［摘要］
簡要闡述了汽輪機機組由於潤滑油供油不足而引起的低頻振動的機理和現象；對某實際機組振動故障進行了分析，說明了診斷過程以及處理的方法。並在此基礎上總結了供油不足引起的振動特徵，為潤滑油供油不足的故障分析提供依據。
郭嘉1 何新榮1 傅行軍2
（1。國電科學技術研究院，2。東南大學火電機組振動國家工程研究中心）
近年來，隨著機組引數以及容量的變化，汽輪機機組低頻振動故障的發生也隨之增多，影響機組的安全執行。汽輪發電機機組低頻振動的機理複雜，涉及因素廣，增加了故障診斷以及治理的難度。常見的引起低頻振動的故障有自激振動（如：油膜渦動（振盪），汽流激振），動靜摩擦，引數振動等［1］。
本文所描述的低頻振動故障是由於軸承潤滑油供油不足而引發。該故障的特徵與一般的低頻振動有一定的相似性，但也有明顯的不同。診斷的過程中需要結合振動的趨勢圖，伯德圖，頻譜圖進行有效的分析。同時還可以藉助瓦溫，回油溫度，潤滑油壓力等引數進行輔助判定［2］。
1 供油不足引起振動的機理
因自身結構特點，大型汽輪機機組都採用油膜軸承進行支承。油膜軸承支承的工作原理為楔形效應：在軸承空間內，軸頸與軸承孔間存在一定的間隙（一般約為軸頸直徑的千分之幾），轉子旋轉時，軸頸會向旋轉方向發生偏移，從而在軸承的空間內形成收斂的油楔區和發散的油楔區。潤滑油在流動過程中由於受到擠壓而形成動壓油膜，從而支承轉子的負荷。
軸承內的潤滑油一方面支承著轉子，使得轉子與軸承烏金之間有效的分離；另一方面流過軸承的潤滑油不斷的將由於摩擦形成的熱量帶走［3］ 起到潤滑冷卻的作用。
當潤滑油出現供油不足時，進入軸承油楔區的油量減少且不連續，軸承與轉子之間會處於半乾摩擦的狀態，油量的不足和不連續導致了動壓油膜出現破裂。油膜的破裂一方面會影響軸承的支承剛度，另外一方面油膜的破裂會給轉子施加一定的附加衝擊。由於油膜破裂點的位置以及數目的不確定性，從而附加的衝擊力也是隨機變化的。支承剛度的變化以及附加隨機衝擊的綜合作用使得轉子的振動特徵帶有很強的隨機性。表現為轉子振動呈現出劇烈跳變的特徵（幅值變化範圍大，時間間隔短）。同時由於油量的減少，軸承潤滑不充分，摩擦產生的熱量不能夠及時的帶走，相同的工況下瓦溫，回油溫度等會高於正常執行工況。
2 例項分析
2.1 機組簡介
某電廠機組系東方汽輪機廠超臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、間接空冷汽輪機。機組型號為CJK350/285-24。2/1。40/0。40/566/566。額定功率：350 MW，最大連續輸出功率391。678 MW。機組轉子之間採用剛性聯軸器連線。機組共有6 個支承軸承，軸系示意圖如圖1 所示。汽輪發電機組軸系中除#1、#2 軸承採用可傾瓦式軸承外，其餘軸承均採用橢圓形軸承。
該機組在除錯整套啟動期間，衝轉過程中當頂軸油泵切換到潤滑油泵後，中速暖機階段#4 瓦振動出現明顯的劇烈跳變，幅值變化範圍大，時間間隔短。在隨後的過程中，隨著轉速的增加，跳變的程度越發劇烈。3000 r/min 空載執行時發現，#4 瓦的瓦溫快速爬升，現場監控溫度達到107 ℃，且仍有繼續上升的趨勢，同時回油穩定以高出正常值。其餘瓦的引數均保持穩定且在合格範圍內。結合啟停頂軸油泵試驗以及各項引數分析，準確判斷出了問題所在，並提出針對性的建議，使得機組順利完成整套啟動並進入168 h 執行。
2.2 啟動過程中振動跳變特徵以及瓦溫超標問題
機組在啟動衝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。在前後幾次的衝轉過程中都出現了以下特徵：
（1）機組頂軸油泵切換到潤滑油泵後，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，振動通頻值發生快速且大幅度的隨機跳變。如圖2 所示；
（2） 繼續升速的過程中，振動跳變現象依然存在，且振動的跳變數以及變化速率隨著轉速的增加呈現出增大的趨勢。振動數值變化範圍大且具有隨機性。當轉速上升到一定階段時，工頻的相位角也發生快速變化。如圖3 所示；
（3） 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。25 Hz 低頻頻率分量。通頻振動的快速跳變正是由於該低頻分量的劇烈的隨機跳變所致。同時該低頻成分有明顯的以下特點：
a。 隨著轉速的增加，低頻分量的成分沒有明顯的變化。如圖4 所示。
b。 隨著轉速的增加，低頻成量跳變的程度（幅值變化範圍以及時間間隔）越發的劇烈。（例如在4X方向在1500 r/min 時，某個振動跳變瞬間，1。25Hz對應的幅值可達到97μm，3000r/min 時，跳變的某個瞬間1。25Hz 對應的幅值達到了104μm）。而其餘振動分量並未明顯變化。如圖5~圖6 所示。
（4） 3000 r/min 空載定速執行期間，#4 瓦溫快速爬升，溫度達到107℃，且仍有繼續上升的趨勢，#4 瓦回油溫度也比正常值偏高，而其餘瓦的引數均保持穩定且在合格範圍內；
（5） 降速過程中，當頂軸油系統投入以後，振動跳變現象消失。
2.3 故障分析以及診斷
根據多次啟停過程中出現的振動特徵來看，機組存在低頻的振動故障，為此對機組的低頻振動故障做出比較。
（1） 低頻的振動出現在機組的低壓轉子，且空負荷執行階段就存在，這說明可以排除汽流激振引起低頻故障的原因。
（2） 頻譜分析發現低頻分量僅為1。25 Hz。隨著轉速的增加，該低頻分量的成分並沒有發生明顯的變化，這與油膜渦動（振盪）的特徵有著明顯的區別。
（3） 低頻振動隨機變化，跳變幅值範圍大，跳變時間間隔較短，與機組由於摩擦而引起的振動不穩定有明顯的不同，故而排除機組摩擦的可能性。
（4） 空載定速執行過程中#4 瓦溫度出現快速的爬升現象，現場溫度達到107 ℃，且仍有繼續爬升的趨勢，同時#4 瓦的回油溫度也比正常值偏高。現場執行過程中，進行了啟停頂軸油泵試驗。當頂軸油系統啟用後，發現#4 瓦的瓦溫快速下降至76 ℃。頂軸油系統運轉期間，監測引數發現#4 瓦溫度保持在76 ℃，且#4 瓦的振動跳變現象消失。停運頂軸油系統後，#4 瓦的溫度立刻出現爬升，振動跳變現象也隨之出現。重複幾次啟停頂軸油泵試驗，結果都相同。
基於以上的分析，綜合振動特徵、#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。故建議電廠：
（1） 檢查油孔是否堵塞，潤滑油迴圈時臨時濾網是否拆除或者是否堵塞；
（2） 軸承進出油的管路是否以及存在洩漏導致供油不足。
經檢查後發現機組潤滑油迴圈時，#4 處的臨時濾網沒有拆除，且濾網已被嚴重堵塞。將臨時濾網拆除後機組順利衝轉，振動均在優良範圍內，振動跳變以及低頻振動故障徹底消失，瓦溫也在合格範圍內。
3 結論
從理論分析以及現場案例分析可以看出，軸承潤滑油供油不足產生的低頻振動有以下特徵：（1） 潤滑油供油不足時，機組振動會出現隨機的大幅度跳變，振動幅值隨機變化，幅值變化範圍大且跳變時間間隔短；（2） 頻譜分析發現振動的跳變是由於低頻成分的劇烈變化所致。該低頻分量成分隨著轉速的增加並未發生明顯的變化，這點與油膜渦動（振盪）的特徵有著明顯的區別；（3） 潤滑油供油不足引起的振動跳變程度（幅值變化範圍，間隔時間）隨著轉速的增加愈發劇烈；（4） 潤滑油供油不足時，軸承得不到充分的潤滑，可以利用瓦溫以及回油溫度作為輔助判斷引數。
參考文獻
［1］ 陳松平。 汽輪發電機組低頻振動故障分析［J］。 發電裝置，2015：200～204。
［2］ 李力， 楊毅 660 MW機組除錯期間振動和瓦溫超標分析與處理［J］。機電資訊， 2016： 139～140。
［3］ 楊建剛。 旋轉機械振動分析與工程應用［M］。中國電力出版社，2008。
注：原文發表於《電站系統工程》2017年第5期，原文標題為“供油不足低頻振動故障分析以及某汽輪機機組故障診斷”
