汽轮机低频振动原因分析及处理

杨晓锋，吴宗健

（杭州中能汽轮动力有限公司，浙江杭州 310018）

1 汽轮机组低频振动

某汽轮机组为驱动压缩机用凝汽式汽轮机，额定转速12 000 r/min，前、后径向轴承为5 瓦可倾瓦轴承，布置方式为下部2 块瓦、上部3 块瓦。按照API 612—2020《石油、化工和天然气工业用 特种用途汽轮机》，在最高连续转速范围内，该机组前、后轴承处的轴振幅应在25 μm 以下。但该机组在单机试车时，还未到达额定转速，前轴承处轴振幅就已超标，经历几次降速冲转，振动均未能达标。具体表现为：机组刚启动时，前轴承处轴振幅为7 μm 左右；之后随转速增加振动平稳上升，在转速升到9000 r/min 左右时，振幅达到20 μm；随转速继续上升，振幅继续增大且开始大幅波动，到11 889 r/min 时，振幅最高达到37 μm，随后降速停机（图1）。对应频谱图显示，9000 r/min 之前，振动频率主要为工频，即转子工作频率，是由转子本身剩余不平衡量引起的振动；9000 r/min 后，振动频率中出现较明显的低频成分，稍低于0.5 倍工作频率，振幅在5 μm 左右（图2）；随着转速继续上升，低频振幅不断增大，到11 889 r/min 时，低频振幅已经超过工频振幅，成为振动频率的主要成分（图3）。

图1 前轴承处轴振趋势

图2 9000 r/min 时前轴承处轴振频谱

图3 11 889 r/min 时前轴承处轴振频谱

为消除上述振动故障，进行了如下试验：

（1）润滑油温试验。将润滑油进油温度由38 ℃升高到42 ℃，前轴承处最大轴振下降到29 μm 左右，且转速上升到9500 r/min后，才出现低频振动分量，继续升速时不稳定波动的幅度有所降低。

（2）润滑油压试验。将润滑油进油压力由0.1 MPa 提高到0.13 MPa，前轴承处轴振稍有下降，降低幅度在3～5 μm。

2 汽轮机低频振动的原因分析

2.1 振动特征及原因分析[1～3]

结合故障表象和相关振动数据，可以发现振动有如下特征：①振动频率与工作频率不同，主要为接近于0.5 倍频的低频分量；②振动趋势呈不稳定波动状态，且波动的振幅值较大，转速低于9000 r/min 时，振动以工频分量为主，高于9000 r/min后，开始出现低频振动，且时隐时现，随着转速升高，直至超过工频振动成为主要振动频率；③振动对润滑油状态的变化比较敏感，润滑油温和油压升高后，振动状况有所好转。

综合以上振动特征分析，该机组前轴承处轴振增大及持续不稳定波动的原因，是轴承油膜失稳引起了转子的自激振动。

2.2 油膜失稳机理[4～5]

转轴在轴承内以一定转速旋转时，如果不存在外界扰动力，轴颈中心将在其静平衡位置上稳定运转。当有外界扰动力作用在转轴上时，轴颈中心可能会偏离其静平衡位置，在油膜交叉刚度的作用下，会产生径向弹性力和切向力。径向力的方向与轴颈偏离的方向相反，会推动轴颈中心回到静平衡位置，切向力的方向则与轴颈偏离的方向垂直，会推动转子沿着垂直于偏移的方向运动。如果切向力的大小超过了系统本身的阻尼力，就会引起转轴的涡动，开始涡动后，转轴所受的离心力就会增大，轴颈中心偏离的距离也随之增大，所产生的切向力也更大，进一步推动转轴涡动，形成自激振动。

大多数油膜失稳故障发生在机组升速和超速试验过程中，当机组转速升到某一值时，转轴开始涡动，涡动的频率稍低于转动频率的0.5 倍，开始涡动的这个转速称为失稳转速。这时，转轴处于自激振动的起始阶段，随后机组转速继续升高，转轴涡动频率也随之升高，但始终维持在稍低于转动频率的0.5 倍。油膜涡动时的转轴振幅一般较低，当转速升高到临界转速附近时，由于共振的放大作用，转轴振幅会增大，此时油膜涡动会消失，越过临界转速后，油膜涡动又重新出现。当转速升高到大于2 倍临界转速后，涡动频率与转轴固有频率重合，产生共振，振动幅值会急剧增大，油膜涡动发展成为油膜振荡，转轴处于自激振动的后期阶段。

油膜振荡有如下特点：①油膜涡动时，振动频率主要为工频，发展成为油膜振荡后，工频振动会减小，低频振动会急剧增大，甚至超过工频振动，成为主要振动频率；②振动幅值很大，且具有突发性，接近油膜振荡时，低频振动会出现不稳定波动的趋势，振幅忽高忽低，一旦出现油膜振荡，振幅会在非常短的时间内剧增；③油膜振荡是由于油膜涡动频率与转轴一阶固有频率重合导致的，因此只有当转速超过转子一阶临界转速的2 倍后，才有可能发生油膜振荡；④油膜振荡与轴承内润滑油的流动状态有关，润滑油的温度和压力、轴承型式、轴承顶隙和侧隙、载荷等都会对油膜振荡产生不同程度的影响；⑤油膜振荡故障大多发生在升速阶段，尤其是超速试验过程中。

2.3 消除油膜失稳的方法[6～7]

消除油膜失稳故障，一般可从减小外界扰动和提高轴承稳定性这两个方面入手。

（1）减小外界扰动。在机组升速过程中，当存在外界扰动时，转子可能会提前失稳，即在到达失稳转速之前，转子就开始涡动。对于旋转机械而言，大轴晃度、轴端瓢偏、转轴振动、轴颈椭圆度、转轴弯曲等都是重要的外界扰动因素，有可能引起转轴的自激振动，需尽量减小这些因素的影响。

（2）提高轴承稳定性。主要是通过采取各种措施，来增大轴颈相对于轴承中心的偏心率，运转时的轴颈偏心率越大，轴承的稳定性就越好。这些措施包括：①采用稳定性更好的轴承；②减小轴承顶隙、增大轴承侧隙，提高轴承预负荷，减小顶隙可以通过修刮轴承中分面来实现，增大侧隙可以采用修刮进、出口油囊的方法；③减小轴承宽径比，增大轴承比压；④取消上半轴瓦的环向油槽；⑤提高润滑油供油温度或更换黏度较低的润滑油。

3 处理措施及效果

3.1 高速动平衡

转轴的不平衡振动是该机组最主要的外部扰动因素，减小轴振动可有助于消除故障。在该机组停机冷却后，将转子拆出，在高速动平衡设备上再次进行高速动平衡，进一步降低剩余不平衡量，减小转轴的不平衡振动。

3.2 减小轴承顶隙

可倾瓦轴承包含有多个瓦块，每个瓦块都可以绕其支点摆动，机组运行时，每个瓦块都能根据轴颈的运动状态而自由调整位置，形成最合适的油楔，以适应转速、机组负荷等的变化。由于在稳定运转时，可倾瓦轴承中每块瓦的油膜力都会通过轴颈中心，因此不会产生切向失稳力，是目前公认的稳定性最好的轴承。稳定性最好并不代表永远不会失稳，其稳定性与轴承安装状态、轴承间隙大小等有很大关系，轴承顶隙较大，承载较轻时，可倾瓦轴承的油膜阻尼较小，抵抗外界扰动的能力较差，容易引起失稳[8]。相反，当可倾瓦轴承的顶隙较小时，上瓦的油膜力较大，转子相对静平衡位置的偏移量较小，转子—轴承系统的稳定性较好[9]。因此，通过修磨轴承中分面来减小该机组轴承的顶隙，以提高稳定性。

3.3 处理后效果

经过高速动平衡、减小轴承顶隙后，该机组按规定流程重新暖机启动，在整个升速期间、稳定运行及超速试验阶段，机组的振动数据良好，通频振幅在15 μm 左右，主要振动频率为工频，低频振动基本消失，也未出现振幅波动现象，振动问题得以解决（图4）。

图4 处理后前轴承处轴振趋势

4 结论

（1）该机组发生不稳定低频振动的原因是油膜失稳。可倾瓦轴承的稳定性最好，但并非绝对稳定，轴承间隙和载荷都会影响轴承的稳定性。

（2）降低轴振动可减小外界扰动因素，有利于提高稳定性，机组在安装、检修时应将外界扰动因素降至最小。

（3）减小轴承顶隙可提高稳定性，该机组减小轴承顶隙后振动指标达到优秀水平。

该机组的振动故障原因分析及处理过程，可为同类型机组的设计和运行，提供相应参考。