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【摘 要】单轴9F重型燃机采用的可倾瓦轴承以稳定性高著称，本文以1号燃气轮机异常振动为例，介绍可倾瓦轴承出现的油膜涡动和油膜振荡现象及油膜振荡特征、机理、分析诊断要点，为9F燃机的振动判断和处理提供参考。
【关键词】燃气机组；油膜涡动；油膜振荡；可倾瓦轴承
1.油膜涡动与油膜振荡现象与分析
1.1燃机异常振动情况
1号燃机于2010年5月因1号瓦轴振动慢慢爬升导致振动高保护停机，后在2瓦转子靠背加重后，振动得到改善。5月19日~27日期间，燃机每天起停机一次，这时机组在冲管阶段，汽轮机没有进汽。燃机稳定3000 r/min一段时间后，高中压转子的3、4号瓦轴振间断性出现半频分量，但其分量都还比较小，一般不到工频分量的1/2，在运行一段时间后消失，且3、4号轴振通频最大值也不大，低频振动还未引起足够重视。5月28日，机组在3000 r/min时，因3瓦振动突然出现较大的半频分量使振动幅值超过210μm而被紧急停机。5月30日对这台机组做了一次动平衡，这次平衡的目的是降低3号瓦的工频以限制半频振动。但对低频振动来讲，加重效果不明显，3、4号轴振始终间断性出现较大的半频分量振动，3号轴振最大值曾达200μm，但考虑到当时冲管时间紧张和油膜涡动还不至于危害整个转子，未作进一步的处理。6月下旬，针对低频振动，采取增加轴承标高等措施后，反而使燃机振动演变为油膜振荡。
1.2 3、4号瓦半速涡动现象
机组3、4号瓦轴振间断性出现较大的半频分量振动后，历次启停振动的重复性都比较好，即出现低频都是在定速3000r/min。6月5日8：30开始第一次冷态开机， 8：54到3000r/min，振动数据见表1。由表可知，此时3、4号瓦振动基本以工频为主。到9：08时，3Y、3X、4Y、4X振动出现来回波动现象，对3Y进行频谱分析，3Y轴振中25Hz的分量达到115μm，而工频分量50Hz成分仅为67μm，4Y的半频分量也远远超过工频分量。3、4号瓦振动在半频分量的作用下在来回跳跃，表现出较为明显的油膜半速涡动特征，约过40min半频分量消失，振动平稳。
1.3油膜振荡现象
油膜振荡是由于滑动轴承中的油膜作用而引起旋转轴的自激振动，是由油膜涡动在一定条件下发展而成，属于同一本源的物理现象。当条件成熟时，油膜涡动就会发展成为油膜振荡。1号燃机于7月1日17：56到3000r/min， 18：26时，3、4号振动振幅急剧增大，发生油膜振荡。油膜振荡发生时，3、4号轴振表现出的现象完全相同。发生油膜振荡后，振动不再以工频为主，且压低了工频分量，振动幅值稳定在200μm左右，不存在油膜涡动时振动来回跳跃的情况。根据频谱分析，3Y振动的24Hz分量为150μm，而50Hz分量为50.9μm，24 Hz分量已经明显超过了工频分量，4Y振动的24 Hz分量为139μm，而50Hz分量仅为13.8μm。23Hz为高中压转子一阶临界转速，转子的主振动频率以一阶临界转速为主。高中压转子轴心轨迹不再是一个椭圆，而是非常紊乱的图形。只有把转速降到2700r/min，油膜振荡才基本消失，可见2700r/min为其失稳转速下限，约为临界转速的2倍。
2.油膜涡动和油膜振荡原因分析
2.1润滑油温对机组振动的影响
高中压转子的油膜涡动基本上都发生在冷态开机，当时润滑油温一般39℃，当燃机运行一段时间后，半速涡动消失，此时油温一般为46℃以上。可见当时改变润滑油温对控制半速涡动还是有效果。但在7月1日发生油膜振荡，把润滑油温提高到50℃，对消除低频振动没有任何效果。
2.2可倾瓦稳定性分析
高中压转子3、4号瓦为可倾瓦轴承，每个轴承由上下各有3块可倾瓦构成，这些瓦块可以绕支点随着轴颈的运动作微小摆动，以适应相应的工作位置，每个瓦块都能形成收敛的油膜，使每个瓦块上产生的油膜力都通过支点和轴颈中心，这种结构是目前稳定性最佳的一种轴瓦。
但可倾瓦轴承仍存在着交叉刚度，会产生使转子发生油膜涡动的切向分力。另外，瓦块支点在偏转方向的刚度也不完全相同，这些都会对瓦的稳定性产生影响。因此，对瓦的安装和检修有严格的要求。如果由于扬度、轴瓦紧力、轴承标高、轴承载荷等的调整不当，会使其交叉刚度和阻尼关系发生变化。当外界扰动力足够大时，油膜力的方向可能发生偏移，从而产生切向分力使轴承失稳，且可倾瓦轴承本身所能提供的阻尼也比固定瓦轴承小，所以可倾瓦轴承存在一定的失稳可能性。
在高中压转子刚刚失稳时，3号轴承的间隙电压从平均-7.28V减少到-7.18V，之后间隙电压又持续减少到-6.95V，4号轴承的间隙电压也存在此种变化。说明在高中压转子油膜振荡过程中，高中压转子被抬升，使轴颈更加偏离平衡位置。在计入瓦块的惯性及瓦块支点的弹性和摩擦力，轴颈在瓦中偏离中心位置较远时，远离的那个瓦块会因为动压力的丧失出现颤振，从而大大降低轴承的稳定性。用3、4号轴承作为高速轻载，其轴颈中心工作位置较高，一般不如重载轴承稳定性高。增加轴承承载系数，增大轴颈的偏心率的方法能提高轴承的稳定性。还可通过提高轴承的标高、增加轴承的载荷、减少轴承宽度、增大比压等来提高轴承的稳定性。
3.处理措施
据上述分析可知，提高轴承的稳定性是消除油膜振荡基本和主要的方法。在现场调试工期比较紧的情况下，应采取现场检修能够处理的几种处理方式。
提高3、4号轴承标高130μm。3号瓦往右调整300μm， 4号瓦往右调整20μm。使高中压转子近可能在平衡位置。
重新找正汽机轴系的中心。低压转子和高中压转子解体后，中心存在较大偏差，低压转子偏右100μm，高中压转子偏高100μm。对整个轴系的转子进行了重新找正，限制在合格范围之内，防止发生轴颈偏离瓦块太远。
但采取上述措施的效果不太明显，反而使油膜涡动发展成油膜振荡。因此必须进一步对瓦工作状态进行修正，采取了以下措施：
加大3、4号轴承的进油量。对3、4号各上半轴承，顺转动方向左侧进油孔直径从20mm增大到25.4mm，右侧的进油孔未加大。依靠润滑油挤压轴颈，来增加稳定性，同时加大油量来减少轴承的温升。
对3、4号轴承，左右两边各减少2cm的轴瓦工作面宽度，增大了比压。在瓦修改后，燃气机组多次启停，并在带负荷情况下连续几十小时运行，3、4轴振无低频振动分量出现，基本上以其工频振动为主，油膜振荡已经得到初步解决。
4.结论
1号燃气机组的振动带有典型性，它以轴系失稳为主，主要表现为油膜涡动和油膜振荡。机组实测的高中压转子的一阶临界转速为1380 r/min，工作转速超过2倍一阶临界转速，客观上具有发生油膜涡动和油膜振荡的条件。出现的各种失稳振动情况，说明其设计的轴系稳定裕度过低，系统阻尼不够。建议厂家对轴系稳定性进行复核计算，从根本上解决问题。虽然从理论上说可倾瓦是目前稳定性最佳的轴承，但实际上和现场的安装质量等有很大关联性，当扰动力足够大且轴承阻尼不够时，仍可能发生油膜涡动和油膜振荡。因此提高安装质量、加强质量管理是防止出现问题的有效措施。
【参考文献】
［１］姚福生．汽轮机轴的涡动和油膜振荡[J]．发电设备，1991，(10)．
［２］迟威，宿海燕等．牡二电厂200 MW机组油膜振荡故障诊断及处理[J]．黑龙江电力，2003,25(1)．
【关键词】燃气机组；油膜涡动；油膜振荡；可倾瓦轴承
1.油膜涡动与油膜振荡现象与分析
1.1燃机异常振动情况
1号燃机于2010年5月因1号瓦轴振动慢慢爬升导致振动高保护停机，后在2瓦转子靠背加重后，振动得到改善。5月19日~27日期间，燃机每天起停机一次，这时机组在冲管阶段，汽轮机没有进汽。燃机稳定3000 r/min一段时间后，高中压转子的3、4号瓦轴振间断性出现半频分量，但其分量都还比较小，一般不到工频分量的1/2，在运行一段时间后消失，且3、4号轴振通频最大值也不大，低频振动还未引起足够重视。5月28日，机组在3000 r/min时，因3瓦振动突然出现较大的半频分量使振动幅值超过210μm而被紧急停机。5月30日对这台机组做了一次动平衡，这次平衡的目的是降低3号瓦的工频以限制半频振动。但对低频振动来讲，加重效果不明显，3、4号轴振始终间断性出现较大的半频分量振动，3号轴振最大值曾达200μm，但考虑到当时冲管时间紧张和油膜涡动还不至于危害整个转子，未作进一步的处理。6月下旬，针对低频振动，采取增加轴承标高等措施后，反而使燃机振动演变为油膜振荡。
1.2 3、4号瓦半速涡动现象
机组3、4号瓦轴振间断性出现较大的半频分量振动后，历次启停振动的重复性都比较好，即出现低频都是在定速3000r/min。6月5日8：30开始第一次冷态开机， 8：54到3000r/min，振动数据见表1。由表可知，此时3、4号瓦振动基本以工频为主。到9：08时，3Y、3X、4Y、4X振动出现来回波动现象，对3Y进行频谱分析，3Y轴振中25Hz的分量达到115μm，而工频分量50Hz成分仅为67μm，4Y的半频分量也远远超过工频分量。3、4号瓦振动在半频分量的作用下在来回跳跃，表现出较为明显的油膜半速涡动特征，约过40min半频分量消失，振动平稳。
1.3油膜振荡现象
油膜振荡是由于滑动轴承中的油膜作用而引起旋转轴的自激振动，是由油膜涡动在一定条件下发展而成，属于同一本源的物理现象。当条件成熟时，油膜涡动就会发展成为油膜振荡。1号燃机于7月1日17：56到3000r/min， 18：26时，3、4号振动振幅急剧增大，发生油膜振荡。油膜振荡发生时，3、4号轴振表现出的现象完全相同。发生油膜振荡后，振动不再以工频为主，且压低了工频分量，振动幅值稳定在200μm左右，不存在油膜涡动时振动来回跳跃的情况。根据频谱分析，3Y振动的24Hz分量为150μm，而50Hz分量为50.9μm，24 Hz分量已经明显超过了工频分量，4Y振动的24 Hz分量为139μm，而50Hz分量仅为13.8μm。23Hz为高中压转子一阶临界转速，转子的主振动频率以一阶临界转速为主。高中压转子轴心轨迹不再是一个椭圆，而是非常紊乱的图形。只有把转速降到2700r/min，油膜振荡才基本消失，可见2700r/min为其失稳转速下限，约为临界转速的2倍。
2.油膜涡动和油膜振荡原因分析
2.1润滑油温对机组振动的影响
高中压转子的油膜涡动基本上都发生在冷态开机，当时润滑油温一般39℃，当燃机运行一段时间后，半速涡动消失，此时油温一般为46℃以上。可见当时改变润滑油温对控制半速涡动还是有效果。但在7月1日发生油膜振荡，把润滑油温提高到50℃，对消除低频振动没有任何效果。
2.2可倾瓦稳定性分析
高中压转子3、4号瓦为可倾瓦轴承，每个轴承由上下各有3块可倾瓦构成，这些瓦块可以绕支点随着轴颈的运动作微小摆动，以适应相应的工作位置，每个瓦块都能形成收敛的油膜，使每个瓦块上产生的油膜力都通过支点和轴颈中心，这种结构是目前稳定性最佳的一种轴瓦。
但可倾瓦轴承仍存在着交叉刚度，会产生使转子发生油膜涡动的切向分力。另外，瓦块支点在偏转方向的刚度也不完全相同，这些都会对瓦的稳定性产生影响。因此，对瓦的安装和检修有严格的要求。如果由于扬度、轴瓦紧力、轴承标高、轴承载荷等的调整不当，会使其交叉刚度和阻尼关系发生变化。当外界扰动力足够大时，油膜力的方向可能发生偏移，从而产生切向分力使轴承失稳，且可倾瓦轴承本身所能提供的阻尼也比固定瓦轴承小，所以可倾瓦轴承存在一定的失稳可能性。
在高中压转子刚刚失稳时，3号轴承的间隙电压从平均-7.28V减少到-7.18V，之后间隙电压又持续减少到-6.95V，4号轴承的间隙电压也存在此种变化。说明在高中压转子油膜振荡过程中，高中压转子被抬升，使轴颈更加偏离平衡位置。在计入瓦块的惯性及瓦块支点的弹性和摩擦力，轴颈在瓦中偏离中心位置较远时，远离的那个瓦块会因为动压力的丧失出现颤振，从而大大降低轴承的稳定性。用3、4号轴承作为高速轻载，其轴颈中心工作位置较高，一般不如重载轴承稳定性高。增加轴承承载系数，增大轴颈的偏心率的方法能提高轴承的稳定性。还可通过提高轴承的标高、增加轴承的载荷、减少轴承宽度、增大比压等来提高轴承的稳定性。
3.处理措施
据上述分析可知，提高轴承的稳定性是消除油膜振荡基本和主要的方法。在现场调试工期比较紧的情况下，应采取现场检修能够处理的几种处理方式。
提高3、4号轴承标高130μm。3号瓦往右调整300μm， 4号瓦往右调整20μm。使高中压转子近可能在平衡位置。
重新找正汽机轴系的中心。低压转子和高中压转子解体后，中心存在较大偏差，低压转子偏右100μm，高中压转子偏高100μm。对整个轴系的转子进行了重新找正，限制在合格范围之内，防止发生轴颈偏离瓦块太远。
但采取上述措施的效果不太明显，反而使油膜涡动发展成油膜振荡。因此必须进一步对瓦工作状态进行修正，采取了以下措施：
加大3、4号轴承的进油量。对3、4号各上半轴承，顺转动方向左侧进油孔直径从20mm增大到25.4mm，右侧的进油孔未加大。依靠润滑油挤压轴颈，来增加稳定性，同时加大油量来减少轴承的温升。
对3、4号轴承，左右两边各减少2cm的轴瓦工作面宽度，增大了比压。在瓦修改后，燃气机组多次启停，并在带负荷情况下连续几十小时运行，3、4轴振无低频振动分量出现，基本上以其工频振动为主，油膜振荡已经得到初步解决。
4.结论
1号燃气机组的振动带有典型性，它以轴系失稳为主，主要表现为油膜涡动和油膜振荡。机组实测的高中压转子的一阶临界转速为1380 r/min，工作转速超过2倍一阶临界转速，客观上具有发生油膜涡动和油膜振荡的条件。出现的各种失稳振动情况，说明其设计的轴系稳定裕度过低，系统阻尼不够。建议厂家对轴系稳定性进行复核计算，从根本上解决问题。虽然从理论上说可倾瓦是目前稳定性最佳的轴承，但实际上和现场的安装质量等有很大关联性，当扰动力足够大且轴承阻尼不够时，仍可能发生油膜涡动和油膜振荡。因此提高安装质量、加强质量管理是防止出现问题的有效措施。
【参考文献】
［１］姚福生．汽轮机轴的涡动和油膜振荡[J]．发电设备，1991，(10)．
［２］迟威，宿海燕等．牡二电厂200 MW机组油膜振荡故障诊断及处理[J]．黑龙江电力，2003,25(1)．