1、研究背景及意義
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，電力的需求也隨之迅猛增加。截止到2016年12月末，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到16.5億KW，同比增長(zhǎng)8.2%，其中火電裝機(jī)10.53億KW，占到總裝機(jī)容量的64%。由此可見火電仍是我國(guó)電力工業(yè)的主要組成部分。由于汽輪發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量增加，運(yùn)行參數(shù)提高，轉(zhuǎn)子軸系長(zhǎng)度增加且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。在機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組會(huì)出現(xiàn)故障和事故，尤其是軸系失穩(wěn)故障經(jīng)常出現(xiàn)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，汽輪機(jī)軸系失穩(wěn)故障診斷與處理顯得非常重要。軸系失穩(wěn)是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組常見的故障。按照失穩(wěn)激振力的來(lái)源，它通常分為兩類：油膜失穩(wěn)和汽流激振。由于機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)軸系穩(wěn)定性不足、機(jī)組安裝誤差和檢修質(zhì)量差、軸承穩(wěn)定性差及運(yùn)行參數(shù)不合格等都會(huì)導(dǎo)致油膜失穩(wěn)故障的發(fā)生。油膜失穩(wěn)故障是一種突發(fā)性、不穩(wěn)定性的劇烈振動(dòng)，這種振動(dòng)將造成軸承和軸系部件的疲勞、松動(dòng)，甚至造成軸瓦磨損、燒瓦及軸系破壞等嚴(yán)重事故。國(guó)內(nèi)外許多汽輪發(fā)電機(jī)組都發(fā)生過(guò)不同程度的油膜失穩(wěn)事故。如上世紀(jì)70年代日本海南電站3號(hào)機(jī)組因油膜振蕩而造成機(jī)組軸系毀壞事故；1988年我國(guó)秦嶺發(fā)電廠5號(hào)機(jī)組也是因油膜振蕩造成整個(gè)汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子全部毀壞，帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。油膜失穩(wěn)故障越來(lái)越受到專家們的重視，他們對(duì)油膜失穩(wěn)故障數(shù)學(xué)模型的建立、油膜力的分析、軸承振動(dòng)特性分析及故障處理措施進(jìn)行了深入的研究。隨著超超臨界技術(shù)的發(fā)展，蒸汽參數(shù)的不斷提高及機(jī)組負(fù)荷的不斷增加，汽流激振力對(duì)軸系穩(wěn)定性的影響也日益突出。它的危害性在于造成突發(fā)性的強(qiáng)烈振動(dòng)，機(jī)組主軸將承受與轉(zhuǎn)速非同步的高周交變應(yīng)力而導(dǎo)致疲勞損傷或迅速的疲勞破壞，甚至可能引發(fā)軸系斷裂災(zāi)難性事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)機(jī)組汽流激振有多例發(fā)生，且有些久未治愈。如我國(guó)出口的325MW機(jī)組高負(fù)荷工況下的汽流激振失穩(wěn)，采取多種措施，處理了多年才得以解決[2]；綏中發(fā)電有限責(zé)任公司800MW機(jī)組、湛江電廠300MW機(jī)組、湘潭電廠300MW機(jī)組汽流激振均歷經(jīng)多次處理才被消除，這些故障給企業(yè)帶來(lái)了巨額的經(jīng)濟(jì)損失。
2、軸系失穩(wěn)故障原因及機(jī)理分析
2.1.1油膜失穩(wěn)故障的原因
重型旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子支承通常采用徑向動(dòng)壓滑動(dòng)軸承。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸承中軸頸與烏金表面之間的潤(rùn)滑油形成一層極薄的油膜，這層油膜的主要作用是產(chǎn)生向上的力頂起整個(gè)轉(zhuǎn)子，將軸頸與烏金隔離開，達(dá)到油潤(rùn)滑的目的。與此同時(shí)，油膜還會(huì)產(chǎn)生另外兩種力，一種是作用到軸頸上促使軸頸連同轉(zhuǎn)子作失穩(wěn)渦動(dòng)的促渦力；另一種是抑制轉(zhuǎn)子做這種失穩(wěn)渦動(dòng)的阻尼力。轉(zhuǎn)子是否渦動(dòng)，取決于這兩種力的大小。為提高穩(wěn)定性，則希望油膜產(chǎn)生的促渦力小，甚至為零；沒有足夠的阻尼力來(lái)抑制轉(zhuǎn)子渦動(dòng)，振動(dòng)則發(fā)生失穩(wěn)。
經(jīng)過(guò)對(duì)大量油膜失穩(wěn)故障的分析，發(fā)現(xiàn)造成油膜失穩(wěn)的主要原因是軸徑擾動(dòng)過(guò)大和軸承穩(wěn)定性差。這主要是由于運(yùn)行工況和軸承結(jié)構(gòu)以及檢修造成的。
1、軸徑擾動(dòng)過(guò)大
軸徑擾動(dòng)過(guò)大是指持續(xù)的外部激勵(lì)，而不是指軸系某一時(shí)刻出現(xiàn)的外部擾動(dòng)，就是指軸徑與瓦塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過(guò)大主要有以下幾個(gè)原因引起的。
（1）轉(zhuǎn)子熱彎曲
現(xiàn)場(chǎng)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲是較為普遍的振動(dòng)現(xiàn)象。隨著機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的增加，如果突然出現(xiàn)油膜失穩(wěn)，并且振動(dòng)的大小與負(fù)荷或者發(fā)電勵(lì)磁電流有著某種關(guān)系，通常是轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲導(dǎo)致的。轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲有兩種情況：一種是轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲是軸向?qū)ΨQ的，在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)軸瓦振動(dòng)影響很??；另一種情況是轉(zhuǎn)子的熱彎曲不是完全軸向?qū)ΨQ的。無(wú)論是軸向?qū)ΨQ還是軸向不對(duì)稱的熱彎曲，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)都將顯著增加。
（2）軸承座動(dòng)剛度過(guò)大
軸承座動(dòng)剛度過(guò)大，將使轉(zhuǎn)軸與軸瓦之間的相對(duì)振動(dòng)變大，影響軸承正常運(yùn)行。對(duì)于軸承座動(dòng)剛度偏大的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量較小的高壓轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，雖然軸承的絕對(duì)振動(dòng)值不大，但是軸承的剛度振動(dòng)很大將引起油膜失穩(wěn)振動(dòng)的趨勢(shì)。由這種情況引起的油膜失穩(wěn)振動(dòng)可通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量平衡減小轉(zhuǎn)軸振動(dòng)。
（3）轉(zhuǎn)子永久性彎曲
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子永久性彎曲和熱彎曲相同，都會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，導(dǎo)致軸承振動(dòng)增大。由于彎曲轉(zhuǎn)子造成軸承增大，做動(dòng)平衡可以改善振動(dòng)狀況，但轉(zhuǎn)子仍會(huì)存在較大的振動(dòng)。
（4）轉(zhuǎn)子對(duì)中不良
轉(zhuǎn)子對(duì)中不良是指機(jī)組運(yùn)行時(shí)相鄰兩轉(zhuǎn)子的軸心線與軸承中心線發(fā)生偏移和傾斜，轉(zhuǎn)子同心度和平直度產(chǎn)生偏差，它和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲相同，是導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子擾動(dòng)過(guò)大的常見故障。
2.1.2油膜失穩(wěn)故障機(jī)理分析
軸承油膜失穩(wěn)有兩種形式：如果失穩(wěn)的振動(dòng)頻率是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一半，稱之為油膜渦動(dòng)，也可稱為半速渦動(dòng)；如果振動(dòng)頻率是轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速，稱之為油膜振蕩。油膜渦動(dòng)和油膜振蕩是整個(gè)失穩(wěn)發(fā)展過(guò)程中的先后兩個(gè)階段，油膜渦動(dòng)是振幅有限，現(xiàn)場(chǎng)大量機(jī)組實(shí)測(cè)結(jié)果多為40~100μm，是較溫和的失穩(wěn)，油膜振蕩是大振幅的，劇烈的失穩(wěn)。對(duì)于一個(gè)具體的轉(zhuǎn)子軸系，可以只出現(xiàn)油膜渦動(dòng)而不出現(xiàn)油膜振蕩；也可以在油膜振蕩之前不發(fā)生油膜渦動(dòng)。油膜振蕩時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的數(shù)百分之一通過(guò)油膜傳遞給轉(zhuǎn)子，使其以轉(zhuǎn)子的最低階固有頻率做大幅度振動(dòng)，幅值之大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通常轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的2倍或略高。以國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組為例，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速為1140~1180r/min，發(fā)生油膜振蕩時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速多在3000~3300r/min之間，渦動(dòng)頻率為18~19Hz。
油膜失穩(wěn)問(wèn)題的提出至今已有70余年的歷史，隨著高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)展，對(duì)油膜失穩(wěn)的機(jī)理不斷充實(shí)，我們可以通過(guò)建立模型對(duì)油膜失穩(wěn)問(wèn)題加以簡(jiǎn)要說(shuō)明。
（1）軸承油膜的建立
轉(zhuǎn)子軸頸直徑比軸瓦直徑要小，由于轉(zhuǎn)子自重，兩者之間必然形成楔形間隙，如圖2-1（a）所示。一定壓力的潤(rùn)滑油由水平中分面處連續(xù)供油，當(dāng)軸頸高速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸各點(diǎn)皆以切線速度 將油從楔形寬口帶入窄口，使窄口油壓不斷升高，從而將軸頂起，當(dāng)窄口帶出油量等于寬口帶入油量時(shí)，油膜穩(wěn)定建立，油膜產(chǎn)生的壓力正好支承轉(zhuǎn)子重力，軸承建立液體摩擦。
油楔中的壓力分布如圖2-1（b）所示，如果以水平中分面進(jìn)油壓力為最小值，則從楔形寬口到窄口，壓力開始逐漸升高，在楔形接近最小間隙處達(dá)到最大值，在最小間隙處迅速降低到最小值。油膜壓力將軸中心偏左頂起。沿軸承軸向方向，潤(rùn)滑油從軸承兩端流出，使?jié)櫥蛪簭闹虚g往兩端逐漸下降，在兩端出口處的油壓為零，如圖2-1（c）所示。由此可見，軸承寬度亦影響到油膜的承載能力，在其他條件相同的情況下，軸承越寬，油膜承載力越大，軸頸被抬的越高。但是，軸承太寬不利于軸承的冷卻，同時(shí)亦增加量轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，因而需要綜合考慮。
根據(jù)理論和實(shí)踐證明，軸頸的圓周速度u越高，黏度越大，油膜越厚，則軸承的承載能力越強(qiáng)。
（2）油膜渦動(dòng)故障機(jī)理
軸頸與軸瓦之間的油膜的承載力與外界平衡時(shí)，軸頸處于平衡位置；當(dāng)轉(zhuǎn)軸受到某種外來(lái)擾動(dòng)時(shí)，軸承油膜除了產(chǎn)生沿偏移方向的彈性恢復(fù)力以保持和外載荷平衡外，還要產(chǎn)生一個(gè)垂直于偏移方向的切向失穩(wěn)分力，這個(gè)失穩(wěn)分力會(huì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子作渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)阻尼力大于切向失穩(wěn)力時(shí)，這種渦動(dòng)是收斂的，即軸頸在軸承內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的。當(dāng)切向分力大于阻尼力時(shí)，渦動(dòng)是發(fā)散的，軸頸運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的，油膜振蕩就屬于這種情況。介于兩者之間的渦動(dòng)軌跡為封閉曲線，油膜渦動(dòng)就是這種情況。
假設(shè)潤(rùn)滑油在軸承中無(wú)端泄，油在軸瓦表面的流速為零，而在軸頸表面的流速為 ，等于軸頸表面的線速度，且兩者間隙中的油流速是線性變化的，如圖2-2所示。在連心線上AB截面流入油楔的流量為 在CD處流出的流量為 兩個(gè)流量之差應(yīng)等于因渦動(dòng)引起收斂油楔隙內(nèi)流體容積的增加率，即
這就是所謂的油膜渦動(dòng)的含義。實(shí)際上，由于軸承端瀉等因素的影響，一般渦動(dòng)頻率略微小于轉(zhuǎn)速的一半，約為轉(zhuǎn)速的0.42~0.46倍。
圖2-2 油膜渦動(dòng)的原理
（3）油膜振蕩故障機(jī)理
隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速升高到比第一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍稍高以后，由于此時(shí)油膜渦動(dòng)的渦動(dòng)速度與轉(zhuǎn)軸的第一階臨界轉(zhuǎn)速相重合即產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象，稱為油膜振蕩。油膜振蕩一旦發(fā)生之后，就將始終保持約等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的渦動(dòng)頻率，而不再隨轉(zhuǎn)速的升高而升高。
圖2-3表示油膜振蕩的轉(zhuǎn)速特性，分三種情況，每一圖中都表明了隨轉(zhuǎn)速 
變化的正常轉(zhuǎn)動(dòng)、半速渦動(dòng)和油膜振蕩的三個(gè)階段，其中一條曲線表示振動(dòng)頻率的變化，一條曲線表示振動(dòng)幅值的變化。圖2-3（a）表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之前；圖2-3（b）表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之后。這兩種情況的油膜振蕩都在稍高于2倍臨界轉(zhuǎn)速的某一轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生；圖2-3（c）表示轉(zhuǎn)速在稍高于2倍臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)軸并沒有失穩(wěn)，知道比2倍臨界轉(zhuǎn)速高出較多時(shí)，轉(zhuǎn)軸才失穩(wěn)；二降速時(shí)油膜振蕩消失的轉(zhuǎn)速要比升速時(shí)發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速低，表現(xiàn)出一種“慣性”現(xiàn)象。
圖2-3 油膜振蕩的轉(zhuǎn)速特性
發(fā)生油膜失穩(wěn)故障時(shí)，因?yàn)橛湍u動(dòng)和油膜振蕩的軸頸位移幅值不同，所以對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系產(chǎn)生的危害程度也不相同。油膜渦動(dòng)的軸頸位移幅值相對(duì)較小，一般位移的幅值要小于軸頸與軸瓦的間隙，一般不會(huì)發(fā)生軸系的磨損，但是由于軸系長(zhǎng)期在油膜渦動(dòng)故障下運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致動(dòng)力負(fù)荷的增加，噪聲和軸承振動(dòng)的增大，引起相鄰軸承振動(dòng)的增加，進(jìn)而造成軸承和軸系部件的疲勞、松動(dòng)，同時(shí)也降低軸承的穩(wěn)定性。發(fā)生油膜振蕩時(shí)，通常軸頸位移的幅值大于軸承間隙，將引起軸頸和軸瓦的碰磨，軸頸連續(xù)地撞擊在軸瓦巴氏合金剝離、脫落的合金細(xì)屑將堵塞軸承間隙，導(dǎo)致軸承的潤(rùn)滑受到影響，軸承溫度升高。同時(shí)由于油膜振蕩引起的振動(dòng)很大，容易引起汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分的碰撞（特別是軸封），嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲，軸承連接部件的松動(dòng)、脫落、疲勞等，甚至?xí)l(fā)生整個(gè)軸系的破壞，造成機(jī)組的損壞。
2.2汽流激振故障原因及機(jī)理分析
2.2.1汽流激振故障的原因
汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生軸系失穩(wěn)的另一個(gè)主要原因是汽流激振。在汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，一直在試圖努力提高機(jī)組的熱效率，通常采用的方法是增加級(jí)數(shù)、提高工作轉(zhuǎn)速和提高介質(zhì)初參數(shù)（壓力和溫度）。前兩種方法使得轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速降低和工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速比率增大，均會(huì)導(dǎo)致軸系穩(wěn)定性下降。后一種方法則可能會(huì)引起軸系自激振動(dòng)的一種新的激振力，即汽流激振力，它是由工作介質(zhì)（蒸汽）所誘發(fā)的激振力，在高參數(shù)機(jī)組上表現(xiàn)得較為突出。國(guó)外汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)代大型汽輪機(jī)(尤其是超臨界汽輪機(jī))的高壓（或高、中壓）轉(zhuǎn)子容易發(fā)生蒸汽激振，致使軸系失穩(wěn)。對(duì)于亞臨界和超臨界的大功率汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，由于軸承油膜不穩(wěn)定的影響和通流部分蒸汽的干擾結(jié)合在一起，亦增大了軸系產(chǎn)生低頻振動(dòng)的危險(xiǎn)性。
通過(guò)總結(jié)分析汽流激振事故案例可知，引起汽流激振力過(guò)大和軸瓦穩(wěn)定性差兩個(gè)方面。汽輪發(fā)電機(jī)組汽流激振故障的具體原因分析見圖2-4。
圖2-4 汽輪機(jī)組汽流激振故障原因分析
2.2.2汽流激振故障機(jī)理分析
汽流激振一般只發(fā)生在大容量的汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子上。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，引起汽流激振的機(jī)理主要是由于轉(zhuǎn)子相對(duì)于靜子偏心時(shí)，密封間隙內(nèi)壓力周向分布不均、葉頂間隙不均與引起的激振力，以及蒸汽作用于轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)蒸汽力。
（1）密封間隙內(nèi)壓力周向分布不均引起的激振力
密封腔室內(nèi)壓力周向變化引起的激振力，即Alford效應(yīng)，也稱氣體彈性效應(yīng)，由Alford于1965年提出。
首先將密封裝置簡(jiǎn)化成圖2-4所示的兩個(gè)齒，密封腔室內(nèi)的壓力在溫度一定時(shí)正比于腔室內(nèi)的流量。假設(shè)轉(zhuǎn)子在平衡位置時(shí)前后齒的徑向間隙相等，腔室內(nèi)無(wú)環(huán)流，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子自平衡位置偏移時(shí)，若出口間隙小于入口間隙，如圖2-4（a）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向位移時(shí)（這是所有自激振動(dòng)發(fā)生的首要前提），出口齒通流面積的相對(duì)變化比入口齒通流面積相對(duì)變化要大。如果轉(zhuǎn)子徑向位移使該方向密封間隙增大，即轉(zhuǎn)子向下偏移，則出口齒面積與入口齒面積之比也比靜止時(shí)增大了，蒸汽流出量大于流入量，密封腔室內(nèi)壓力 降低；反之，則會(huì)增高。由于轉(zhuǎn)子的慣性作用，轉(zhuǎn)子位移和壓力的變化不是同步的，這樣轉(zhuǎn)子上下就會(huì)形成一個(gè)壓差，促使轉(zhuǎn)子從靜止位置繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，而使轉(zhuǎn)子不能在靜止位置上停留。在轉(zhuǎn)子繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，這種慣性滯后作用使下部腔室內(nèi)壓力繼續(xù)增加，促使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向上的位移，形成渦動(dòng)。由于渦動(dòng)是汽流引起的，故稱它為汽流激振。
當(dāng)軸封間隙如圖2-4（b）所示時(shí)，即 ,情況則正好相反，密封腔室內(nèi)的壓差變化引起的力阻礙轉(zhuǎn)子移動(dòng)，使轉(zhuǎn)子趨于穩(wěn)定。
圖2-4 Alford效應(yīng)
（2）葉頂間隙不均勻引起的激振
由于在機(jī)組安裝、運(yùn)行中汽缸跑偏、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向位移等，轉(zhuǎn)子相對(duì)與汽缸發(fā)生偏移，造成蒸汽在轉(zhuǎn)子上做的功徑向分布不平衡，引起轉(zhuǎn)子渦動(dòng)。
當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)徑向位移（如圖2-5所示）時(shí)，改變了葉片四周間隙的均勻性，間隙小的一側(cè)漏汽量小，作用在葉片上的作用力就大；反之，間隙大的一側(cè)因漏汽量大，作用于該側(cè)的葉片上的力就小。當(dāng)兩側(cè)作用力的差值大于阻力時(shí)，就能夠使轉(zhuǎn)子中心 繞汽封中心 作與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的渦動(dòng)。這種渦動(dòng)產(chǎn)生的離心力又使偏移擴(kuò)散，加劇渦動(dòng)，如此周而復(fù)始，形成自激振動(dòng)。由此可見，汽流激振容易發(fā)生在大功率、葉片較小的高壓轉(zhuǎn)子上，加之高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量較小，在不大的激振力作用下，會(huì)引起較顯著的渦動(dòng)。
圖2-5 轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向偏移示意圖
（3）作用在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)蒸汽力
由于高壓缸進(jìn)汽方式的影響，高壓蒸汽產(chǎn)生一個(gè)作用于轉(zhuǎn)子的蒸汽力，一方面，它可以影響軸頸在軸承中的位置，因軸承載荷變化改變了軸承的動(dòng)力特性，從而造成轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)；另一方面，它使轉(zhuǎn)子在汽缸中的徑向位置發(fā)生變化，引起通流部分間隙的變化。在噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)中，通?？紤]到汽缸溫差方面的因素，運(yùn)行時(shí)，首先閑開啟下半 范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)汽門，一般是下缸先進(jìn)汽。由于調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴進(jìn)汽的非對(duì)稱性，引起不對(duì)稱的蒸汽力作用于轉(zhuǎn)子上，在某個(gè)工況下，其合力可能是一個(gè)向上抬起轉(zhuǎn)子的力，從而減小了軸承比壓，導(dǎo)致軸瓦穩(wěn)定性降低。此力的大小和方向受機(jī)組運(yùn)行中各調(diào)節(jié)閥的開啟順序、開度和各調(diào)節(jié)閥控制的噴嘴數(shù)量的影響。
汽流激振的頻率、波形、振幅、相位都和油膜振蕩的特點(diǎn)相似。這種自激振動(dòng)時(shí)最突出的特點(diǎn)是它與機(jī)組的負(fù)荷有關(guān)，即機(jī)組在某一負(fù)荷時(shí)，振動(dòng)突然發(fā)生，而當(dāng)把負(fù)荷減到某一值時(shí)，振動(dòng)便會(huì)突然消失。這類自激振動(dòng)不但會(huì)使軸承產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)還使軸瓦排油溫度提高。
3、軸系失穩(wěn)的處理方法
3.1油膜失穩(wěn)的處理方法
1.檢修措施
(1)減少軸瓦頂隙。不論是圓筒形瓦、橢圓瓦還是三油模瓦，減少軸瓦頂隙都能顯著提高軸瓦穩(wěn)定性，它比提高軸瓦比壓和減少長(zhǎng)徑比等其他措施更為有效。在現(xiàn)場(chǎng)減少軸瓦頂隙，一般都采用修刮軸瓦中分面的方法，使圓筒形瓦變成橢圓瓦、橢圓瓦的橢圓度進(jìn)一步增大，三油楔瓦變成三油楔和橢圓混合型瓦，這樣就加大了上瓦的油膜力，使軸頸上浮高度除低，從而提高軸瓦的穩(wěn)定性。
橢圓瓦和三油楔瓦頂隙可以減少到軸頸直徑的1%～1.3%，軸頸直徑大的，取上限；軸頸直徑小的，取下限。目前現(xiàn)場(chǎng)真正的圓筒形瓦(頂隙等于兩倍側(cè)隙)已很少見到，而所謂的圓筒形瓦實(shí)際上是橢圓瓦，其頂隙和側(cè)隙近似相等，當(dāng)這種軸瓦發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，可以將其頂隙減少至軸頸直徑的1.2%～1.5%，這是由于這種軸瓦側(cè)隙較小，頂隙不宜過(guò)小，否則會(huì)引起烏金溫度的升高。
（2）換用穩(wěn)定性較好的軸瓦。一般來(lái)說(shuō)橢圓瓦具有兩個(gè)承載區(qū)，所以也叫兩油葉瓦，它的穩(wěn)定性較圓筒形瓦要好，但承載能力不如圓筒形瓦。還有一種叫三油葉軸瓦，它具有三個(gè)承載區(qū)，上瓦兩個(gè)油楔，形成兩個(gè)向下的油膜力，因而穩(wěn)定性較橢圓瓦要好，但承載能力卻顯著降低，一般使用在高速輕載的軸瓦上。與油葉軸承平行的是油楔軸承，真正的圓筒形瓦只有下瓦一個(gè)油楔，如果在上瓦再加兩個(gè)油模，即為三油楔軸承，這種軸瓦動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如橢圓瓦，也不如圓筒形瓦。20世紀(jì)80年代到90年代初期，國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組6瓦、7瓦較普遍發(fā)生的油膜振蕩，在當(dāng)時(shí)形成了“油膜振蕩熱”，事實(shí)上純屬由三油楔瓦穩(wěn)定差造成的，因此改用橢圓瓦后再未發(fā)生過(guò)油膜振蕩。后來(lái)投運(yùn)的引進(jìn)型300、600MW機(jī)組，其軸頸線速度雖已超過(guò)65m/s，但采用橢圓瓦或圓筒形瓦后，都未發(fā)生過(guò)油膜振蕩。
除上述圓筒形瓦、橢圓瓦、三油楔瓦外，還有一種可傾瓦，目前國(guó)內(nèi)大機(jī)組上較普遍采用這種軸瓦。這種軸瓦是由多個(gè)瓦塊構(gòu)成，這些瓦塊可以繞支點(diǎn)做微小的擺動(dòng)，以適應(yīng)合適的工作位置，使每個(gè)瓦塊都能形成收斂的油模，由此不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)分力，或者使每個(gè)瓦塊都通過(guò)支點(diǎn)和軸頸中心，即總保持與外載荷交于一點(diǎn)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使軸頸渦動(dòng)的切向分力，從理論上來(lái)說(shuō)，忽略瓦塊的慣性和瓦塊支點(diǎn)的摩擦力，可傾瓦是不會(huì)產(chǎn)生軸瓦自激振動(dòng)的，但它的承載能力較低，因此只能在載荷較小的汽輪機(jī)高、中壓缸轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上使用。
（3）增加上瓦烏金寬度。對(duì)于圓筒形瓦、橢圓瓦和三油楔瓦，減少頂隙的目的是增大上瓦的油膜力，但是目前有些現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的機(jī)組上瓦中央部分開有較寬的環(huán)向油溝，使上瓦成為兩條烏金帶。實(shí)踐證明，在這樣的軸瓦上減少頂隙，收獲不十分顯著。為了獲取更好的效果，在減少頂隙的同時(shí)，將上瓦烏金加寬或完全填滿，由此可以顯著增加上瓦油膜力，提高軸瓦偏心率。
（4）刮大兩側(cè)間隙。刮大軸瓦兩側(cè)間隙往往與減少頂隙同時(shí)進(jìn)行，尤其是圓筒形瓦更是如此，其目的是防止頂隙減少后軸瓦內(nèi)潤(rùn)滑油流量受到影響而使烏金溫度升高，但是擴(kuò)大兩側(cè)間隙不僅會(huì)顯著降低軸瓦水平方向的油膜剛度，在激振力不變的情況下，轉(zhuǎn)軸水平方向振動(dòng)還將增大；而且會(huì)顯著降低軸瓦抗振能力，在不很大的軸頸振動(dòng)作用下，會(huì)造成軸瓦烏金碎裂。
（5）減少軸瓦長(zhǎng)徑比，增加比壓。長(zhǎng)徑比（L/D)越小，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速越高。因?yàn)檩^短的軸承因端泄大，軸頸浮得低，因而相對(duì)偏心率大，穩(wěn)定性好。同時(shí)，軸瓦長(zhǎng)度縮短使長(zhǎng)徑比減小，比壓增大，軸頸在軸瓦內(nèi)就不會(huì)抬得太高，因而能進(jìn)一步增加穩(wěn)定性。
（6）調(diào)整軸承座的標(biāo)高。對(duì)發(fā)生低頻振動(dòng)機(jī)組的分析統(tǒng)計(jì)表明，約有一半是由于軸承標(biāo)高不合適而引起的，軸承標(biāo)高不合理，降低了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。標(biāo)高的調(diào)整對(duì)消除低頻振動(dòng)是有益的。
綜上所述，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這些措施基本上是按消除軸瓦自激振動(dòng)有效性順序排列的，即第一個(gè)效果最顯著，第二個(gè)其次，以此類推。因此在選用時(shí)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體條件、軸瓦失穩(wěn)嚴(yán)重程度(偶然發(fā)生、超速時(shí)發(fā)生、在額定轉(zhuǎn)速下發(fā)生)、原來(lái)軸瓦形式、軸瓦有關(guān)穩(wěn)定性的參數(shù)、軸頸振動(dòng)值等因素決定。
2.運(yùn)行措施
（1)防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲和永久彎曲。轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲和永久彎曲，會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量不平衡外，還會(huì)引起轉(zhuǎn)軸過(guò)大振動(dòng)，進(jìn)而影響軸承工作的穩(wěn)定性。因此，在運(yùn)行中應(yīng)該防止轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲。
(2)改變潤(rùn)滑油黏度。軸瓦油膜厚度與軸頸線速度、潤(rùn)滑油黏度、軸承間隙、軸承負(fù)載等有關(guān)。潤(rùn)滑油的黏度越大，油分子間凝聚力越大，軸頸在旋轉(zhuǎn)時(shí)所帶動(dòng)的油分子就越多。這樣，油層就較厚，軸頸就容易失穩(wěn)。為了減小軸頸上浮高度，增大相對(duì)偏心率，可以改變潤(rùn)滑油標(biāo)號(hào)和提高軸瓦進(jìn)口油溫來(lái)降低黏度。
（3）提高供油壓力。對(duì)于一個(gè)已發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)子，相應(yīng)地提高供油壓力，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子有一定的抑制作用。
3.2汽流激振的處理方法
汽流激振的發(fā)生與支持軸承的動(dòng)力特性密切相關(guān)。實(shí)際上，不穩(wěn)定的低頻振動(dòng)是通流部分的汽流力和軸承潤(rùn)滑油膜力共同激發(fā)起來(lái)的。雖然高參數(shù)大容量機(jī)組存在產(chǎn)生汽流激振的激振力，但是否會(huì)出現(xiàn)汽流激振引起的低頻振動(dòng)還取決于各支持軸承油膜的阻尼作用大小以及油膜是否有附加的激振作用。從一些發(fā)生過(guò)突發(fā)性低頻振動(dòng)的機(jī)組來(lái)看，其振動(dòng)的產(chǎn)生是高壓(或高、中壓)轉(zhuǎn)子汽流激振和1、2號(hào)軸承軸瓦自激振動(dòng)綜合作用的結(jié)果。因此，對(duì)于已投運(yùn)的機(jī)組，運(yùn)行中軸承標(biāo)高的變化、運(yùn)行方式以及檢修質(zhì)量等都會(huì)影響到汽流激振的發(fā)生和發(fā)展。
根據(jù)汽流激振的機(jī)理和軸系振動(dòng)穩(wěn)定性理論可以知道，消除和減小汽流激振故障一般應(yīng)從加大轉(zhuǎn)子剛度、增大系統(tǒng)阻尼和減小汽流激振力三個(gè)方面著手。具體到實(shí)際操作，應(yīng)從設(shè)計(jì)、安裝、檢修和運(yùn)行四個(gè)方面人手。
1.設(shè)計(jì)方面
(1）軸系設(shè)計(jì)。機(jī)組良好的軸系設(shè)計(jì)是大型汽輪機(jī)避免發(fā)生汽流激振的根本保證。借鑒國(guó)外在汽流激振研究領(lǐng)域的最新研究成果，對(duì)于大容量、高參數(shù)機(jī)組，尤其是超臨界機(jī)組，在軸系穩(wěn)定性計(jì)算中，除常規(guī)設(shè)計(jì)涉及到轉(zhuǎn)子、軸承、支撐和基礎(chǔ)等因素外，必須考慮葉頂間隙激振和汽封蒸汽力的影響。此外，應(yīng)提高高壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速；高壓轉(zhuǎn)子采用穩(wěn)定性較好的可傾瓦軸承以增大系統(tǒng)阻尼；軸系穩(wěn)定性裕量應(yīng)較一般常規(guī)機(jī)組要適當(dāng)?shù)卦龃蟆?/p>
（2）采用先進(jìn)的汽封結(jié)構(gòu)。在發(fā)生汽流激振時(shí)，有時(shí)改變軸承設(shè)計(jì)來(lái)消除突發(fā)振動(dòng)是沒有用的，只有改進(jìn)通流部分的汽封設(shè)計(jì)或調(diào)整安裝間隙才能解決問(wèn)題。一些經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果表明，汽輪機(jī)動(dòng)葉圍帶上的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定蒸汽力對(duì)汽流激振影響很大，此蒸汽力的大小在很大程度上取決于葉頂汽封中的徑向和軸向間隙之比，較好的措施是適當(dāng)增大徑向間隙、減小軸向間隙。因此，在設(shè)計(jì)中可采取一些先進(jìn)的汽封結(jié)構(gòu)或增加汽封齒數(shù)來(lái)消除或減小汽流激振力的作用。
（3）采取有利的調(diào)節(jié)閥開啟順序及開度。
（4）安裝止渦裝置。對(duì)于存在汽流激振，且采用改進(jìn)軸承和汽封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等措施消振無(wú)效的運(yùn)行機(jī)組，也可在高壓轉(zhuǎn)子葉頂汽封和軸端汽封間隙處安裝止渦裝置，減小蒸汽在汽封中的切向流動(dòng)速度，并調(diào)整高壓轉(zhuǎn)子與汽缸之間的動(dòng)靜間隙，消除負(fù)荷工況下的汽流激振力。
2.安裝方面
在機(jī)組安裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制軸系揚(yáng)度、軸瓦緊力和軸承載荷，保證負(fù)荷工況下各軸穩(wěn)定性良好，并仔細(xì)調(diào)整高壓轉(zhuǎn)子動(dòng)葉圍帶汽封、隔板汽封以及軸端汽封處的汽封間隙，防止圓周向間隙偏差過(guò)大，以消除負(fù)荷工況下的汽流激振力，避免汽流激振的發(fā)生。
3.檢修方面
確保檢修質(zhì)量。在檢修過(guò)程中，調(diào)整汽缸和轉(zhuǎn)子中心，避免運(yùn)行中轉(zhuǎn)子和汽缸中心發(fā)生明顯偏移；
另外，由于機(jī)組各軸承座標(biāo)高在運(yùn)行過(guò)程中受熱膨脹等方面的影響，不可避免地會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)某一軸承抬高時(shí)，該軸承的負(fù)荷就增加，相鄰軸承的負(fù)荷就降低。
4.運(yùn)行方面
機(jī)組的運(yùn)行模式有時(shí)對(duì)汽流激振的發(fā)生和振動(dòng)幅值變化有較大的影響。例如：有些汽輪機(jī)在處理汽流激振問(wèn)題時(shí)，采用改變高壓調(diào)節(jié)閥開啟順序和開度的方法，基本避免了突發(fā)性振動(dòng)的發(fā)生。因此，電廠在運(yùn)行中應(yīng)認(rèn)真觀察調(diào)節(jié)閥開啟或關(guān)閉順序?qū)Ω摺⒅袎恨D(zhuǎn)子突發(fā)性低頻振動(dòng)的影響，盡量避免機(jī)組停留在某一不利工況運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
[1] 史進(jìn)淵,張漢英,許楚鎮(zhèn).國(guó)內(nèi)外大機(jī)組軸系重大事故綜述[ J] . 超臨界技術(shù)信息跟蹤,1991( 6):1-12.
[2]張煜.汽輪發(fā)電機(jī)組油膜失穩(wěn)故障分析及診斷方法研究[D].華北電力大學(xué)碩士論文.
