王天佑，戴 韧

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

汽轮机润滑油系统具有润滑、密封和冷却功能,是保证汽轮机运行安全的关键因素之一。高速运转的汽轮发电机组，其支持轴承需要大量的润滑油来进行润滑和冷却。正常运行时，润滑油在轴承中形成稳定的油膜，保证转子良好的运转；同时，由于转子的热传导，表面摩擦以及油涡流会产生很大的热量，为确保转子、轴承在适当温度下的平稳运行，也需要大量的润滑油来进行冷却换热。

由于润滑油减少或中断将引起汽轮发电机轴瓦烧毁、转子弯曲等重大设备损坏事故。因此，研究轴承润滑油供油不足时的振动特性，结合轴承的其它故障特征对上述故障提前做出准确预判，对防止断油烧瓦事故具有重要的现实意义。

1 润滑油供油不足时机组的特征及故障诊断

1.1 润滑油供油不足时机组的振动机理

汽轮机发电机组由于其自身的设计机构特点，支持轴承均采用径向动压轴承。根据滑动轴承油膜的动压理论，楔形间隙(油楔)、足够的润滑油量及相对运动速度是轴瓦与转子表面之间行成油膜的必备条件。在转子高速旋转时的轴承中，轴颈与轴承孔之间有一定的间隙，转子一旦高速旋转起来时，轴承和轴颈之间就会充满动力润滑油。由于油楔的存在，轴承与转子之间的润滑油将形成动压油膜，并据此保持转子与轴承在非接触状态下持续运转。

当汽轮机轴承的润滑油供油不足的时候，因为被卷入在轴承间隙里面的滑油流量的逐渐减少以及其不连续的特点，故使得汽轮机的轴承和转子之间形成半干摩擦的状况。因此，在汽轮机的轴承和转子之间的那部分油膜就会破损。此时，转子的相对位置将发生明显变化，并且在油膜破损的同时会直接为汽轮机的转子施加相当强度的附加冲击作用力。受两者叠加的影响，转子及轴承的振动均将发生显著的变化。另外，根据以往的实验可知，汽轮机的油膜破损情况不仅仅是自始至终只会发生在机组轴承的某个固定部位，而是随着时间的不同，其油膜破损点的数量也会发生巨大的变化。因此，在不同的时刻，润滑油供油不足所带来的油膜破损对汽轮机的转子的冲击作用力是不同的。由于这种作用力的存在，使得该机组的转子产生了附加的振动。而这种振动由于其附加冲击激振力的随机变化性，也表现出了明显的随机特征。这就意味着，其汽轮机组转子的振动幅值将会呈现出快速波动和快速变化的特征 。

随着进入汽轮机轴承和转子之间的润滑油的数量明显减少，该机组的轴承和转子之间产生的摩擦热量无法及时地随着润滑油而被带走，这就造成了汽轮机组轴承的金属温度、排油温度以及回油温度也高于正常情况下的相对应温度值，从而引起汽轮机发电机组轴瓦的烧毁、转子弯曲等重大设备损坏事故。因此，保持良好的油膜是确保汽轮机发电机组及其轴承安全运行的前提条件之一。

1.2 润滑油供油不足时转子及轴承的振动特征

1.2.1 时域振动特征

图1～图2为2台不同的机组出现供油不足故障时机组振动变化曲线。两台机组的3号和4号轴承均为低压转子的前后支持轴承。图示两机组在首次启动过的暖机阶段，其低压转子的3号和4号X方向轴振(从机头看的左手方向)的通频幅值均快速波动，其波动幅值分别15 μm约17 μm，而轴振倍频分量的幅值也出现轻微波动。因此其轴振产生大量低频分量，使波动过程变得较为剧烈。

伴随暖机阶段转速的增加,两台机组中的低压转子的3号和4号X方向轴振的通频幅值波动量分别上升到23～36 μm和22～38 μm与此同时，两机组的轴振的倍频分量幅值的波动也随之增加，且大量的低频分量也出现在了低压轴振中。此后随着转速继续地增加，3号和4号轴振展现出更为强烈的快速波动现象，其中两机组3号X方向的轴振分别在37～97 μm和40～100 μm，4号 X方向的轴振分别在58～155 μm和60～158 m之间波动。

如图1～图2所示，两机组在稳速运行一段时间之后，轴振1倍频分量的幅值也出现波动很快的情况，且其波动分量要高于低速和高速暖机阶段的波动分量。虽然两机组的1倍频分量的幅值出现了随着时间而相对减少的情况，可是机组的轴振总幅值却只出现了极其少量的变化，换句话说，该机组1倍频幅值分量的变化与轴振快速波动之间没有联系。

由于不存在瓦温，这种不同的转速导致低压轴振幅值的快速波动振 动的情况也可最先确定该汽轮机组并非低频失稳振动。加之两台机组的波动量随着转速增加而增加，且存在大量的低频分量，故可以分析出承润滑油供油不足就是是两台机组振动故障的原因。

图1 某350 MW供热机组1500 r/min下3X、4X轴振动时域变化曲线

图2 某300 MW机组3000 r/min下3X、4X轴振动时域变化曲线

根据前文中所述的机理分析可知，这两台汽轮机组的轴承受油膜高度的影响，其回油量在油膜的建立及破碎过程中将会出现很大的变化。当油膜建立时，通过的油量必然加大，而油膜破裂后随着转子与轴瓦的接触，通过轴承的油量必然减小。因此，当某一轴承出现供油不足问题时，油膜将反复出现“破碎-建立”这一过程。转子及轴承的时域振动特征则会表现出如

图1～图2所示的振幅大幅度波动现象。

另外，随着转速的升高，转子与轴承相对速度及油膜厚度将升高，供油不足则会更加严重，油膜 “破碎-建立”的循环过程必然加快。转子及轴承振动振幅波动幅度及频次较低转速下将更加明显。

1.2.2 频域振动特征

图3 某300MW供热机组3000r/min下3X、4X轴振动频谱

图4 某350 MW供热机组1500 r/min下4X轴振动频谱

图5 某350 MW供热机组1500 r/min下3X轴振动频谱

图3为某300 MW机组在3000 r/min转速下下3X、4X轴振动频谱。由图可知该机组在启动冲转过程以及空载定速过程中都出现了振动异常跳变的现象，同时定速过程中出现了#4 瓦温度异常的现象。

机组顶轴油泵切换到润滑油泵后，定速1500 r/min进行中速暖机，#4瓦振动开始出现明显的快速跳变现象。振动跳变时，如图4振动通频值发生快速且大幅度的随机跳变。在继续升速的过程中，振动跳变现象仍然存在，而且其振动的跳变量以及变化速率随着转速的增加呈现出增大的趋势。振动数值变化范围大且具有随机性。振动跳变时，通频发生剧烈的随机跳变。频谱分析发现:振动跳变时，频谱中出现了明显的1.35 Hz低频频率分量。通频振动的快速跳变正是由于该低频分量的剧烈的随机跳变所致。

同时该低频振动随着转速的增加，低频分量的成分没有明显的变化，而低频成量跳变的程度(幅值变化范围以及时间间隔)越发的剧烈。如图4所示，4X方向在1500 r/mi时，某个振动跳变瞬间，1.35 Hz对应的幅值可达到94 μm，3000 r/min时，某跳变的某个瞬间1.35 Hz 对应的幅值达到了106 μm。基于以上的分析，综合振动特征、#4瓦温超标以及多次启停顶轴油泵试验的结果，判定机组的振动与轴承的润滑油系统供油不足有关。

多次的现场实测数据表明，供油不足发生机组振动波动时，其振动波形中含有大量的低频振动分量，如图3～5所示。与自激振动(半速涡动、油膜振动或汽流激振)比较，这种振动在振动频率及低频分量的丰富程度上均有明显差别。

2 润滑油供油不足故障诊断方法

轴承润滑油供油不足故障主要发生在新机调试及大修后的启动试运过程中,主要原因为轴承箱进油滤网堵塞及轴承进、回油节流孔安装错误。一般来讲，轴承供油不足具有以下的故障特征：

(1)轴承瓦温及回油温度变化。由于润滑油对转子及轴承的冷却作用，当出现供油下降时，势必带来轴承及回油温度的上升。尽管存在将其视为辅助判断因素的说法，但实际工程中轴承的金属温度和回油温度是应当被给予足够重视的判断因素。

(2)顶轴油压力的大幅波动。当汽轮机组轴承供油不足的情况加剧时，在转子高速旋转的轴承中的油膜会反复地重复前文中所述 “破碎-建立”过程，油膜压力随之也将出现剧烈波动。此时，故障轴承的顶轴油压就会表现出大幅度波动现象。

(3)故障轴承处(及其附近)转子振动出现波动，且波动幅度及频次随着机组转速的升高而加剧。整个汽轮机组的启动过程里 , 轴承的振动均出现如此的变化趋势，并且随汽轮机转速的增加越发的剧烈，同时机组轴振动的低频分量也存在振幅增大的现象 , 且一般都分散在一个频段范围内。因此，我们甚至可以把转速视为汽轮机组振动故障最基本相关量。

(4)汽轮机组的振动出现低频的明显特征。供油不足时汽轮机组的振动表现出明显的随机振动特征，其振动波形中含有大量的低频振动分量，与自激振动(半速涡动、油膜振动或汽流激振)比较，在振动频率及低频分量的丰富程度上均有明显差别。

总之，虽然供油不足造成的危害很大，但根据机组运行过程中各轴承的运行参数及振动特征，还是可以对该类故障做出较为准确的诊断。