汽轮发电机组轴承失稳故障的诊断及处理

魏艳辉，苏 秦，刘一凡

（国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021）

1 轴承失稳机理

轴承失稳故障一般发生在大型汽轮发电机组的滑动轴承上。根据轴承类型的不同，发生失稳故障的概率也不同，其中圆筒瓦及椭圆瓦发生失稳故障的概率偏高，可倾瓦的稳定性相对较高，发生失稳故障的概率较前两种轴承低。据相关资料统计，椭圆瓦和可倾瓦的失稳故障分别占22%和3%［1］。机组轴承失稳故障的振动特征及诱因也不完全相同，根本原因均可总结为轴承的运行工况发生了变化，承载系数降低，产生了非线性的失稳力。

图1 滑动轴承失稳机理简图

汽轮机转子转动时，轴瓦与轴颈形成一层油膜以防止轴颈与轴承直接接触，转动过程中产生的热量被循环的润滑油带走，以避免轴承温度上升，保证轴瓦工作稳定。当转子静止时，轴瓦与轴颈直接接触，而当转子以角速度ω旋转，在油膜的作用下轴颈的中心就会发生移动，轴浮在油膜上，此时轴瓦中心与轴颈中心的连线下方油膜最薄，相反的方向油膜最厚。由于油楔的存在，油膜力F与轴瓦的载荷P会平衡；但随着转子转速升高，轴瓦中心与轴颈中心连线角度发生变化，油膜力、轴瓦的载荷也随之改变，两个力不平衡，其矢量和随之产生ΔP，将ΔP沿径向和切向分解得到F1和F2，由图1可知，径向力F1使轴颈回到平衡位置O1的力，而切向力F2使转子沿垂直于径向偏移方向运动，该力是轴承失稳的主要激振力，称为失稳力，是破坏轴承稳定性的根源。当失稳力大于轴承的阻尼力时，转轴便发生涡动，轴承失稳，振动幅值大幅升高，并夹杂着大量的低频分量，振动幅值急剧增加。若失稳力能量较小，则达到一定程度后受滑动轴承的束缚，转子支撑系统再次平衡，振动幅值维持在高位；若失稳能量巨大，则振动发散，发生机组毁坏的恶性事故。例如1972年日本海南电站3号机组发生的毁机失火事故［2］。

2 轴承失稳原因分析

轴承失稳主要从两个角度考虑，一是非线性激振力产生的诱发因素，二是轴承本身的承载特性。现结合近年所发生的轴承失稳振动案例，总结导致该类故障的原因。

2.1 轴系受外部因素扰动

机组轴系本身的突然不平衡、动静碰磨、轴系热弯曲、负荷突变以及电气扰动等因素会影响到轴颈在轴承中的轴心位置变化，由失稳力产生的机理可知，轴心位置的改变相当于改变了轴颈在轴承中的工作环境以及油膜的工作状态，激起图1中的失稳力F2。通化热电2号机低压缸前轴承的失稳便是由于电气扰动激起失稳力而导致振动突然上升而使汽轮机跳闸。

2.2 轴承参数不合理

轴承的检修工艺控制对轴承的工作状况影响很大，特别是轴承的顶隙、侧隙，其是否合理直接影响到油膜的工作环境。比如圆筒瓦和椭圆瓦，如果其顶隙过大或侧隙过小，则轴承上部的油膜力下降，轴承的偏心率减小，直接导致轴承的承载系数变低、稳定性下降，因此轴承的顶隙及侧隙调整不合理，往往是现场检修后启动导致轴承失稳的主要原因。通化钢铁自备电厂1号机检修后启动发生轴承失稳，主要原因为轴承顶隙及侧隙偏离设计值。对故障轴承重新修复及调整后，轴承振动幅值由120μm 降至21μm，在设计值允许范围内。

2.3 对轮中心不良或轴承标高不合理

对轮中心不良除了引起轴系局部动不平衡诱发工频振动增大外，还会使轴承的载荷发生变化，当轴承载荷较设计值低时，导致轴承的承载系数降低，进而诱发轴承稳定性下降。轴承标高不合理不仅仅体现在静态标高的调整上，因汽轮机阀序的改变或其他外部因素导致的轴承箱温度偏高均会使轴承的动态标高大幅度变化。无论是轴承静态标高调整的不合理还是轴承动态的异常变化，最终的结果均是轴承的载荷发生变化，同对轮中心不良一样，也会导致轴承的承载系数降低诱发轴承失稳。通化热电2号机轴承失稳，其根本原因是轴承标高不合理导致低压缸前轴承载荷下降。

2.4 润滑油温度及压力偏低

润滑油温度偏低则影响到润滑油的粘度，粘度越大在轴承中形成的油膜越厚，而变厚的油膜则直接影响到油膜刚度下降，从而引起轴承失稳。而润滑油压力过低则影响到油膜的形成，若轴承本身已处于失稳临界状态，则润滑油压力低会破坏油膜稳定性，导致轴承彻底失稳。

白天，蘑菇偶然路过信件收发室，发现一张寄给我的明信片后转交于我，上面写着一位年轻的医药代表几年前在他最困难的时期我向他伸出援手，渡过难关，如今，他的生活和事业已步入正轨，几次来访都没有见到我，特此致谢。

另外，轴瓦本身存在的缺陷，如轴瓦乌金面存在磨损、油囊形成不良等，也会影响润滑油油膜稳定性，致使轴承失稳。

3 轴承失稳的振动特征

3.1 振动故障发生时伴有异音

轴承失稳故障发生时，由于轴颈在轴承内发生撞击会听到类似轴承被拍击的“啪啪”声，机组外部会发出嗡嗡的声音。

3.2 轴瓦失稳时振动具有突发性

当轴承失稳故障发生时，振动的趋势会在短时间增大，而且发生前没有明显的征兆，个别案例发生振动时，往往来不及采取措施机组便已跳闸。空负荷发生轴承失稳故障时，往往汽轮机转速小范围变化，低频振动仍不会消除；带负荷运行时，某些案例通过改变进汽方式间接影响故障轴承的载荷时，振动幅值异常会消失。

升速过程中发生自激振动的转速称为失稳转速，当达到轴承失稳条件时振动显著上升；定速时发生轴承失稳，是因为轴承本身在3 000r/min工况时稳定性不好，处于失稳临界状态，当轴系有外部扰动、轴承载荷发生变化等因素时，轴承失稳。

3.3 轴承失稳时振动具有低频特征

轴瓦自激振动的频率特征多以半频或低频为主。根据相关案例对轴承失稳的机组进行频谱分析，发现多数机组在失稳时出现25Hz的半频振动，发生半速涡动，如通钢自备电厂1号机及通化热电厂2号机，主要是因为这些机组的故障轴承对应的转子一阶共振频率设计值超出25 Hz。而松花江热电厂6号机的油膜振荡，则在发生失稳时出现17.7 Hz振动分量，对应的机组转速略低于一阶共振转速。分析认为，因为故障轴承的载荷下降较多，影响到转子系统的支撑刚度，引起轴系在更低的转速下发生共振，因此轴承失稳工况下，轴系振动的低频分量的频率会低于原设计的一阶临界转速。松花江热电厂6号机轴承失稳瓦振及轴振频谱分析图为典型的轴承失稳振动频谱分析图（见图2）。

图2 松花江热电厂6号机轴承失稳振动及轴振频谱分析

由图2的频谱分析可以看出：当发生自激振动时，主要以低频振动为主，因为转子存在一定的不平衡量，在频谱中夹杂着工频振动分量。由振动的基本原理可知，仅发生一种频率的振动时，波形图为标准的正弦波；两种频率的振动同时发生时，振动波形表现为两种振动频率正弦波的叠加，波形的形状主要决定于振动的频率分量及各频率对应的幅值大小。以通钢自备电厂1号机组的振动为例，发生自激振动时，轴系还存在一定的不平衡，故轴瓦振动主要为低频及50Hz的振动分量，波形图较规则（见图3）。

3.4 轴承失稳与运行参数具有相关

图3 通钢自备电厂1号机轴承失稳振动波形

在机组运行参数方面，主要体现在机组负荷及润滑油参数，某些机组轴承发生低频振动后与机组负荷有一定相关性。如新疆东方希望300 MW 机组，其根本原因是不同负荷工况下的负载发生了变化，导致轴承的稳定性下降，在失稳临界状态时，振动幅值随着低频分量的变化而大幅度摆动；完全达到失稳状态后，在轴承束缚的作用下低频分量起主导作用，轴承振动的通频幅值表现为小幅波动。轴承振动与润滑油温度及压力的关系，体现在润滑油温度越低发生低频振动的概率越大，润滑油压力越低越不利于低频振动的控制。润滑油温度及压力并非低频振动的决定因素。

3.5 低频振动具有传递性

当机组的某个轴承发生失稳后便产生低频振动，随后波及相邻的轴承，在故障诊断的过程中，必须判断最先发生低频振动的轴承，重点处理。

4 轴承的承载系数及失稳的处理措施

4.1 轴承的承载系数

轴承类型的不同导致承载特性的不同，其抗失稳能力也有很大差异，轴承稳定性从低到高依次为：圆筒瓦、椭圆瓦、可倾瓦。机组投产后，若想通过更换轴承的类型解决轴承失稳引发的振动问题，需根据机组轴系载荷重新设计选型，该种故障处理周期较长。

轴承的稳定性主要取决于承载系数，轴承的承载系数S是轴承动态特性重要指标，是选用轴承的主要校核指标，也是处理轴承失稳而诱发自激振动的理论依据。承载系数S的理论公式为：）

式中：p为轴承比压；q为轴承载荷；D为轴颈直径；L为轴承长度；ψ为间隙比（轴承半径间隙与半径之比）；η润滑油黏度；ω轴旋转角速度。

S越大说明轴承的稳定性越好，失稳转速是承载系数的单值函数［3］，轴承稳定性示意图见图4，其中ωsc为失稳转速，ωk为刚性支撑一阶临界转速。

4.2 轴承失稳的处理措施

图4 圆筒瓦稳定性示意图

4.2.1 提高润滑油温度及压力

润滑油温度直接影响到油的黏度，提高油温可以有效降低油的黏度，增加轴颈在轴承中的偏心距。从公式（1）可以看出，降低油的黏度有利于提高轴瓦的稳定性。目前润滑油温度一般运行范围为38～42 ℃，当发生轴瓦失稳而诱发自激振动时，可以提高润滑油温到上限。采取调整润滑油的供油量并提升油膜的稳定性的措施提高润滑油压力。在松花江热电厂6号机组故障案例中，将润滑油温度由39℃提升至46 ℃，润滑油压由0.118 MPa升至0.168 MPa，低频振动消失，转轴振动幅值由处理前的330 μm 下降至110μm。

4.2.2 调整轴瓦载荷

由公式（1）中轴承承载系数的相关参数可以看出，轴瓦载荷越大越能提高轴承的稳定性。机组正常运行时，针对高压转子轴承失稳，可以通过更改调门进汽方式改变故障轴承的载荷；对于低压转子两侧轴承，可以通过调整凝汽器真空及排汽温度来实现轴承的载荷调整；对于轴承箱温度偏高导致的轴承失稳，也可以调整轴封漏气量，以免箱体温度过高影响轴承标高；停机后，可通过调整对轮中心及轴承下部垫片等方式，达到调整轴承载荷的目的。通化热电2号机组振动故障，停机后通过调整轴承标高来增强故障轴承的稳定性，最终解决了轴承失稳问题。

4.2.3 调整轴瓦间隙

减小轴承顶隙，增加侧边间隙，相当于增加偏心率，采用此措施的目的是改变间隙比，进而提高其稳定性。然而过大的侧面间隙同样不利于油膜的形成，如通钢自备电厂1号机组振动故障，在停机后对轴瓦检查，发现轴承的侧面间隙严重超出设计标准，轴瓦更换后重新调整该瓦的顶部及侧面间隙，使其在设计范围之内，解决了轴承失稳问题。

4.2.4 减小轴承长径比

减小轴承长径比的目的是提高轴承比压，从公式（1）可看出，提高p值对轴承承载系数的提升有直接作用。

4.2.5 消除导致轴承振动的其他因素

轴瓦的脱胎、磨痕、光洁度不良等因素及轴颈粗糙度、磨痕及圆度都会影响油膜形成，破坏轴承的稳定性。引起轴承转动的不平衡、热弯曲、电气扰动以及碰磨等，还导致轴颈在轴瓦中工作环境改变，使油膜特性受到影响，继而使轴承失稳诱发自激振动，因此，在出现轴承失稳诱发的振动故障时，可考虑消除这些外部因素。

5 结束语

目前我国火力发电厂汽轮机组的装机容量逐年递增，近年来仍有轴承失稳诱发的振动案例发生。分析振动原理可知，出现轴瓦自激振动的根本原因在于轴承失稳，设计不合理或机组检修过程中工艺达不到设计要求，都会导致失稳而诱发自激振动。出现失稳故障一般很难控制，但可以采用一系列措施治理，最终可以预防或消除振动，对于在机组运行工况下无法消除的振动则必须停机检修。

［1］ 宋光雄，张煜，王向志，等.大型汽轮机发电机组油膜失稳故障研究与分析［J］.中国电力，2012，45（5）：63－67.

［2］ 陆颂元.汽轮发电机组振动［M］.北京：中国电力出版社，2000.

［3］ 寇胜利.汽轮发电机组的振动及现场平衡［M］.北京：中国电力出版社，2007.