汽轮机组油膜振荡的分析与处理综述

外油膜过厚，刚度下降，也使转子临界转速降低， 更易引发振荡。
（3） 润滑油的进油温度过低 油温对油膜振荡有很大的影响：当其它条件不 变时，油温高则油的粘度低，最小油膜厚度变小， 轴承的工作点、油膜刚度和阻尼系数都将发生变化。 （4） 轴承负载不均 大型汽轮发电机组轴系安装时，是在转子不旋 转的状态下，按制造厂家提供的挠度曲线和规范, 调整轴承中心位置找正的。但在运行过程中，由于 机组的热变形，转子在油膜中浮起，以及真空度、 地基不均匀下沉等因素的影响，轴系对中情况将发 生变化，即标高产生起伏。因此，在热态下，机组 轴承的负荷将重新分配，有可能使个别轴承过载， 出现温升过高和烧瓦，个别轴承的负荷偏低, 产生 油膜振荡或其它异常振动。 （5） 外界激发油膜振荡 运行十分稳定的机组，有时会因外部振源通过 基础、管道激发油膜振荡，原因是这种背景振动恰 好以油膜振荡频率出现。
生的现象，通过测量振动和轴心轨迹来预测油膜振
（3）降低润滑油的粘度
荡产生的可能性，以保证机组的在正常运行。
润滑油的粘度越大，油分子间的凝聚力就越 大，轴颈在旋转时所带动的油分子就越多。这样油 参考文献：
层就较厚，轴颈在轴承内的偏心率就较小，故容易 失稳。通常降低粘度的办法是提高进油温度。
（4）减小顶部间隙 减少轴瓦顶部间隙，使圆筒瓦变为椭圆瓦。对 于椭圆瓦，随椭圆度加大，轴瓦稳定性提高。采用 此措施要特别注意回油温度和钨金温度，必要时可 适当加大侧隙。圆筒瓦顶隙可以取为 1‰~2‰轴颈 直径，椭圆形瓦顶隙可以取 1‰轴颈直径。 （5）增大上瓦钨金宽度 对某上瓦开有环形槽的机组，若仅使上瓦钨金 变窄，则对减小顶隙作用往往不大，若将减小顶隙 和增大上瓦钨金宽度相结合，则效果更好。原因 是：除了将增大偏心率之外，还使得上瓦也形成了 油膜，即上瓦也产生了收敛油楔。 （6）括大轴瓦两侧间隙 括大侧隙的实质就是增大轴瓦的半径间隙。括 大间隙后，轴承的椭圆度也将有所增加，可提高轴 承稳定性。括大两侧间隙有两种方法：1. 减小轴
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电力科学与工程
好时，轴颈在不变外载荷 作用下，如果 不太高， 轴颈中心处于稳定位置 ，油膜合力 油与外载荷 相平衡， = 叫偏心距， 为偏位角，轴颈此时 处于平衡位置，可用 , 表示。
1
21
（a） 轻载
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油
图 1 圆柱滑动轴承运行位置示意图
1
21
（b） 中载
如果外界给轴颈一个扰动力，且 逐渐增加高 达某一值时， 不能再保持在原来的稳定位置上， 而以某种轨迹绕平稳位置而涡动，轴承失去稳定 性。此时相应转速为失稳转速 ，轴颈涡动频率， 约为转速的一半，所以称为半速涡动。当涡动速度 达到轴的第一临界转速时，发生共振现象，此时半 速涡动被共振所放大，表现为激烈的振动，这就是 所谓的油膜振荡。
+ 油= ，
（1）
将 分解为 1， 2， = 1+ 2，从图 3 可以 看出， 1为使轴颈回到其初始位置的力。 2为推动 轴颈绕平衡中心 涡动的力，其转动方向和 相同，
第3期
蔡 伟 汽轮机组油膜振荡的分析与处理综述
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力 2即产生半速涡动和油膜振荡的动力，称为失稳 分力。 2.3 涡动角速度的分析
1 汽轮机组油膜振荡产生的原因
汽轮机组产生油膜振荡有以下几个原因 ： [1] （1） 轴承稳定性差 轴承的稳定性取决于轴承结构形式及设计参数 两个侧面。使用在汽轮发电机组上稳定性最好的是 可倾瓦，其次是椭圆瓦，再次是三油楔瓦，最后是 圆筒瓦。 （2） 轴承过度磨损 由于安装、维修不符合要求，使得轴承间隙不 当、轴承壳体配合过盈不足、轴瓦参数不当。在同 等偏心情况下，瓦过度磨损相当于偏心率过小；另
（5）油膜振荡时，轴心涡动方向和转子旋转方 向相同，为正向涡动。
（6）油膜振荡时转轴将承受较大的交变应力。 由油膜振荡产生的交变应力的频率是转轴旋转频率 与轴心涡动频率的差 。 [4]
（7）油膜振荡具有惯性效应，升速时产生油膜 振荡的转速与降速时油膜振荡消失的转速不相同， 如图 2 （c）所示。
2+ 2源自文库
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电力科学与工程
2009 年
（1）加大比压
颈和下瓦的接触角，将下瓦与轴颈接触角由 60°减
所谓比压，就是轴瓦单位垂直投影面积上的轴 小到 40°~45°。2. 括进出、口油囊。
颈载荷。加大比压，将加大偏心率，从而提高转轴
（7） 换用稳定性较好的轴瓦
的稳定性。当比压较小时，转轴的转速尚在第一临
将圆形轴瓦改成椭圆形，以增大偏心率，减小
而提高油膜稳定性。
5 结论
压越大越好。比压大，摩擦功耗就大，易使钨金温
度和油温升高。
油膜振荡对汽轮机组的危害极大，是机组实际
（2）减少长径比
运行中必须考虑的问题。同时油膜振荡的影响因素
减少长径比可以提高比压，使下瓦油膜力减 又很多。在机组的运行过程中，应根据油膜振荡产
小，轴瓦偏心率增大，稳定性提高。
油膜振荡的振动频率，一方面等于转轴的第一 临界转速，另一方面仍在当时实际转速的一半还要 略低一些。由此可见，只有当转轴的转速高于其第 一临界转速的 2 倍时，才可能发生油膜振荡，所 以，转速的第一临界转速越低，其支持轴承在工作 转速范围内发生油膜振荡的可能性就越大。而对于 刚性转子或者第一临界转速高于 1 500 r/min 的柔 性转子，在工作转速范围内就只可能发生半速涡 动，而不会发生油膜振荡。
第 25 卷第 3 期 2009 年 3 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
Vol.25, No.3
Mar., 2009
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汽轮机组油膜振荡的分析与处理综述
蔡伟
(华北电力大学 能源与动力工程学院，河北 保定 071003)
摘要：油膜振荡是汽轮机组运行过程中的常见故障之一。介绍了油膜振荡产生的原因，分析了油膜振荡故 障的机理，总结了油膜振荡故障特征，提出了解决油膜振荡问题的对策。 关键词：汽轮机组；油膜振荡；分析与处理 中图分类号：TK267; TH133.31 文献标识码：A
0 引言
油膜振荡是汽轮发电机组的常见故障，对机组 的危害很大。随着我国汽轮发电机组容量的增大， 汽轮机轴颈增大较快，整个轴系中不稳定区扩大， 因而容易发生油膜振荡。机组容量的增大，使发电 机转子长度增长较快，转子临界转速降低，机组往 往工作在一阶临界转速甚至二阶临界转速上，容易 出现油膜振荡问题。油膜振荡出现后，汽轮发电机 组在运行过程中将产生动静部件摩擦、转子热弯 曲、瓦面碎裂等故障。所以，对汽轮发电机组的油 膜振荡进行分析并总结处理方法，对电力行业发展 具有重要现实意义。
2 油膜振荡机理分析
2.1 油膜振荡现象 如图 1 所示，以圆柱滑动轴承为例，设轴承中
心为 ，轴颈中心为 ，轴颈以角速度 旋转时， 油膜压力将轴颈抬起，当转子制造精确，平衡得很
收稿日期：2009 01 09. 作者简介：蔡伟 (1982 －), 男, 华北电力大学能源与动力工程学院硕士研究生.
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=2
（4） 4 消除油膜振荡的方法
求得涡动速度 = 2 ，所以称为半速涡动。 实际上，由于轴承总是承受载荷的，而且两端
均有泄油量，减少了上述流量差，所以实际轴颈涡 动速度小于 1 。 [2]
2
凡是有利于增大轴承偏心率，提高轴承一阶临 界转速，以及提高失稳转速的措施，均有利于防止 油膜振荡。对现场来说，消除油膜振荡的主要方 法，是通过改轴瓦以提高轴颈在轴系内的偏心率。 具体方法如下 ： [5~10]
3 油膜振荡特征
（1）油膜振荡频率，与工作转速无关，约等于 转轴一阶振动频率 1，振型为一阶振型。一旦发 生油膜振荡，则振荡就在很大范围内存在，提高工 作转速离开 1时振荡也不会消失，只有 <2 1时振 荡才会停止。
（2）转轴在做油膜振荡时，系统内必然存在负 阻尼（失稳分力），它对振动系统做功，增加振动 动能，是输入能量。同时，系统中也不可避免地存 在各种摩擦阻尼，要消耗能量，所以油膜振荡不能 无限增大。实际情况是：当油膜振荡刚开始，振幅 很小时，输入能量大于消耗能量，振幅逐渐加大， 随着振幅增加，消耗能量比输入能量增长快，所以 振幅增长到一定数值时，能量达到平衡，振幅稳定 在一定数值上。
（2）
2 =2
（3）
图 4 涡动角速度分析
显然，上述流量是不平衡的，油量增多的一 边，要推动轴颈向油量减少的另一边移动，迫使轴 颈中心 绕平衡位置 而涡动。
以 代表涡动角速度，涡动半径为偏心距 ， 为半径间隙， 为轴颈半径，则 代表轴颈中心 具有因涡动而引起的切向速度。也就是说，由于轴 颈涡动附加流出间隙的流量为 ×2 即月牙形面 积，只有它等于上述流量差时轴才能平衡。故有，
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如图 3 所示，在圆柱滑动轴承内，轴颈以角速 度 旋转，作用于轴颈上外力为 ，油膜压力 油与
1
21
（c） 重载
图 2 轴颈载荷不同时的失稳转速
1 "
2
油 油
图 3 轴承受力分析
相平衡，轴颈处于平衡位置 , ，转轴稳定运行。 轴颈在外界扰动力作用下，使 产生一位移
到 "，由于偏心产生变化，油膜压力由 油与外载荷 不平衡。
设轴颈 以角速度 旋转，不承受外载荷，轴 心 和轴承中心重合，而处于平衡位置。在外力扰 动下，轴颈 以角速度 绕 涡动。此时，轴颈两 侧油流间隙发生变化。
若不考虑轴颈两端泄油量，根据流量不变原 理，流入流出轴承间隙油量应相等。
如图 4 所示， 处流量（对单位轴向长度轴 颈而言），经 处流入间隙流量
2 =2 + 经 处流出间隙流量
界转速之前，就可能失稳，而产生涡动。随着比压 轴承与轴瓦之间的接触角，使上瓦顺轴承方向，存
的加大，而成为中载时，失稳转速也会相应的提高 在一定的收敛楔隙，产生将轴下压的油膜压力，进
到2 1，以后仍低于2 1。当比压较大时，失稳转 速就将比 2 倍的第一临界转速还要高。可见随着比 压的加大，稳定区是越来越宽的。当然也不是说比
（3）转速在一阶临界转速的两倍以下时可能产 生半速涡动，涡动频率为转速的一半。半速涡动的 振幅较小, 若再提高转速则会发展成为油膜振荡[ ， 3] 如图 2 （b）所示。半速涡动通常在高速轻载轴承 情况下发生。
（4）油膜振荡开始发生但还未发展为剧烈的自 激振动时，轴心轨迹图形呈现紊乱状态。在一般情 况下，轴心按一定的轨迹运动，其轨迹在小范围内 变化。当油膜振荡发生时，振动逐步剧烈，轨迹的 变化范围剧烈增大，且呈紊乱状态 。 [4]
当轴颈载荷不同时，失稳转速的高低也不一 样，如图 2 所示。图 2 （a）为轻载情况，失稳转 速 在第一临界转速之前；图 2（b）为中载情况， 失稳转速在第一临界转速之后；图 2 （c）为重载 情况，在稍高于2 1时，转速尚未失稳，所以没有 油膜振荡，直到比 2 倍临界转速高出较多时，转速 才失稳，而且不经半速涡动就直接表现为油膜振荡。 2.2 力的分析
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Analysis and Treatment for Oil Film Oscillation of Turbine-Generator Units