概述 軸瓦自激振動是現場較常見的一種自激振動，它常常發生在機組啟動升速過程中，特別是在超速時。當轉子轉速升到某一值時，轉子突然發生渦動使 軸瓦振動增大，而且很快波及軸系各個軸瓦，使軸瓦失去穩定性，這個轉速不失穩轉速。 軸瓦失穩除與轉速直接有關外，還與其他許多因素有關，因此軸瓦自激振動有時會在機組帶負荷過程中發生中。下面將詳細討論其振動機理、軸瓦自激振動故障原因、診斷方法和消除措 節半速渦動和油膜振蕩 軸瓦自激振動一般分為半速渦動和油膜振蕩兩個過程。轉子工作轉速在兩倍轉子臨界轉速以下所發生的軸瓦自激振動，稱為半速渦動，因為這時自激振動頻率近似為轉子工作頻率的一半。這種振動由于沒有與轉子臨界轉速發生共振，因而振幅一般不大，現場大量機組實結果多為40－100μm。轉子工作轉速高于兩倍臨界轉速時所發生的軸瓦自激振動，稱為油膜振蕩，這時振動頻率與轉子臨界轉速接近，從而發生共振，所以轉子表現為強烈的振蕩。這時轉軸和軸承的振幅要比半速渦動大得多，目前已檢測到的軸承Z大振幅可達600－700μm。 這時要指出，油膜振蕩是渦動轉速接近轉子臨界轉速而引起的共振，而不是與轉子當時的轉速發生共振，因此采用提高轉速的辦法是不能避開共振的。 進一步研究表明，軸瓦在不同載茶下的失穩轉速有較大的差別。圖所示是輕載軸瓦，軸瓦失穩（半速渦動）在轉子臨界轉速之前就發生，而且當轉子轉速達到兩倍臨界轉速，就發生了油膜振蕩。圖所示是中載軸瓦，軸瓦失穩（半速渦動）在臨界轉速之后才發生，在高于兩倍臨界轉速的某一轉速下才發生油膜振蕩。圖所示是重載軸瓦，在油膜振蕩之前沒有發生半速勸，直到高于兩倍臨界轉速較多時才發生油膜振蕩，而且升速時發生油膜振蕩的轉速總比降速時油膜振蕩消失的轉速高，這種現象稱為油膜振蕩慣性效應。 第二節軸瓦自激振動的機理 要了解軸瓦內油膜如何能維持軸瓦自激振動，就行分析油膜力對軸頸的作用。為了簡化起見，現以圓筒形軸瓦為例加以說明。 考慮一根沒有受任何載荷，完全平衡的理想轉軸。在高速轉動時，其軸頸中心應位于軸承中心一個小位移，則轉軸在軸承中的位置在正中心，這時偏離軸承中心的軸頸必然要受油膜彈性恢復力的作用，這個彈性恢復力又有迫使軸頸返回原位置的趨勢。但是，由于軸頸的編移，油流所產生的壓力分布發生了變化。在小間隙的上游側，被軸頸帶動而高速流動的潤滑油，從大間隙流往大間隙，壓力降低，即油膜壓對軸頸的徑向偏移線是不對稱的，上游側的壓力比下洲側的壓力高。這個壓差垂直于徑向偏移線方向，它有迫使轉軸沿著垂直于徑向偏移線方向（切線方向）進行同向渦動的傾向。當這個切向力超過各種阻尼力時，轉軸就會脫離平衡位置而產生渦動，渦動方向與轉動方向一致。一旦發生渦動，整個轉軸就圍繞平衡位置渦旋，轉軸將受到離心力作用。這個因渦動而產生的離心力將加大軸頸在軸瓦內的偏移量，從而進一步減少這個小間隙，使得上游和下游之間的壓差更大，造成切向力增大。這又進一步推動軸頸渦動，周而復始，愈演愈烈形成自激。 很明顯，軸承內的油膜和一般的機械彈簧不一樣，當油膜在外界一個偶然的擾動下變形時，它除了產生一個沿著變形方向的彈性恢復力外，還將產生一個垂直變形方向的切向分力。這個切向分力就是破壞軸頸在軸承內的穩定性，引起渦動的根源，一般稱這個切向分力為失穩分力。 上述分析的是平衡的無載荷軸的理想情況。對于實際的汽輪發電機組的軸承來講，總是有載荷的，因而軸頸不會處在軸承中心，轉子也不會平衡，所以軸頸中心不可能靜止地停留在一點上，但是，油膜具有產生一垂直于變形方向的切向失穩分力的本質沒有變。所以，對于軸頸在外界偶然擾動下所發生的任一偏移，軸承油膜除了產生沿偏移方向的彈性恢復力保持和外界載荷平衡外，仍然要產生一個垂直于偏移方向的 第三節軸瓦自激振動的原因 在早先的振動原因診斷中，當做出振動原因是軸瓦自激振動診斷之后，診斷就此結束。消除振動措施幾乎都是從增加軸瓦穩定性著手。這樣做一般都是有效的，但是對于有些機組，特別是在同型機組中，有些有效，有些則無效，這就引起了人們的注意，從而著手研究軸與自激振動的原因。 進一步研究發現，增加軸瓦穩定性未能消除軸瓦自激振動的主要原因是由于軸頸在軸瓦內存在著較大的擾動。這與普通強迫振動中軸承座動剛度和擾動力的關系一樣，當擾動力較大時，只采取增加軸承座動剛度措施，效果不會顯著。所以軸瓦自激振動總的來有軸頸擾動過大和軸瓦穩定性差兩個原因。 3.1 軸頸擾動過大 這時所說的軸頸擾動過大，不是指轉子暫態瞬間產生的擾動，而是指穩定的擾動，進一步說是指軸頸與軸瓦之間的相對振動。簡稱轉軸振動。 從許多機組觀察到，轉軸振動過大確實是引起軸瓦自激振動的重要原因之一。一些機組實測結果表明，在一般圓筒形、橢圓形和三油楔軸瓦上，當轉軸振動超過軸瓦正常頂隙的1/2時，很容易引起軸瓦自激振動。引起轉軸振動過大的原因有： 1.轉子熱彎曲 運行的汽輪機、發電機轉子產生熱彎曲是較為常見的一種振動故障。當機組有功負荷時，突然發生軸瓦自激振動，而且與機組有功負荷或勵磁電流有著一定的對應關系（再現性不好），這種現象大部分是由于轉子發生熱彎曲所致。 轉子在運行狀態下會因種種原因發生熱彎曲，當轉子熱彎曲軸向對稱時，在工作轉速下對軸承振動的影響很小。當然，實際轉子的熱彎曲大部分不是完全軸向對稱的，因此在工作轉速下測量軸承振動與有功負荷或勵磁電流的關系，也能發現轉子是否存在熱彎曲。不論是軸向對稱還是不對稱的轉子熱彎曲，都會使轉軸振動明顯增大， 在這種情況下，若不降低轉軸振動，而只從增加軸瓦穩定性著手消除軸瓦自激振動，雖然短時間內會有效，但運行一段時間（幾周或1－2個月）之后，會引起軸瓦烏金碾軋或龜裂，所以有些機組的軸瓦雖經多次修理，但軸瓦自激振動卻一直不能獲得根治。 這種故障只要通過測量轉軸振動即能查明；若無條件測量轉軸振動，則通過對振動與有功負荷、勵磁電流關系的分析，也能診斷出轉子是否熱彎曲，具體診斷方法見本章第八節。 2.轉子永久彎曲 轉子永久彎曲與熱彎曲一樣，除了產生質量不平衡外，還會引起轉軸過大軸仍然存在較大振動。彎曲轉子質量不平衡引起過大振動，通過轉子平衡可以獲得改善，但是轉軸仍然存在較大振動。 這種故障通過在靜態下測量轉子彎曲值，或在盤車轉速下采用大軸彎曲指示器測量轉軸晃擺值即能查明。 3.軸承座動剛度過大 從減少軸瓦振動角度來看，希望承座動剛度愈大愈好，但是這會引起轉軸相對振動的增大，對軸瓦穩定運行不利。因此對于一些轉子質量較小的汽輪機高壓轉子來說，其軸承座動剛度往往顯得過高，在較大的不平衡力作用下，軸承動雖然不大，但轉軸存在因過大的振動而激起軸瓦自激振動的趨勢，例如國內運行的蘇制BIIT－50－2高壓轉子，近幾年先后發生了多起軸瓦半速渦動，原因是轉軸振動過大(300-600μm)。在未發生軸瓦半速渦動時，軸承振動一般小于30μm。消除這種半速渦動，開始只采取增加軸瓦穩定性的措施，當時雖然奏效，但運行1－2個月后，上瓦發生了損壞（龜裂）。后來通過調整轉子平衡減少了轉軸振動，在不更動軸瓦的情況下，半速渦動獲得了消除，經4－5a連續運行，軸瓦工作一直正常。 4.轉子對中不好 這時所說的轉子對中不好是指采用固定式聯軸器連接的轉子同心度和平直度偏差，這種故障引起轉軸振動過大的道理和轉子永久彎曲及熱彎曲的道理一樣，它是引起軸頸擾動過大的常見故障之一。 3.2 軸瓦穩定性差 影響軸瓦穩定性因素較多，它涉及軸瓦設計、制造、檢修和運行等方面。下面要只是針對軸瓦在現場使用中可能出現的影響軸瓦穩定性的故障原因。 1.軸瓦頂隙過大 在軸瓦穩定性計算中，不論是圓筒瓦、橢圓瓦還是三油楔瓦，隨著軸瓦半徑間隙的增大，穩定性將增高。但根據運行經驗來看卻并非如此，這三種軸瓦過大的頂隙都會顯著降低軸瓦穩定性，特別是轉軸振動較時，更容易引起軸瓦失穩。 過大的軸瓦頂隙使軸瓦穩定性降低的機理比較復雜，但有一點可以肯定，這三種軸瓦過大的頂隙會顯著減少上瓦的油膜力，即降低了軸瓦的預載荷，使軸瓦偏心降低，穩定性下降。 2.軸瓦形式 目前現場使用的有圓筒瓦、橢圓瓦、三油楔瓦和可傾瓦，前兩作軸瓦在現場使用已有較長的歷史，而且積累了較豐富的使用經驗。從穩定性來說，橢圓瓦好，因此在現場發生軸瓦自激振動時，首先是將圓筒形改成橢圓瓦。實踐證明，效果良好。 目前國內可傾瓦只是局限在進口和引進型的機組上使用。三油楔軸瓦近十年開始在國內使用，但早期這些軸瓦在發電機轉子早使用后，幾乎所有的機組都發生了油膜振蕩，通過多次減少長徑比（L/D）后，軸瓦穩定性雖有改善，但其穩定性余度仍不能滿足機組運行的要求，因此就200MW機組來說，Z近仍有約20%的機組在現場發生了油膜振蕩。 三油楔軸瓦的靜態試驗證明，其靜態穩定性較橢圓瓦好，但動態穩定性目前尚缺乏實驗數據。由于油膜剛度和阻尼系數目前還不能取準，因此理論計算求得的失穩轉速與實際有較大出入。據國外資料介紹，使用在汽輪發電機組上穩定性Z好的是可傾瓦、本油葉瓦，其次是橢圓瓦、再次是三油楔瓦，Z后是圓筒瓦。從國內這幾種軸瓦的使用情況來看，這種排列次序與實際情況是符合的。 3.潤滑油黏度 影響潤滑油黏度的因素有油質、油的牌號和油溫。隨著油黏度的提高，軸瓦穩定性會降低。影響油質的因素主要是油中含水和劣化，這些因素會都使油的黏度降低。目前國內使用的汽輪油有32號和46號兩種，前者黏度小于后者，目前200、300MW機組全都使用號汽輪機油。國內也有因錯用油而發衛油膜振蕩的例子。“電力工業管理法規”規定軸瓦正常的入口油溫為35－45度。由于入口油溫過低而發生軸瓦自激振動在現場較為常見，尤其是在冬季啟動。消除油膜振蕩的一個簡單措施是提高軸瓦入口油溫，因此目前有些機組軸瓦入口油溫已提高到50度。但是油溫過高會加速油質劣化，而且由于烏金溫度升高，軸瓦安全運行的余量減少。 4.比壓 提高比壓，可以提高軸瓦穩定性，但不是成簡單的正比關系。目前大機組軸瓦比壓一般為1.2－1.6Mpa，而200、300MW發電機軸承比壓已提高到1.7－1.9Mpa。過高的比壓會使軸瓦烏金溫度升高并加速磨損。 5.長徑比 減少長徑比可以提高軸瓦穩定性。在一定的軸頸直徑下，減少軸瓦長度，一方面使比壓提高，從而持高軸瓦穩定性；另一方面使下瓦油膜力減少，軸瓦偏心率增大，穩定性提高。 一般圓筒形瓦和橢圓瓦長比為0.8－1.1，有時為了提高軸瓦穩定性，將長徑比減少至0.6－0.7。例如前幾年國產200MW機組因采用三油楔瓦，為了消除油膜振蕩，將其長徑比由0.85減至0.6。從多臺機組長徑比減少后的實踐效果來看，瓦失穩轉速只提高了200－300r/min. 6.軸承座標的變化 本章第四節指出是，在機組冷態和運行狀態下軸系的各軸承座特別是汽輪機軸承座的標高將發生較大化，盡管在冷態下各軸瓦載荷分配合理，但在運行狀態下軸系中某幾個軸瓦載荷可能過低，使其比壓太小而失穩。所以有些機組轉子并沒有發生熱彎曲，帶負荷后卻發生了軸瓦自激振動，但是不能由此而做出軸瓦自激振動的景要原因是軸承座標高變化使軸瓦載荷降低的診斷。目前國內圓筒形瓦、橢圓瓦、三油楔瓦運行經驗表明：在冷態下機組各軸承座標高不做任何補償的情況下，如果軸瓦穩定性一般，只要運行中轉子不發生熱彎曲，這些機組就不會發生軸瓦自激振動。只有當軸瓦循名責實性較差，在運行狀態下處在失穩邊緣時，才對軸承座標高、潤滑油溫度等一些運行參數特別敏感?，F場大量實踐經驗表明，在這種情況下，如果不從提軸瓦穩定性或消除軸頸過大擾動入手，而只是從提高軸瓦入口油溫或調整軸承座標高方面云解決軸瓦自激振動。換句話說，軸瓦進口油溫和軸承座標高對軸瓦穩定性是有一定影響的，但是在正常運行的機組，通過對這些因素的調整，在軸瓦穩定性方面所獲得的收效，仍不能滿足軸瓦穩定運行的要求。 第四節軸瓦自激振動的診斷 診斷軸瓦自激振動，總的來說可以分為振動性質的診斷和具體故障原因的診斷兩個步驟。上面已經討論了軸瓦自激振動的原因，這些原因絕大部分都是直觀可見的，例如軸瓦頂隙過大、軸瓦形式不同、潤滑油溫度過低等。，而且這些因素涉及的故障范圍較小，當振動性質確定之后，軸瓦自激振動故障的具體原因還是比較容易診斷的。為了能迅速可靠地做出診斷，診斷時應注意以下幾點。 4.1 振動性質 在汽輪發電機組上產生低頻振動，除軸瓦自激振動外，還有分諧波共振和汽流激振。后一種振動在國內雖然還沒有發生過，但在大容量汽輪機高壓轉子上產生這種振動的可能性還是存在的。因此診斷軸瓦自激振動時，首先應將后兩種低頻振動區分開來，具體方法見表。 4.2 軸頸擾動是否過大 診斷軸瓦自激振動首先應查明軸頸擾動是否過大，這一點和診斷普通強迫振動要首先檢測軸承座動剛度的原量是一樣的，但診斷順序則正好相反。 當軸頸振動過大時，應查明軸頸振動大的原因；如果軸頸振動不大，而且也排除了影響軸瓦穩定性的一些直觀因素，例如潤滑油黏度、軸瓦頂隙艾正常，在這種情況下才有必要進一步標明軸瓦穩定性差的其他原因。 查明軸頸振動Z直接的方法是測量轉軸振動；若無條件測量轉軸振動，根據軸瓦自激振動發生的部位、轉子是否存在永久彎曲或熱彎曲、轉子找正情況及工藝等因素的分析，也能間接地確定運行狀態下軸頸擾動是否過大。 4.3 軸瓦自激振動源的診斷 為了有效地消除軸瓦自激振動，不僅要找軸瓦自激振動的具體原因，而且要找出軸瓦自激振動首先是由哪一個軸瓦激起的。軸系中一量有一個軸瓦發生自激振動，特別是油膜振蕩，就會波及軸系中其他各個軸瓦。根據下列特征，可以確定軸瓦自激振動的根源。 1.振動頻率。 當軸瓦自激振動是油膜振蕩時，振蕩頻率與該200MW轉子臨界轉速相接近。例如東方汽輪機廠制造的機組6號、7號瓦發生油膜振蕩時，各軸瓦振動主頻率為17.83Hz，即1070r/min，與發電機轉了一臨界轉速1170 r/min很接近。又如哈爾濱汽輪機廠制造的200MW機給6號、7號瓦發生油膜振蕩時，各軸瓦振動主頻率為16Hz，即960r/min，與發電機轉子臨界轉速978r/min很接近。但是當軸瓦自激振動是半速渦動時，從軸瓦振動頻率還不能確定振動源。 2.低頻振動呈現的次序。 軸瓦自激振動首先在軸系中某一個軸瓦上激起，然后波及軸系中其他軸瓦。因在振動測試中在采用巡栓或多點全面監測，若能檢測到軸系中哪一個軸瓦首先出現明顯的低頻振動分量，即能確定軸瓦自激振動的起源。 3.垂直振動幅值。 眾所周知，軸承振動幅值與激振力成正比，而與軸承座動剛度成反比。在軸系中軸承振幅還激振源距離有關，在軸承座動剛度和激振力一定時，一般距激振源愈近，軸承振幅愈大。這個規律只是對軸承垂直振動成立，例如軸系平衡中各軸承垂直方向影響系數一般是隨測點與加重平面之間距離的增大而減少的；但是水平方向影響系數則不一定如此，一般在發電機轉子上加重，將對汽輪機高壓轉子的軸承水平方謝振動產生較顯著的影響。軸瓦自激振動也不例外，例如國產200、300MW機組在歸電機軸瓦上發生的油膜振蕩，使1瓦垂直振動大得多。因此，根據軸系各軸承垂直振動值的分布，并參考軸承水平方向振動幅值的分布，可以判斷軸瓦自激振動的振源。 4.4 了解同型機組相同軸瓦的運行情況 不論是運行已久的舊機還是正處于調試中的新機，排除了軸頸振動過大、潤滑油溫度過低、軸瓦頂隙過、潤滑油牌號是否用錯等因素之后，在進一步標明軸瓦穩定性差的原因時，了解同型機組軸瓦的運行情況，對于軸瓦自激振動原因的Z終診斷和擬定消除振動措施，都有著十分重要的意義。 凡是因軸瓦設計和制造問題而發生的軸瓦自激振動，一般在同型機組同一轉子的軸瓦上會多次發生或普遍存在。僅僅是國為運行和檢修中的問題（例如轉子存在熱彎曲、軸瓦頂隙過大等）而發生的軸瓦自激振動，僅在個別機組上發生。根據這兩種情況，便可以對軸瓦自激振動做出較為確切的Z終診斷，而且由此可以提出較合理的消除振動的措施。 第五節消除軸瓦自激振動的措施 消除軸瓦自激振動的措施有兩個：消除軸頸擾動過大和提高軸瓦穩定性。前者應放在首位，只有當軸頸擾動不大時才能考慮提軸瓦的穩定性。 5.1 減少軸瓦頂隙 不論是圓筒形瓦、橢圓瓦還是三油楔瓦，減少軸瓦頂隙都能顯著提軸瓦穩定性，它比提高高軸瓦比壓和減少長徑比等其他措施更為有效。在現場減少軸瓦頂隙，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，使軸頸上浮高度降低，從而提高軸瓦的穩定性。 橢圓瓦和三油楔瓦頂隙可以減少到軸頸直徑的1‰－1.3‰，軸頸直徑直徑大的，取上限；軸頸直系小的，取下限。目前現場真正的圓筒形瓦（頂隙等于兩倍側隙）已很少見到，而所謂的圓筒形瓦實際上橢圓瓦，其頂隙和側隙近似相等，當這種軸瓦發生自激振動時，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隙較小，頂隙不宜過小，否則會引起烏金溫度的升高。 5.2 換用穩定性較好的軸瓦 一般來說橢圓具有兩個承載區， 所以也叫兩油葉瓦，它的穩定性較圓筒形瓦要好，但承載能力不如圓筒瓦。還有一種叫三油葉軸瓦，它具有三個承載區，上瓦兩個油楔，形成兩個向下的油膜力，因而穩定性較橢圓瓦要好，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油楔，如果在上瓦再加兩個油楔，即為國內200MW機組上曾使用過的三油楔軸承，結構如圖所示，b為油楔深度，a1,a2為阻油邊、油楔與軸頸之間頂部間隙，a1一般軸頸直徑的1.2‰－1.7‰。 這種軸瓦動態穩定性遠不如橢圓瓦，也不如圓筒瓦。80年代到90年代初期，國產200MW機組6瓦、7瓦較普遍發生的油膜振蕩，在當時形成了“油膜振蕩熱”，事實上純屬于三油楔瓦穩定差，因此改用橢圓瓦后再未發生過油膜振蕩。后來投運的引進型300、600MW機組，其軸頸線速度雖已超過65m/s，但采用橢圓瓦或圓筒瓦后，都未發生過汩膜振蕩。 除上述圓筒形瓦、橢圓瓦、三油楔瓦外，還有一種可傾瓦，目前國內大機組上較普遍采用。這種軸瓦結構原理如圖所示。軸瓦是由多個瓦無發展前塊構成，這此些瓦塊可以繞支做微小的擺動，以適應合適的工作位置，使每個瓦塊都能形成收斂的油楔，由此不會產生失穩分力，或者使每個瓦塊都通過支點和軸頸中心，即總保持與外載荷交于一點，這樣就不會產生一個使軸頸渦動的切向分力。從理論上來說，忽略瓦塊的慣性和瓦塊支點的磨擦力，可傾瓦是不會產生軸瓦自激振動的。但它的承載能力較低，因此只能在載荷較小的汽輪機高中壓缸轉子、勵磁機轉子上使用。 5.3 增加上瓦烏金寬度 對于圓筒形瓦、橢圓瓦和三油楔瓦，減少頂隙的目的是增大上瓦的油膜力，但是目前有些現場運行的機組上瓦，中央部分開有較寬的環向油溝，使上瓦成為兩條烏金帶。實踐證明，在這樣的軸瓦上減少頂隙，收獲不十分顯著。為了獲提更好的效果，在減少頂隙的同時，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。 5.4 刮大兩側間隙 刮大軸瓦兩側間隙往往與減少頂隙同時進行，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油流量加受到影響而使烏金溫度升高，但是擴大兩側間隙不僅會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，轉軸水平方向振動還將培大；而且會顯著降低軸瓦抗振能力，在不很大的軸頸振動作用下，會造成軸瓦烏金碎裂。 5.5 其他措施 消除軸瓦自激振動除上述四個措施外， 還有減少軸瓦長徑比、降低油的黏度和調整軸承座標高等三個措施，采取這些措施也能提高軸瓦穩定性。 綜上所述，從現場實踐經驗來看，這七措施（包括其他措施中的三項）基本上是按消除軸瓦自激振動有效性順序排列的，即個效果Z顯著，第二個其次，以此類推。因此在選用時可以根據現場具體條件、軸瓦失穩嚴重程度（偶然發生、超速時發生、在額定轉速下發生）、原來軸瓦形式、軸瓦有關穩定性的參數、軸頸振動值等因素決定。 這時必須再次指出，軸瓦自激振動往往與機組運行中的某一參數有關，例如凝汽器真空、有功負荷、勵磁電流等，但是在擬定消除振動措施時，不能只局限于針對這些有關參數，而必須消除軸頸振動過大和從提高軸瓦穩定性Z基本因素著手，這樣才能獲得較好的效果。