摘要：汽轮发电机组油膜失稳故障是发电厂常见的振动故障之一，因其引起的突然剧烈的振动，情况严重时破坏性较大，逐渐引起人们对油膜失稳故障机理的研究。油膜失稳故障一般分为油膜祸动和油膜振荡两个过程。通常转子转速在两倍的转子第一临界转速之下时，发生油膜祸动故障，振动频率约是同步转速的一半，所以又称半速祸动；当转速超过两倍转子第一临界转速后，祸动频率与转子固有频率相重合，发生共振，这种故障就是油膜振荡故障。
关键词：油膜；失稳故障；机理分析
1油膜失稳故障的原因
通过分析大量油膜失稳故障案例发现轴颈扰动过大和轴承稳定性差两大方面是造成油膜失稳的主要原因。这主要是由于运行工况和轴承结构以及检修造成的。其中轴承标高不当、轴承间隙不适、润滑油温过低和轴承型式不当是造成轴承稳定性差的主要四个方面。
1.1轴颈扰动过大
轴颈扰动过大是指持续的外部激励，而不是指轴系某一时刻出现的外部扰动，就是指轴颈与瓦块之间的相对运动，即现场检测的相对轴振。从现场大量的工程实例来看，转轴振动过大主要由以下几个原因引起。
（1）转子热弯曲
现场汽轮发电机组的转子出现热弯曲是较为普遍的振动现象。机组正常运行时负荷增加，如果突然出现油膜失稳，并且振动的大小与负荷或者发电机励磁电流有着某种关系，此情况通常是转子发生热弯曲导致的。转子发生热弯曲有两种情况：一种是转子发生热弯曲是轴向对称的，在机组并网运行时对轴瓦振动影响很小；另一种情况是转子的热弯曲不是完全轴向对称的，这种情况占大多数。不管是轴向对称还是轴向不对称热弯曲，转轴振动都将显著增力口。所以只从增加轴承稳定性来消除轴瓦振动而不降低相对振动，尽管短时间内振动会有所降低，但是机组运行1-2个月之后，轴承的巴氏合金会出现碾轧或龟裂，因此某些机组的轴承虽然经过多次修补，但是振动却一直不能彻底消除。
（2）轴承座动刚度过大
从轴承稳定性角度考虑，并不是轴承座动刚度愈大愈好。因为轴承动刚度过大将使转轴与轴瓦之间的相对振动变大，影响轴承正常运行。所以，对支持轴承座动刚度明显偏大的汽轮机转子质量较小的高压转子来说，虽然轴承的绝对振动值不大，但是轴承的相对振动很大而将引起油膜失稳振动的趋势。在这种情况下，通过调整转子质量平衡减小转轴振动的方法来消除油膜失稳振动。
（3）转子永久性弯曲
汽轮机转子热弯曲和永久性弯曲相同，都会产生转子质量不平衡，导致轴承振动增大。由于弯曲转子造成轴承振动增大，做动平衡可以改善振动状况，但转子仍会存在较大的振动。此故障只要在静态下测量转子弯曲值，或在盘车转速下测量转子晃度就能确定原因。
（4）转子对中不良
转子对中不良即机组运行时相邻两转子的轴心线与轴承中心线的偏移和倾斜，转子同心度和平直度产生偏差，它和汽轮机转子热弯曲相同，是导致汽轮机转子扰动过大的常见故障。
1.2轴承稳定性差
轴承设汁、检修、制造、运行等因素都会影响轴承的稳定性。结合现场故障案例总结影响轴承稳定性的原因有以下几点。
（1）轴瓦顶部叫隙过大
根据现场运行积累的经验来说，不论是椭圆轴承、圆筒型轴承、可倾瓦轴承、三油模轴承，过大的轴承顶部间隙都将导致轴承稳定性大幅降低，特别在轴颈扰动过大时，经常出现油膜失稳现象。由于轴承顶部间隙过大，使轴承上部油膜力显著降低，导致轴承的预载荷和轴承偏心减小，出现轴承稳定性降低。
（2）对轴颈的精度与粗糙度的要求
由于转子轴颈的精度和粗糖度影响轴承油膜的稳定和完整，因此要求转子轴颈表面应光亮，无任何伤痕、锈烛。这样油膜的最小厚度大于轴瓦与轴颈表面加工刀痕所造成的不平度，保证润滑作用。一般轴颈圆度与圆柱度要求不大于0.02mm。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆轴颈表面粗糙度对轴颈的使用寿命、抗腐烛能力有着直接影响。减少轴颈的粗糙度，可大大减少磨擦耗能。轴颈表面粗糙度一般取0.20，磨床加工。
（3）润滑油粘度
润滑油粘度是影响轴承稳定性的因素之一。润滑油粘度大时，油就稠，流动慢，轴承产生的热量不容易被带走，使轴承发热，同时轴承稳定性下降。润滑油粘度过小时，油就稀，流动快，会使油膜破坏。而润滑油粘度又与润滑油温、油质、润滑油的种类有关。润滑油中含水和老化将使润滑油质下降，导致润滑油粘度的降低。轴承润滑油进口温度一般为35—48℃。轴承油膜失稳很多是由于轴承入口润滑油温过低造成的，特别是启机时应注意入口油温。
（4）轴承紧力
轴承紧力的大小直接影响轴承座整体的刚性度，轴瓦不能过紧或过松否则都会造成振动，过松会导致转轴偏心摆动，过紧容易影响油膜的形成，会导致轴颈和轴瓦摩擦增大，容易烧瓦，并且引起轴系不平衡也会已引起振动，所以轴承的紧力会直接影响轴承的振动。
（5）轴承的长径比
减小轴承长径比可以提高轴承稳定性。一方面，减少轴承长度能增大轴承比压；另一方面，将使轴承下瓦油膜力下降，轴承偏心增大，可以减小摩擦阻力和边缘接触，以提高稳定性。
2 油膜失稳故障的振动机理
油膜失稳故障是轴承油膜力激发的振动。在轴承稳定状态时，轴颈只围绕其轴心旋转，油膜产生的力和载荷平衡，轴颈处于平衡位置。当转子受到外界扰动时，轴承油膜除产生沿偏移方向的弹性恢复力外，还要产生一垂直与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，那么轴颈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。
2.1油膜失稳现象
径向滑动轴承为支承的卧式转子分别受不同载荷时通频振幅随转速的变化。承受轻载负荷转子，转子在低转速时，因为转子轴系的质量不平衡，轴颈中心绕其某一平衡位置作小椭圆轨迹祸动，祸动频率大小和旋转角频率相同，祸动方向与旋转方向一致，通常称为“同频祸动”。转子转速上升至A点时，轴颈的振动除了包括“同频祸动”成分外，还包括频率约为0.5倍转动角频率的祸动，称为半频祸动成分，这两种祸动成分的综合作用使轴心轨迹呈大、小两个椭圆叠连的形状，而且半频祸动成分会随转速上升而增大。转速上升到转子系统一阶临界转速时发生共振，此时半频祸动会暂时消失，过了共振峰区，油膜半频祸动又重新出现。转速继续升高，当转速到达约两倍转子系统一阶临界转速时，油膜祸动的频率与转子系统一阶临界转速接近而发生共振，引起轴承振幅剧烈突增现象，此振动故障称为油膜振荡。转子转速继续升高，上述剧烈振荡依然存在，且随转速上升轴心轨迹成花瓣、紊乱。
2.2油膜失稳故障机理
轴承动态油膜力对系统做功，有的作正功，有的则作负功，当正功大于负功时轴心轨迹发散，转子系统失稳，反之则轨迹收敛，转子系统稳定。为零时相应的为界限祸动比。即表示在此界限祸动比下油膜交叉刚度系数所做的正功与油膜阻尼系数所做的负功相抵消。反映了祸动因素对阻尼因素的相对值，其值越小越好。当实际祸动比小于界限润动比时，油膜呈正阻尼特性，运动是稳定的；当实际祸动比大于界限祸动比时，油膜呈负阻尼特性，运动是不稳定的；当实际祸动比等于界限祸动比时，油膜呈零阻尼特性，运动处于界限状态。
2.3轴系失稳故障对转子的影响
发生油膜失稳故障时，由于油膜祸动和油膜振荡的轴颈位移幅值不同，对汽轮发电机组轴系产生的危害程度也不相同。油膜祸动的轴颈位移幅值相对较小，一般位移的幅值要小于轴颈与轴瓦的间隙，一般不会发生轴承的磨损，但是由于轴系长期在油膜祸动故障下运行将导致动力负荷的增加，噪声和轴承振动的增大，引起相邻轴承振动的增加，进而造成轴承和轴系部件的疲劳、松动，同时也降低轴承的稳定性。发生油膜振荡时，通常轴颈位移的幅值大干轴承间隙，将引起轴颈和轴瓦的碰磨，轴颈连续地撞击在轴瓦巴氏合金面上，合金面上出现可目视到的裂纹和白印，裂纹会破坏油膜形成，严重时裂纹区的合金剥离、脱落，脱落的合金细屑将堵塞轴承间隙，导致轴承的润滑受到影响，轴承温度升高。
3结论
本文主要对油膜失稳故障的原因和机理进行了详细的分析，包括介绍汽油膜的形成、油膜失稳故障振动现象和故障机理的分析，并结合现场故障案例分析了油膜失稳故障在设计和运行检修方面的具体原因以及油膜失稳故障对转子轴系产生的影响。
论文作者:王旭明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
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