)到37 μm，隨后降速停機(jī)（圖1）。對應(yīng)頻譜圖顯示，9000 r/min 之前，振動(dòng)頻率主要為工頻，即轉(zhuǎn)子工作頻率，是由轉(zhuǎn)子本身剩余不平衡量引起的振動(dòng)；9000 r/min 后，振動(dòng)頻率中出現(xiàn)較明顯的低頻成分，稍低于0.5 倍工作頻率，振幅在5 μm 左右（圖2）；隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，低頻振幅不斷增大，到11 889 r/min 時(shí)，低頻振幅已經(jīng)超過工頻振幅，成為振動(dòng)頻率的主要成分（圖3）。

圖1 前軸承處軸振趨勢

圖2 9000 r/min 時(shí)前軸承處軸振頻譜

圖3 11 889 r/min 時(shí)前軸承處軸振頻譜

為消除上述振動(dòng)故障，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

（1）潤滑油溫試驗(yàn)。將潤滑油進(jìn)油溫度由38 ℃升高到42 ℃，前軸承處最大軸振下降到29 μm 左右，且轉(zhuǎn)速上升到9500 r/min后，才出現(xiàn)低頻振動(dòng)分量，繼續(xù)升速時(shí)不穩(wěn)定波動(dòng)的幅度有所降低。

（2）潤滑油壓試驗(yàn)。將潤滑油進(jìn)油壓力由0.1 MPa 提高到0.13 MPa，前軸承處軸振稍有下降，降低幅度在3～5 μm。

2 汽輪機(jī)低頻振動(dòng)的原因分析

2.1 振動(dòng)特征及原因分析[1～3]

結(jié)合故障表象和相關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)有如下特征：①振動(dòng)頻率與工作頻率不同，主要為接近于0.5 倍頻的低頻分量；②振動(dòng)趨勢呈不穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，且波動(dòng)的振幅值較大，轉(zhuǎn)速低于9000 r/min 時(shí)，振動(dòng)以工頻分量為主，高于9000 r/min后，開始出現(xiàn)低頻振動(dòng)，且時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速升高，直至超過工頻振動(dòng)成為主要振動(dòng)頻率；③振動(dòng)對潤滑油狀態(tài)的變化比較敏感，潤滑油溫和油壓升高后，振動(dòng)狀況有所好轉(zhuǎn)。

綜合以上振動(dòng)特征分析，該機(jī)組前軸承處軸振增大及持續(xù)不穩(wěn)定波動(dòng)的原因，是軸承油膜失穩(wěn)引起了轉(zhuǎn)子的自激振動(dòng)。

2.2 油膜失穩(wěn)機(jī)理[4～5]

轉(zhuǎn)軸在軸承內(nèi)以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果不存在外界擾動(dòng)力，軸頸中心將在其靜平衡位置上穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)有外界擾動(dòng)力作用在轉(zhuǎn)軸上時(shí)，軸頸中心可能會(huì)偏離其靜平衡位置，在油膜交叉剛度的作用下，會(huì)產(chǎn)生徑向彈性力和切向力。徑向力的方向與軸頸偏離的方向相反，會(huì)推動(dòng)軸頸中心回到靜平衡位置，切向力的方向則與軸頸偏離的方向垂直，會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著垂直于偏移的方向運(yùn)動(dòng)。如果切向力的大小超過了系統(tǒng)本身的阻尼力，就會(huì)引起轉(zhuǎn)軸的渦動(dòng)，開始渦動(dòng)后，轉(zhuǎn)軸所受的離心力就會(huì)增大，軸頸中心偏離的距離也隨之增大，所產(chǎn)生的切向力也更大，進(jìn)一步推動(dòng)轉(zhuǎn)軸渦動(dòng)，形成自激振動(dòng)。

大多數(shù)油膜失穩(wěn)故障發(fā)生在機(jī)組升速和超速試驗(yàn)過程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升到某一值時(shí)，轉(zhuǎn)軸開始渦動(dòng)，渦動(dòng)的頻率稍低于轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的0.5 倍，開始渦動(dòng)的這個(gè)轉(zhuǎn)速稱為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。這時(shí)，轉(zhuǎn)軸處于自激振動(dòng)的起始階段，隨后機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，轉(zhuǎn)軸渦動(dòng)頻率也隨之升高，但始終維持在稍低于轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的0.5 倍。油膜渦動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)軸振幅一般較低，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)，由于共振的放大作用，轉(zhuǎn)軸振幅會(huì)增大，此時(shí)油膜渦動(dòng)會(huì)消失，越過臨界轉(zhuǎn)速后，油膜渦動(dòng)又重新出現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到大于2 倍臨界轉(zhuǎn)速后，渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)軸固有頻率重合，產(chǎn)生共振，振動(dòng)幅值會(huì)急劇增大，油膜渦動(dòng)發(fā)展成為油膜振蕩，轉(zhuǎn)軸處于自激振動(dòng)的后期階段。

油膜振蕩有如下特點(diǎn)：①油膜渦動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率主要為工頻，發(fā)展成為油膜振蕩后，工頻振動(dòng)會(huì)減小，低頻振動(dòng)會(huì)急劇增大，甚至超過工頻振動(dòng)，成為主要振動(dòng)頻率；②振動(dòng)幅值很大，且具有突發(fā)性，接近油膜振蕩時(shí)，低頻振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)的趨勢，振幅忽高忽低，一旦出現(xiàn)油膜振蕩，振幅會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)劇增；③油膜振蕩是由于油膜渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)軸一階固有頻率重合導(dǎo)致的，因此只有當(dāng)轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的2 倍后，才有可能發(fā)生油膜振蕩；④油膜振蕩與軸承內(nèi)潤滑油的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，潤滑油的溫度和壓力、軸承型式、軸承頂隙和側(cè)隙、載荷等都會(huì)對油膜振蕩產(chǎn)生不同程度的影響；⑤油膜振蕩故障大多發(fā)生在升速階段，尤其是超速試驗(yàn)過程中。

2.3 消除油膜失穩(wěn)的方法[6～7]

消除油膜失穩(wěn)故障，一般可從減小外界擾動(dòng)和提高軸承穩(wěn)定性這兩個(gè)方面入手。

（1）減小外界擾動(dòng)。在機(jī)組升速過程中，當(dāng)存在外界擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子可能會(huì)提前失穩(wěn)，即在到達(dá)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)子就開始渦動(dòng)。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，大軸晃度、軸端瓢偏、轉(zhuǎn)軸振動(dòng)、軸頸橢圓度、轉(zhuǎn)軸彎曲等都是重要的外界擾動(dòng)因素，有可能引起轉(zhuǎn)軸的自激振動(dòng)，需盡量減小這些因素的影響。

（2）提高軸承穩(wěn)定性。主要是通過采取各種措施，來增大軸頸相對于軸承中心的偏心率，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸頸偏心率越大，軸承的穩(wěn)定性就越好。這些措施包括：①采用穩(wěn)定性更好的軸承；②減小軸承頂隙、增大軸承側(cè)隙，提高軸承預(yù)負(fù)荷，減小頂隙可以通過修刮軸承中分面來實(shí)現(xiàn)，增大側(cè)隙可以采用修刮進(jìn)、出口油囊的方法；③減小軸承寬徑比，增大軸承比壓；④取消上半軸瓦的環(huán)向油槽；⑤提高潤滑油供油溫度或更換黏度較低的潤滑油。

3 處理措施及效果

3.1 高速動(dòng)平衡

轉(zhuǎn)軸的不平衡振動(dòng)是該機(jī)組最主要的外部擾動(dòng)因素，減小軸振動(dòng)可有助于消除故障。在該機(jī)組停機(jī)冷卻后，將轉(zhuǎn)子拆出，在高速動(dòng)平衡設(shè)備上再次進(jìn)行高速動(dòng)平衡，進(jìn)一步降低剩余不平衡量，減小轉(zhuǎn)軸的不平衡振動(dòng)。

3.2 減小軸承頂隙

可傾瓦軸承包含有多個(gè)瓦塊，每個(gè)瓦塊都可以繞其支點(diǎn)擺動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，每個(gè)瓦塊都能根據(jù)軸頸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而自由調(diào)整位置，形成最合適的油楔，以適應(yīng)轉(zhuǎn)速、機(jī)組負(fù)荷等的變化。由于在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可傾瓦軸承中每塊瓦的油膜力都會(huì)通過軸頸中心，因此不會(huì)產(chǎn)生切向失穩(wěn)力，是目前公認(rèn)的穩(wěn)定性最好的軸承。穩(wěn)定性最好并不代表永遠(yuǎn)不會(huì)失穩(wěn)，其穩(wěn)定性與軸承安裝狀態(tài)、軸承間隙大小等有很大關(guān)系，軸承頂隙較大，承載較輕時(shí)，可傾瓦軸承的油膜阻尼較小，抵抗外界擾動(dòng)的能力較差，容易引起失穩(wěn)[8]。相反，當(dāng)可傾瓦軸承的頂隙較小時(shí)，上瓦的油膜力較大，轉(zhuǎn)子相對靜平衡位置的偏移量較小，轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好[9]。因此，通過修磨軸承中分面來減小該機(jī)組軸承的頂隙，以提高穩(wěn)定性。

3.3 處理后效果

經(jīng)過高速動(dòng)平衡、減小軸承頂隙后，該機(jī)組按規(guī)定流程重新暖機(jī)啟動(dòng)，在整個(gè)升速期間、穩(wěn)定運(yùn)行及超速試驗(yàn)階段，機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)良好，通頻振幅在15 μm 左右，主要振動(dòng)頻率為工頻，低頻振動(dòng)基本消失，也未出現(xiàn)振幅波動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)問題得以解決（圖4）。

圖4 處理后前軸承處軸振趨勢

4 結(jié)論

（1）該機(jī)組發(fā)生不穩(wěn)定低頻振動(dòng)的原因是油膜失穩(wěn)?？蓛A瓦軸承的穩(wěn)定性最好，但并非絕對穩(wěn)定，軸承間隙和載荷都會(huì)影響軸承的穩(wěn)定性。

（2）降低軸振動(dòng)可減小外界擾動(dòng)因素，有利于提高穩(wěn)定性，機(jī)組在安裝、檢修時(shí)應(yīng)將外界擾動(dòng)因素降至最小。

（3）減小軸承頂隙可提高穩(wěn)定性，該機(jī)組減小軸承頂隙后振動(dòng)指標(biāo)達(dá)到優(yōu)秀水平。

該機(jī)組的振動(dòng)故障原因分析及處理過程，可為同類型機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，提供相應(yīng)參考。