大型汽轮发电机组油膜失稳故障研究与分析_宋光雄.doc

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1、 63 第第 5 期期 宋光雄等：大型汽轮发电机组油膜失稳故障研究与分析 中 国 电 力 ELECTRIC POWER Vol. 45， No. 5 May 2012 发 电 大大 型型 汽汽 轮轮 发发 电电 机机 组组 油油 膜膜 失失 稳稳 故故 障障 研研 究究 与与 分分 析析 宋光雄 1，张煜 2，王向志 1，谢骐宇 1，宋君辉 1，张云河 3 （ 1.华北电 力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京 102206; 2. 国核电力规划设计研究院，北京 100095; 3.辽宁东方发电有限公司，辽宁 抚顺 113008） 0 引言 汽轮发电机组是一种高速旋转动力机械，轴

2、承 是汽轮发电机组的重要部件，轴承的稳定与否直接 关系到轴系的稳定运行，而轴承振动故障中又以油 膜失稳较为常见。国内外都出现过许多由油膜失 稳而导致的事故，如 1972 年日本海南电站 3 号机组 （ 600 MW）发生的毁机失火事故 1 。 通过油膜失稳故障案例，分析了油膜涡动、油 膜振荡故障发生的原因、振动特征，并根据分析结 果提出了油膜失稳故障诊断的依据和处理措施，为 汽轮发电机组安全运行提供技术参 考。 1 油膜失稳故障概况 油膜失稳故障一般包括油膜涡动和油膜振荡 2 个过程。在轴承稳定状态时，轴颈只围绕其轴心旋 转，油膜产生的支撑力和载荷平衡，轴颈处于平衡 位置。当转子受到外界扰动时

3、，油膜除产生沿偏移 方向的弹性恢复力外，还要产生一个垂直于偏移方 向的切向失稳分力，这个失稳分力有使轴颈偏离原 来平衡位置的趋势。如果油膜中的阻尼力大于失 稳力，轴颈就会回到原来的平衡位置；如果失稳力 超过阻尼力，就会出现油膜失稳故障。转速小于转 子第一临界转速的 2 倍时，这种油膜失稳故障就是 油膜涡动，涡动 频率约等于同步转速频率的一半， 转速达到转子第一临界转速的 2 倍后，涡动频率和 转子固有频率重合发生共振，轴承振动幅值会急剧 增大，即为油膜振荡。 部分油膜失稳故障案例 2-10 如表 1 所示。根据 这些案例对油膜失稳故障产生的原因和轴承型式 进行了统计分析，其主要原因有外界扰动过

4、大（占 34%），轴承标高不当（占 18%），轴承间隙不适（占 18%）和轴承型式不当（占 15%）以及润滑油温过低 （占 9%）等。 现场使用的 4 种轴承（可倾瓦、椭圆瓦、三油楔 瓦和圆筒瓦）都出现过油膜失稳故障，但圆筒 瓦和 三油楔瓦的故障率比较高（分别占 44%、 31%），主 要是这 2 种轴承的稳定性相对差一些，椭圆瓦和可 倾瓦故障分别占 22%、 3%。 2 油膜失稳振动特征 当机组发生油膜失稳故障时，转子的振动特性 会发生变化。目前对油膜失稳振动特性研究已经 有大量理论分析成果，通过与现场案例总结比较， 可以更准确得出转子在实际工况下的振动情况，有 利于油膜失稳故障的诊断。油膜

5、窝动故障特征如 图 1 所示、油膜振荡故障特征如图 2 所示。 2.1 低频振动频率 （ 1）低频振动频率。油膜失稳故障振动特征频 率低于工频频率。通过案例总结，油膜涡动故障特 征频率接近转子同步转动频率的一半，并且随着转 收稿日期： 2011-10-29；修回日期： 2012-03-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51075146） 作者简介：宋光雄（ 1973 ），男，吉林延吉人，副教授，从事发电设备状态监测与故障诊断研究。 E-mail： 摘 要：汽轮发电机组油膜失稳是现场常见的振动故障，一旦发生将产生严重的后果。通过分析油膜失稳 故 障案例，总结故障发生的主要原因有外界扰

6、动过大、轴 承标高不当、轴承间隙不适、轴承型式不当和润滑 油 温过低，分析了低频振动频率、振幅变化与运行参数关系及其他相关特征，给出故障处理措施。根据分析 结 果，提出了油膜失稳故障诊断的依据和预防油膜失稳故障的措施，为汽轮发电机组安全运行提供技术参考 与 借鉴。 关键词：油膜涡动；汽轮发电机组振动；油膜振荡；振动特征 中图分类号： TK267 文献标志码： B 文章编号： 1004-9649(2012)05-0063-05 64 中 国 电 力 第 45 卷 发 电 图 1 油膜涡动故障特征 Fig.1 Fault feature of oil film whirl 表 1 部分典型油膜失稳

7、故障案例 Tab.1 Some cases of typical oil film instability 速的变化而变化。而油膜振荡故障特征频率是接 近转子第一临界转速频率，且不随转速的变化而变 化，具有“ 锁频” 特性。某电厂 200 MW 东方汽轮机 组油膜振荡瀑布如图 3 10 所示。理论分析也证明 了这种低频特征频率是由于油膜力与载荷 不平衡 产生的失稳力造成的，其涡动频率等于同步转速的 一半。随着转速的升高，涡动频率与转子第一临界 转速频率相重合时发生共振发展为油膜振荡，其振 荡频率为转子固有频率 11-12 。 （ 2）低频振动频率幅值特征。油膜涡动特征频 率的振动幅值与转子实时

8、转动频率的振动幅值之 比通常为 0.32.0，频谱图中常伴随频率为工频，且 机组名称 华能重庆电厂燃气发电机组 华能德州电厂 1 号机组 秦岭电厂 2 号机组 清镇电厂首台机组 韶关发电厂 10 号机组 通辽电厂 1 号机组 某发电厂 2 号机组 某发电厂超临界机组 某电厂东方汽轮机组 机组功率 /MW 35 300 125 200 300 200 50 1 000 200 事故原因 轴承标高变 化 、 发电机对中不 良 、 轴承载荷降低 冷热态轴承标高变化 轴承间隙不适 ， 轴承类型稳定性差 轴承稳定性差 外界扰动力使轴颈位移造成失稳 轴系不对中 ， 轴承标高变化 润滑油温度低造成轴承稳定性

9、差 轴承间隙接近设计上限 ， 轴承负载过小 轴承稳定性差 轴承形式 圆筒瓦 椭圆瓦 圆筒瓦 三油楔瓦 圆筒瓦 三油楔瓦 椭圆瓦 可倾瓦 三油楔瓦 65 第 5 期 宋光雄等：大型汽轮发电机组油膜失稳故障研究与分析 发 电 142 23 3 090 154 22 3 120 162 21 3 150 165 20 3 180 166 19 3 210 170 18 3 240 48 20 3 270 15 21 3 300 4 7 22 3 150 23 3 120 24 3 090 25 3 060 26 3 030 27 3 000 19 Hz LX 转 速 （/ rmin-1） 工频的振动

10、幅值和相位保持稳定；而油膜振荡特征 频率的振动幅值与工作 频率的振动幅值之比为 2.0 10.0，且工频的振动幅值和相位也保持稳定。这是 由于油膜涡动相对于油膜振荡振动幅值通常不大， 振幅比值不大；而发生油膜振荡时产生共振，振幅剧 增，振幅比值很大 13 。从图 3 可以看出，油膜振荡 19 Hz 的低频振动幅值与 1 倍频幅值比值大于 2.0。 2.2 振幅变化 油膜失稳故障振幅变化主要是分析振动信号 通频振幅的变化特征。 （ 1）振动突发性。通常振动在某一转速下突然 发生，数秒钟之内振动幅值就可以达到很高。振动 的突变性在升速过程和定速运行时都出现过。几 乎所 有的油膜失稳故障案例都具有振

11、动突发性。 （ 2）振动不稳定性。发生油膜失稳故障时，通 频振动时域波形畸变，而非一般不平衡振动所出现 的较为平直稳定的曲线。 （ 3）振幅变化趋势。振幅变化有 2 种趋势：振 幅波动和振幅发散。振幅波动指的是振动幅值通 常在一定范围内大幅度的波动，即振动可以突然出 现，也可以突然消失，消失之后还可以再次出现，波 动过程中并无明显规律可循。振幅发散是发生油 膜失稳故障时，轴承振动幅值急剧突升，或引起跳 闸或振幅基本保持一定幅值。 2.3 与运行参数的关系 （ 1）振动与负荷关系不明显。 油膜失稳故障在 机组负荷发生变化时，轴承的振动不会受到影响， 与负荷关系不明显，这也是油膜失稳故障和气流激

12、振明显的区别。 （ 2）对润滑油温敏感。轴承润滑油温升高对机 组振动有减小或消失影响，但不是决定性因素，属 于非典型特征。此类故障出现时，一般轴承的稳定 性处于稳定和不稳定临界点附近，当油温变化会改 变轴承的稳定性。 2.4 传递性和噪音 （ 1）振动传递性。一般发生油膜失稳时，都是 由某一个轴承先出现失稳，然后波及相邻的轴承， 尤其对相邻轴承的垂直振动影响很大。 （ 2）振动噪音。油膜振荡故障时，在轴承就地 检查能够发现轴承振动显著且发 出“ 咚咚 ”的 噪 音。这是因为轴承发生共振，激发润滑油能量，造 成轴颈位移过大，油膜破裂，轴颈 撞击轴瓦，出现振 动幅值剧增、轴承振动感显著、轴承噪音等

13、。 （ 3）轴心轨迹。油膜涡动的轴心轨迹由标准椭 圆变为双环椭圆，而油膜振荡的轴心轨迹则为花瓣 形或无规则发散状。 （ 4）惯性效应。油膜失稳故障一般是在升速过 程中，转速大于失稳转速后出现。但是油膜失稳发 生后 ，当 机组降速到该失稳转速时 ，振 动并不减 小。只有当转速进一步降低后，振动才会减小。在 升速、降速过程中，振动突增出现和消失对应转速 的不同，称“ 惯性效应” 。 3 油膜失稳故障原因 3.1 运行因素 机组在运行过程中，由于运行参数变化，例如 凝汽器真空、发电机氢压、轴承润滑油温度、主再热 蒸汽温度等发生变化都会影响轴系的稳定运行。 其影响主要包括外界扰动过大、轴承标高变化和润

14、 滑油温度变化。 （ 1）外界扰动过大。由于机组冲转暖机时间不 足、机组膨胀不均造成静止部件和转动部件发生碰 磨；或是工质温度与转子温度不匹配造成转子和汽 缸温度分布不均发生弯曲变形都会产生不平衡扰 动力。这种不平衡力使轴颈在轴承内扰动过大，易 产生油膜失稳故障。 （ 2）轴承标高变化。由于机组在热态时轴系中 心变化，以及凝汽器真空、发电机氢压和冷却水温 度变化都会引起轴承标 高的变化，而轴承标高直接 关系到轴承负荷的分配，即使机组启动前各轴承载 荷分配合理，但是在机组带负荷时转子轴系中的有 些轴承载荷减少，使轴承易发生油膜失稳故障。 （ 3）润滑油温度。润滑油粘度和润滑油温度有 直接关系，润

15、滑油温度升高，润滑油粘度下降，粘度 的降低将增加轴承的偏向率，提高轴承的稳定性。 运行中对润滑油温的控制不当，将引起油膜失稳。 3.2 轴承型式的影响 现场通常使用的 4 种支持轴承，按稳定性从高 到低依次为可倾瓦、椭圆瓦、三油楔瓦和圆筒瓦。 圆筒瓦承载能力大，但稳定性较差，适用于低速重 载转 子；椭圆瓦有 2 个油楔适合中高速中等载荷； 三油楔瓦适用于中、高转速及中等载荷轴承，但其 动态稳定性较差；可倾瓦由若干可绕其支点转动的 轴瓦弧段组成，可形成若干油楔，适用于高转速轻 66 中 国 电 力 第 45 卷 发 电 图 4 油膜失稳处理措施 Fig.4 Treatment of oil fi

16、lm instability 载和重载转子。 3.3 安装检修的影响 轴承的安装和检修质量对轴承的工作状况影 响很大，例如轴承的顶隙、侧隙、轴承座的标高、轴 承的长径比、轴瓦的紧力和联轴器的连接等都会影 响轴承的稳定性。 （ 1）轴承顶部间隙过大。轴承顶隙过大会使轴 颈上部的油膜力下降， 即降低了轴承的载荷，使轴 承偏心率降低，轴承稳定性下降。任何形式的轴承 顶部间隙过大都会使轴承的稳定性显著下降。 （ 2）轴承长径比过大。在轴承轴颈的直径一定 时，轴承长度过大将使有效截面增大，使轴承比压 降低。 轴承比压是轴承单位面积所承受的载荷。 提高轴承比压可提高轴承的稳定性。因此，轴承长 径比过大使轴

17、承比压降低，导致轴承稳定性下降。 （ 3）轴承座动刚度过大。虽然轴承座动刚度大 能够减小轴瓦的振动，但是这将会导致轴颈相对振 动增大，影响轴承的稳定 14 。 （ 4）其他轴瓦缺陷。还有一些和轴承检修质量 有 关的原因，如轴承紧力、轴瓦过度修刮等轴承缺 陷影响轴承的稳定性和油膜的形成。 4 油膜失稳故障处理 油膜失稳故障的处理是根据故障产生的原因， 从减小轴颈扰动过大和提高轴承稳定性两大方面 来解决轴承油膜失稳问题。以往的消除故障措施 都是从增加轴承的稳定性方面着手 ，但 未必总有 效，因此，对故障的内因和外因都应重视。通过减 小外界不平衡力来减小轴颈扰动过大；而提高轴 承 稳定性则可从改善轴

18、承工作状况和更换使用稳定 性更高的轴承进行处理，如图 4 所示。 4.1 减小外界扰动 通常转子发生热弯曲、转子轴系不对中、转子 质量不平衡都会造成不平衡力的增大，是激起轴承 油膜失稳故障的外部振源。因此，对转子发生热弯 曲时进行校正和直轴、对转子质量不平衡的转子进 行动平衡处理和对转子轴系不对中时检查转子连 接的同心度等措施减小外部扰动力。 4.2 提高轴承稳定性 （ 1）减小轴承顶隙。轴颈的偏心率越大，轴承 的稳定性越好。 偏心率是偏心距与轴承间隙之 比，当偏心距不变时，轴承间隙减小，偏心率增大； 同时增大轴承侧隙，使得轴承的椭圆度增大，稳定 性提高。 但是轴承的顶隙也不能太小 ，否 则易

19、引 起轴承温度的升高。发电机组轴瓦顶部间隙通常 为轴颈直径的 1.0 1.5 ，通 常顶隙取下限 ；椭 圆度为 1/2 1/3。 （ 2）合理调整轴承标高。轴承标高的不合理会 造成轴承比压下降，使轴承稳定性下降。一般通过 直接在失稳轴承下部加垫，在相邻 轴承抽垫调整轴 系标高。当前大机组轴承比压为 1.7 1.9 MPa。 （ 3）控制润滑油温度。提高润滑油温度可使润 滑油粘度降低，减小油膜的阻尼，轴承偏心率增大， 轴承稳定升高。但油温过高会加快油质的老化，运 行规程规定润滑油温度正常在 35 49 ，建议温 度保持在 45 左右。 （ 4）减小长径比。轴承长径比减小，轴承比压 升高，轴承稳定

20、性提高。通常采取减小轴承长度来 减小长径比。在轴承轴颈的直径一定时，减小轴承 的长度，一方面使有效截面减少，轴承比压增加，使 轴承稳定性增大；另一方面可以使轴承下瓦油 膜力 减小，轴承偏心率增大，也使轴承稳定性提高。一 般轴承的长径比为 0.6 0.7。 （ 5）提高轴承检修质量。轴瓦的腐蚀、裂纹、脱 胎、轴颈的划痕，椭圆度、光洁度等轴承缺陷都会影 响轴承油膜的形成和降低轴承的稳定性。因此，提 高轴承检修质量将提高轴承的稳定性。提高轴承 检修质量包括提高轴颈和轴瓦检修质量，对轴颈主 要是轴颈表面粗糙度、圆度和圆柱度，一般要求轴 颈 圆 度 与 圆 柱 度 不 大 于 0.02 mm，轴 颈 的

21、 Ra 值 取 0.2。对轴瓦主要是瓦块刮研一定严格按照规程执 行，对轴瓦磨损的处 理：可以修刮的进行修刮；对 损伤严重或脱胎的 ，进 行补焊或更换瓦块。 同时 下瓦接触角正确，使其轴瓦与轴颈接触良好。 （ 6）更换稳定轴承。如果采取其他措施后，只 是暂时的维持轴承稳定，仍不能彻底消除油膜失稳 故障，可以更换稳定性更高的轴承，通常油膜失稳 故障都会消除。 5 结语 通过分析现场油膜失稳故障案例，总结油膜涡 67 第 5 期 宋光雄等：大型汽轮发电机组油膜失稳故障研究与分析 发 电 动和油膜振荡的振动特征。同时提出根据故障原 因应采取的措施。为预防油膜失稳故障的发生提 出建议：（ 1）启动过程

22、更易发生油膜失稳故障，应加 强监视冷态启机和停机过程的运行参数；（ 2）在设 计时低压转子轴承尽可能采用落地轴承，否则应加 强监视汽缸排汽温度、真空度、凝汽器水位等参数； （ 3）在机组大小修时，应提高检修质量，尤其对轴承 的检修要严格按照规定处理；（ 4）与轴承相关的运 行参数，如润滑油压力、温度、油质等参数应加强监 视和定期检查，特别是润滑油温度运行时尽量保持 在正常范围的平均值附近 ；（ 5）机 组应加装 TDM （汽轮机诊断监视）系统，加强低频分量的监视，同 时定期检查轴承标高。 参考文献： 1 尹绪雨 .大型汽轮发电机组油膜失稳故障诊断技术的研究 D . 北京：华北电力大学， 200

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24、hao-rui, SONG Bin, JIANG Rui-jin, et al. Abnormal vibration features and it s elimination measures of 300 MW steam turbine generating unit in Huaneng Dezhou Thermal Power Plant J . Electric Power, 1995, 38（ 5） : 9-13. 4白尚刚，庞秀荣 . 秦岭 2 号汽轮发电机组油膜振荡原因分析及处 理 J .西北电力技术， 2004， 32（ 3） :44-47. BAI Shang-gang

25、, PANG Xiu-rong. Reason analysis and treatment of oil whip on No.2 unit in Qinling Power Plant J . Northwest China Electric Power, 2004, 32（ 3） :44-47. 5曾治邦，梅显华，王原善 . 清镇电厂 200 MW机组油膜振荡的消除 J .热力发电， 1995（ 6） :52-56. ZENG Zhi-bang, MEI Xian-hua, WANG Yuan-shan. Elimination of oil whip on 200 MW unit in

26、 Qinzhen Power Plan t J .Thermal Power Generation, 1995（ 6） :52-56. 6卢建农 . 300 MW 机组运行中振动突 增的原因及处理 J . 电力安 全技术， 2006（ 6） : 10-11. LU Jian-nong. Reason and treatment of vibration sudden increase on operation of a 300 MW unit J .Electric Safety Technology, 2006 （ 6） : 10-11. 7 王德和 . 通辽 1、 2 号 200 MW 机

27、组振动处理 J .吉林电力技术 , 1986（ 6） : 13-19. WANG De-he. Vibration treatment on o.1, 2 200 MW unit in Tongliao J . Jilin Electric Power Technology, 1986（ 6） : 13-19. 8冯永新 .50 MW 汽轮发电机组大修后异常振动的分析处理 J .广 东电力， 2005,18（ 11） : 48-50. FENG Yong-xin. Analysis and treatment of abnormal vibration of overhauled 50 MW

28、steam turbo-generator set J . Guangdong Electric Power Technology, 2005, 18（ 11） : 48-50. 9刘石，陈君国，王飞，等 . 超超临界 1 000 MW 机组油膜涡动故障 分析和处理 J汽轮机技术， 2010， 52（ 5） :373-375. LIU Shi, CHEN Jun-guo, WANG Fei, et al. Analysis and treatment of oil whirl on 1 000 MW ultra-supercritical unit J .Turbine Technology,

29、 2010, 52（ 5） :373-375. 10 张学延 . 汽轮发电机组振动诊断 M . 北京：中国电力出版社， 2008. 11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. 12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. 13 李录平，卢绪祥 . 汽轮发电机组振动与处理 M . 北京：中国电 力出版社 ， 2007. 14 施维新，石静波 . 汽轮发电机组振动及事故 M . 北京：中国电 力出版社， 2008. （责任编辑 沈法） Study and analysis on oil-film instab

30、ility of large-scale turbine generator SONG Guang-xiong1, ZHANG Yu2, WANG Xiang-zhi1, XIE Qi-yu1, SONG Jun-hui1, ZHANG Yun-he3 (1.Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing102206, China; 2.Stat

31、e Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China; 3.Liaoning Dongfang Power Co.,Ltd., Fushun 113008, China) Abstract: Oil film instability of turbine generator was a common failure which has serious consequence. By analyzing the oil-film instability cases, the rea

32、sons were summarized, such as the large external disturbance, unsuitable bearing elevation, unsuitable bearing clearance, unsuitable bearing type and too low lubrication oil temperature. The relations between the low frequency vibration frequency, amplitude change and operation parameters and other

33、related features were analyzed. According to the analysis, the measures and the basis for fault diagnosis of the oil-film instability were proposed, which can provide a technical references for the safe operation of the units. Key words: oil film whirl; vibration of turbine generator; oil film whip; vibration characteristic