汽轮机轴承故障引起的不稳定振动特征分析

曹浩，施青，程贵兵，张柏林

(1． 国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙410007;2． 国电克拉玛依发电有限公司，新疆 克拉玛依834003)

转子—轴承—基础系统是旋转机械的核心，滑动轴承作为该系统中的一个重要环节，其运转状态将直接影响旋转机械的工作性能。

旋转机械工作时，轴瓦与轴颈表面间会形成油膜，支撑转子运转。当轴瓦出现故障时，会导致油膜失稳、轴承温度升高、振动增大。若不及早处理，振动会进一步恶化，严重时会使机组受到永久性损伤，甚至出现安全事故。

文章针对2 台汽轮发电机组出现的不稳定振动故障，结合负荷、瓦温等历史数据进行了分析。指出不稳定振动是由于轴瓦故障引起的，总结了出现这类故障的特征。

1 第1 台机组

1.1 振动情况介绍

某厂4 号为200 MW 汽轮发电机组，轴系布置如图1 所示。

图1 机组轴系图

2012年5月3日，该机组带150 MW 负荷运行时1 号瓦x，y 方向轴振出现剧烈波动，最高分别达到250 μm 和110 μm。机组被迫停机，此过程中瓦振变化不大。

图2 给出了机组从4月20日到停机之前连续14 天1 号轴承瓦振以及x，y 方向的轴振情况。轴振的发展可以大致地分为潜伏期、发展期与爆发期等3 个阶段。在潜伏期，x、y 方向轴振均值为130 μm 和45 μm，波动幅度为50 μm 和20 μm;进入发展期后，振动均值有所上升，达到150 μm 和60 μm，波动幅度也达到100 μm 和40 μm;达到振动爆发期后，振动的平均值变化不大，但波动幅度达到了180 μm 和100 μm，最大振动达到250 μm 和110 μm。瓦振的总体幅值较小，进行细分的话也存在着一定的不稳定，同样类似的分为3 个阶段。

图2 1 号轴承振动随时间变化曲线

图3 给出了振动变化期间机组负荷的变化情况，振动发展期间，负荷稳定在130 MW 到190 MW 之间。后期由于振动过大而降低了负荷，在负荷降低的过程中振动仍在扩展。

图3 负荷随时间变化曲线

图4 给出了轴振波动期间1 号轴承回油温度的变化情况。同轴振相似，1 号轴承回油温度起初波动较小，随着时间的推移出现较大幅度的振荡。

图4 1 号轴承回油温度变化曲线

1.2 振动与过程参数之间的相关分析

相关系数和移动方差定义如下:

式中Xi、Yi分别代表2 个样本中的数据，、为2 个样本的期望值，N 为样本长度。t 为数据分析所选取的时长，从计算时刻开始往前选取，为数据的移动平均值。

相关系数r 越接近±1 说明2 组数据的相关性越好，越接近0 说明2 组数据完全无关;方差越大代表数据的波动越大。当样本的时长较小时，移动方差可以较好反映出数据的短期突变;样本的时长较大时，移动方差可以更好地反映长期趋势的变化。为兼顾反应短期和长期的变化，下文分析中的样本时长选为6 h。

图5，6 分别给出了回油温度与1 号轴振的移动方差曲线。两者的波动存在一定的相似特征，都在4月23日x 方向轴振方差曲线与油温方差曲线均第1 次出现一个较大的波动，之后波动逐渐加剧。

图5 轴振移动方差曲线

图6 回油温度移动方差曲线

表1 给出了机组各个相关参数之间的相关系数。可以看到，x 与y 方向的轴振数据可以认为完全相关，瓦振与轴振数据的相关性也很好，说明三者的振动是完全联系在一起的。

同时振动存在很大的随机性，与机组负荷变化的相关性很低。但从对轴振移动方差曲线和回油温度移动方差曲线的相似分析可以看出，两者具有较强的正相关性。且在轴振的潜伏期当中，回油温度即出现了大幅度的波动，是振动变化的一个早期信号。

表1 相关参数间的相关系数

根据上述分析，判断该机组的不稳定振动是由于轴承故障所引起。在随后的检查当中发现轴承下瓦乌金出现碎裂。

2 第2 台机组

某台超临界660 MW 汽轮发电机组，轴系简图如图7 所示。

图7 某660 MW 机组轴系结构示意图

2011年8月10 号机组检修之后启机。4 号轴承为可倾式轴承，启动过程中，其轴振在1 100 r/min后快速增大，至1 390 r/min 时达到跳机值而打闸停机。在此过程中，瓦温、瓦振均在正常范围内。

图8 给出了4 号瓦x，y 测点启停机Bode 图，升速到1 100 r/min 左右时，4 号轴振x，y 方向均出现快速增大的异常情况。转速升到1 350 r/min时，由于振动过大而打闸停机，打闸后振动仍有所增大，x，y 方向轴振最大分别达335 μm 和305 μm。此时4 号轴承瓦振仅有6 μm。

图8 4 号x、y 轴振启停机Bode 图

图9 为1 350 r/min 时4 号瓦x、y 轴振频谱图。振动的基频幅值小于25 μm，振动频谱主要为1x/3的低频分量。

图9 1 350 r/min 时4 号轴振x、y 测点频谱图

由上述现象初步怀疑4 号轴瓦出现故障。在随后的检查中发现，可倾瓦上瓦靠近调端侧弹簧折断，折断弹簧如图10 所示。乌金在折断弹簧对角处出现磨损，如图11 所示。

图10 可倾瓦折断弹簧

图11 可倾瓦瓦块磨损

3 结论

2 台机组出现的不稳定振动都是由于轴承故障所引起，通过轴瓦更换或者检修解决了振动问题。

2 台机组轴瓦故障表现的特征都为不稳定振动，第1 台早期波动幅度较小，中后期波动幅度大幅上升，以至于不可控，振动与负荷等过程参数关系不大。第2 台轴瓦故障后可能会出现大幅度不稳定低频分量。故障发生后轴振表现突出，而瓦振不明显，在机组状态监测时要关注轴振的变化，一旦出现不稳现象定要及时进行分析，做好预防准备工作。

〔1〕杨建刚． 旋转机械振动分析与工程应用〔M〕． 北京:中国电力出版社，2007．

〔2〕施维新． 汽轮发电机组振动及事故〔M〕． 北京:中国电力出版社，1998．

〔3〕田永伟，李军，杨建刚，等． 某超临界660 MW 机组异常振动分析与治理〔J〕． 电站系统工程，2012，28(2):43-45．

〔4〕张学延． 汽轮发电机组振动诊断〔M〕． 北京:中国电力出版社，2008．

〔5〕李录平． 汽轮发电机组碰摩振动的检测、诊断与控制〔M〕．北京:中国电力出版社，2006．