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轴承知识
关于5MW汽轮机油膜涡动的分析
杨峰
(萍乡萍钢安源钢铁有限公司)
  摘 要:萍乡萍钢安源钢铁有限公司动力厂自2007年建有一台5MW汽轮发电机组,利用炼钢轧钢过来的余热蒸汽作为能源进行发电。该发电机组2013年元月份以来,机组3#轴承(即汽轮机后轴承,以下统称3#轴承)振动时而涨至50-60μm,时而降至30-40μm,该机组轴承振动报警值为63μm。经过一番监测,捕捉到了一组振动数据,最终得出此机组3#轴承发生了油膜涡动现象。文章意在探讨分析,并对解决机组所面临的油膜涡动现象提出个人建议。
  关键词:汽轮机;轴承;油膜涡动
  引言
  2013年元月,5MW机组3#轴承振动上涨之后,我们通过数据采集仪对其进行监测,由于振动具有突发性,持续时间较短,所以采样较困难。之后分别在元月份以及2月份对机组进行了揭盖检修,振动情况有所好转。但在2013年10月份,机组振动再次上涨至53μm左右,经过分析仍为油膜涡动现象。所以,对汽轮发电机组的轴承油膜涡动现象查找原因并进原因进行分析,找出解决办法,对萍乡萍钢安源钢铁有限公司透平机组安全运行都有借鉴意义。
  1 对5MW机组振动分析
  发生振动后,对3#轴承振动数据进行了多次采样,终于捕捉到高振动时的振动数据,提取到频谱图以及波形图。
  提取到的振动频谱图,由图分析,幅值最高的主振动频率为25HZ。另外,在50HZ、75HZ等都有递减的振动成分。汽轮机转速为3000r/min,工频为50HZ,由此可知,主振动的振动频率为半频。同时观察3#轴承振动波形图,发现其时域波形有较显著的低频成分。常见的振动模型中,滑动轴承的油膜振荡以及油膜涡动都为半频振动,并且时域波形都与所测波形相符合。根据分析,油膜振荡为油膜涡动的更高级形式存在,一般在二倍于一阶临界转速的速度区间发生。一旦发生油膜振荡,轴承振动的振幅将以极快速度加大,而且振动振幅一旦开始升高,即使转速继续提高,轴承振动的振幅也不容易再下降。由于汽轮机发生振动时转速是恒定在3000r/min的工作转速中,而且汽轮机的一阶临界转速为1650r/min,而且振动幅值相对并非剧烈增加,所以可以排除汽轮机发生油膜振荡,而是发生了油膜涡动。
  2 对滑动轴承产生油膜涡动的常见原因分析
  透平式汽轮机产生油膜涡动危害很大,会造成机组运行不稳定,主要常见原因可分为设计原因、制造原因、安装维修原因、操作运行原因、状态劣化原因等,现试着来探讨其中可能的影响因素分析。
  2.1滑动轴承的稳定性
  滑动轴承的稳定性可主要归决于设计原因。轴承设计的参数及结构形式都是影响滑动轴承稳定性的主要设计原因。结构合理,则会减小油膜涡动力或增大涡动力阻尼。到目前为止,透平式汽轮发电机组上,可倾瓦轴承、椭圆瓦轴承是稳定性较好滑动轴承,其次是三油楔瓦轴承和圆筒瓦轴承,其中圆筒瓦轴承相对来说是稳定性最差的轴承。
  2.2滑动轴承的磨损
  此类可归决于安装维修原因。安装维修过程中控制不当,会使得滑动轴承间隙、轴承壳体配合过盈等相关参数不当。滑动轴承瓦的磨损会减少轴承的偏心率,造成油膜过厚,影响轴承刚度,严重的会降低转子临界转速,从而在接近工频工作中引发振荡。
  2.3滑动轴承的润滑油温度
  滑动轴承中润滑油会影响轴承承载能力、转子的轴承高等,更重要的是油膜厚度将直接影响滑动轴承的稳定性。同等条件下,油的粘度随着油温升高而变低,而油膜厚度则同步变小,轴承的油膜刚度和阻尼系数都将改变。所以一般情况下,油温高时油膜厚度变小,轴承更不易产生油膜涡动,即稳定性更好。反之,如果油温过低则会造成油膜厚度增大,更易产生油膜涡动。当然,调节油温是临时抑制油膜涡动的方法,并非解决办法。
  2.4轴承负载变化
  透平式汽轮发电机组轴系在运行过程中,随着机组的热力变形,转子在油膜中浮起,加上机组凝汽器真空度、不均匀的地基等因素的影响,轴系对中情况(即标高)将发生变化。所以,透平式汽轮发电机组在热态中,机组轴承的负载将会发生变化,造成部份轴承过负载现象,严重的将出现温升过高和烧瓦,而部份负荷偏低的轴承,将产生油膜涡动或其它异常现象。
  3 对滑动轴承油膜涡动的原理分析
  涡动现象是透平机转子的轴颈在高速旋转的同时,其轴颈环绕其一平衡中心点作类似公转的运动。机理不同,涡动的方向和涡动同步率也有所不同。一般情况下涡动的角速度接近为转速的一半,故也有“半速涡动”之名。轴颈在轴承中作偏心旋转时,形成一个进口断面大于出口断面的油楔,如果进口处的油液流速并不马上下降,则轴颈从油楔间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量,由于液体的不可压缩性,多余的油就要把轴颈推向前进,形成了与转子旋转方向相同的涡动运动,涡动速度就是油楔本身的前进速度。真实的情况有所不同,通常涡动频率会略低于转速频率的1/2。一般来说涡动频率低于转子的一阶固有(或称自振)频率以下时,半速涡动相对较平和,推测原因可能是油膜的非线性特性有关系,油膜的刚度和其阻尼的线性关系增加速度比油膜振动幅度更快,可以对转子的涡动幅度起到抑制作用,保证转子仍能在此情况下相对地平稳工作。所以可以解释为什么5MW汽轮机3#轴承发生油膜涡动后,仍能继续工作。但长期处于这种状态下,会对机组寿命和安全运行带来不可估量的影响,所以要采取相应措施抑制甚至解决机组轴承油膜涡动。
  4 关于油膜涡动的抑制或解决方法探讨
  以下为在现有条件下,应对油膜涡动现象的解决方法的探讨,基本原理就是利用一切可以增大轴承偏心率的方法。
  4.1轴承的比压增加
  从定义上来说,轴承比压是轴瓦工作面上单位面积所承受的载荷强度,轴承比压值的增加,相当于轴径偏心率的增大,从而对油膜的稳定性起到作用。增加轴承比压的方法有几种,一是可以通过调整轴承在轴系中的中心,这也是一种相对来说最简单的处理方法。此方法已经在2013年2月份的检修过程中使用,检修后机组振动一度好转,并在2013年10月份之前并未再次发生油膜涡动现象。
  4.2润滑油粘度的控制
  润滑油粘度越大,轴承中润滑油的油层就较厚,会减少轴颈在轴承内的偏心率,容易造成转子的失稳。可以通过提高进油温度或更换更低粘度润滑油品来降低润滑油粘度。5MW机组使用的是32#汽轮机油,粘度等级已经属于较低的油品,所以我们一直以来使用的是提高进油温度的方法来达到降低润滑油粘度的目的。我们在监测过程中发现,当进油温度在40℃左右时,容易发现油膜涡动现象,而当我们把油温提高到45℃左右时,油膜涡动现象基本消除。但此方法并不能彻底根治消除振动,只能当应急措施来使用。
  4.3减少顶部间隙、扩大两侧间隙
  相对来说,圆形轴承比椭圆轴承更容易发生油膜涡动,原因是圆形轴承偏心率较低,会降低轴瓦预载荷,稳定性下降。通常可以通过调整顶隙和侧隙,使圆筒形轴瓦变成椭圆轴瓦,椭圆轴瓦的椭圆度进一步地增大,上瓦油膜力得到增加,轴颈上浮标高相对降低,可以有效地提高轴瓦稳定性。通过查询资料以及实际测量结果显示,5MW汽轮机的3#轴承安装尺寸的顶隙和左右侧隙之和都为0.27~0.36mm,是典型的圆形轴承。2月份检修时测量的数据显示,3#轴承实际顶隙在0.3mm左右,侧隙左右侧分别在0.2mm左右,基本属于圆形轴承的工作状态。增加3#轴承的椭圆度是可以尝试的一种根治机组轴承油膜涡动的方法。
  5 结束语
  文章通过本单位一台5MW汽轮机组所遇到的轴承油膜涡动故障案例,经行分析振动产生的原因以及对解决办法进行探讨。由于发生油膜涡动现象的因素较多,实际工作当中,可根据实际情况逐一排查并解决,保证机组的安全运行。
来源:《科技创新与应用》2015年28期

(图文无关)
2019-08-20