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摘要：汽轮机轴承振动加大是火电厂汽轮机运行中常见的问题，严重影响机组安全经济性。研究重点分析了汽轮机主轴激振、转子热变形和轴封供气压力波动等因素对轴承振动的影响，总结了利用"闷缸"工艺、优化启停操作和应用轴承振动保护系统等多种振动控制措施。

关键词：火电厂；汽轮机；轴承；原因分析；处理对策

Abstract： The increased vibration of steam turbine bearing is a common problem in the operation of steam turbine in thermal power plant， which seriously affects the safety and economy of power units. The paper mainly analyzes the influence of steam turbine spindle vibration， rotor heat deformation and shaft seal gas supply pressure fluctuation on the bearing vibration， and summarizes various vibration control measures such as using "stuffy cylinder" process， optimizing start and stop operation and applying bearing vibration protection system.

Key words： thermal power plant; steam turbine; bearing; cause analysis; treatment countermeasures

1.引言

汽轮机作为火力发电厂的核心设备之一，其安全稳定运行直接关系到机组的经济性和电网的可靠性。轴承是汽轮机的关键支撑部件，但在长期运行过程中，汽轮机轴承往往会出现振动加大的问题，严重影响机组的正常运转。汽轮机轴承振动异常不仅会加速轴承及转子部件的磨损，缩短设备使用寿命，还可能诱发汽轮机叶片、轴系等部件的二次损伤，甚至引发机组非计划停运，造成重大经济损失。因此，深入分析汽轮机轴承振动加大的原因，针对性地制定有效的处理对策，对于保障汽轮机乃至整个机组的安全经济运行具有重要意义。

2.1汽轮机主轴激振现象

汽轮机轴承振动异常的一个主要诱因是主轴激振，在汽轮机高速运转过程中，转子系统处于一种动态平衡状态。然而，如果转子的动平衡质量不合格，例如转子结构存在不对中、不对称等缺陷，转子各部分的质量分布不均匀，或者转子上附着了异物等，都会打破转子的平衡状态，引起转子振动，转子振动通过轴系传递，进一步激发主轴产生振动。当主轴处于激振状态时，轴承座将承受比正常工况大得多的交变载荷。轴承座上的振动传感器监测到的振动位移和速度信号呈现显著的波动性，振动幅值远超出额定范围。主轴激振对轴承的影响主要体现在以下几个方面：

除了转子动平衡问题，汽轮机在启停过程中转子转速经过临界转速区也可能引发主轴激振。所谓临界转速，是指转子的旋转频率与转子某阶固有频率相等时对应的转速。当汽轮机转速提升至接近或达到临界转速时，转子系统会发生共振现象，转子振动幅值急剧增大，振型与相应阶次的固有振型吻合。如果临界转速区处理不当，转子系统发生严重共振，转子振动幅值超出限值，就会引起主轴激振，进而加剧轴承振动。

2.2因转子热变形导致振动异常

汽轮机作为火力发电的核心设备，长期在高温高压的蒸汽环境中运行，转子热变形问题尤为突出，在汽轮机启动过程中，高温高压蒸汽首先作用于转子表面，而转子内部温度上升相对缓慢，存在明显的径向温差。转子表面与内部的不均匀受热，会导致转子各部分产生不同程度的热膨胀量。热膨胀的不均匀性使得转子在径向和轴向两个方向上都会发生弯曲变形，偏离设计状态下的中心线，引起转子质心的偏移。一旦转子质心发生偏移，就意味着在转子上引入了附加的不平衡量。不平衡量的存在，使得转子在高速旋转时，会对轴承施加远大于正常工况的交变载荷，轴承振动随之加剧。

大型汽轮机采用的高温材料，如铬钼钒钢、奥氏体不锈钢等，具有优异的高温强度和抗蠕变性能，但其导热系数往往较低，热膨胀系数较大，这无疑加剧了转子径向温差，恶化了转子的热变形状况。同时，大型汽轮机转子采用枞式或鼓式结构，转子直径大，惯性矩较大，热惯性也相应增加，这使得汽轮机启动时转子升温的不均匀性更加显著，热变形问题也就更加突出。

汽轮机轴承在高温环境中也会产生一定的热变形，间接影响轴承的振动状态。由于轴承结构复杂，各部件选用材料不尽相同，在受热膨胀时会表现出不同的变形特性。例如，轴承瓦块与轴承座在受热后会产生不同程度的变形，引起轴承内油膜厚度分布不均匀。油膜厚度的非均匀分布一方面会导致局部油膜承载能力下降，轴颈在轴瓦内偏斜运转，另一方面还会引起油膜压力的脉动，对转子施加周期性的激振力。上述因素的叠加，会导致轴承振动加大。

2.3轴封供气压力变化的影响

对于采用析汽式轴封的汽轮机，轴封供气系统的压力稳定性也是影响轴承振动的一个关键因素。在汽轮机正常运行工况下，轴封压力保持相对恒定，既能阻止蒸汽从轴封间隙泄漏，又能对转子起到合适的支撑和定位作用。然而，当轴封供气系统出现故障，如调节阀失灵、疏水阀堵塞、供气管路破损等，都会引起轴封腔内压力发生剧烈波动，进而扰乱转子受力状态，诱发轴承振动加大。

在高压作用下，转子在径向上的活动空间受到限制，转子在轴承内的径向窜动减小，转子与轴瓦之间的油膜间隙变薄。油膜变薄虽然提高了油膜刚度，但同时也意味着油膜阻尼减小，高频振动更容易通过轴承传递，轴承座振动位移和速度信号频繁触发报警。过高的轴封压力还会使得汽轮机转子产生局部弹性变形，引起转子不平衡，对轴承形成附加的振动激励。此外，油膜间隙的减小还会加剧轴颈与轴瓦之间的摩擦，引起局部过热，加速轴承磨损。

而当轴封压力骤降时，大量的主蒸汽会从轴封间隙泄漏，形成严重的"串汽"现象。泄漏蒸汽一方面会冲刷轴端密封件，加速密封件的磨损老化，另一方面还会改变作用于转子叶片上的汽动力。汽动力的变化相当于在转子上施加了一个轴向力，而这个轴向力在叶片排布不对称的情况下往往表现为交变力，使得推力轴承承受剧烈的冲击载荷，引起推力轴承轴向窜动、摆动等异常振动。从振动激励的角度看，轴封蒸汽泄漏改变了汽轮机的主流场，在转子叶片上引入了附加的周期性激振力，对应转子旋转频率及其倍频附近会出现显著的振动峰值，并通过转子传递至轴承，加剧轴承振动。

3.汽轮机轴承振动大的处理措施

3.1利用汽轮机"闷缸"原理消除振动现象

汽轮机"闷缸"是指在汽轮机启动或停机过程中，通过切断汽源、关闭排汽门等操作，使汽轮机处于封闭状态，借助汽缸内残余蒸汽对转子的阻尼作用，抑制转子振动的一种方法。"闷缸"可以在转子临界转速区加大系统阻尼，避免共振导致的转子振幅剧增。

实施"闷缸"操作时，需要根据汽轮机的型号、容量、启停工况等因素，合理设定"闷缸"的时机和持续时间。通常情况下，在汽轮机启动过程中，当转速接近第一临界转速的70%左右时，可以开始实施"闷缸"，一直持续到转速超过临界转速区20%～30%。在此期间，汽轮机主汽门和调门关闭，排汽门和放空门也处于关闭状态，使汽缸内保持一定的正压，利用残余蒸汽的粘滞阻尼效应，最大限度地抑制转子振动。待转速稳定上升到安全区域后，再逐步恢复向汽轮机供汽，直至并入主汽门。汽轮机停机过程中的"闷缸"操作与之类似，只是在转速下降到接近临界转速区时实施，目的同样是为了抑制汽轮机振动，保证轴承平稳渡过临界转速区。"闷缸"操作虽然可有效控制汽轮机启停过程中的轴承振动，但在实际应用中仍需注意以下几点：

除了"闷缸"操作外，优化汽轮机启停操作也是减小轴承振动的重要手段。例如，在汽轮机冷态启动过程中，应严格控制升速率，特别是在接近临界转速区时，要采取"慢转"措施，即适当降低转速上升的速率，使转子振动水平保持在安全限值以内。汽轮机停机时，在转速下降到临界转速以下后，也应降低卸载速率，避免转子振动骤增。同时，汽轮机启停过程中，还应加强对汽轮机转子位移、振动等动态特性的实时监测，如发现振动水平超标或振动陡升等异常情况，应立即采取紧急措施，如实施"闷缸"、降低出力等，直至振动降至安全水平。

3.2轴承振动保护系统的应用

轴承振动保护系统基本原理是通过振动传感器实时采集轴承座振动信号，经信号调理和处理后，将振动水平与设定的报警和跳闸门槛值进行比较，一旦振动水平超过门槛值，系统就会发出报警信号或触发跳闸指令，以保护轴承和汽轮机免受振动危害。

轴承振动保护系统的核心部件是振动传感器，常用的振动传感器有电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器等。电涡流传感器主要用于测量轴承座相对于基座的位移，即振动位移；速度传感器用于测量轴承座的振动速度；加速度传感器用于测量轴承座的振动加速度。三种传感器各有优缺点，在实际应用中往往是综合利用，以实现振动监测的高可靠性和全面性。常见的轴承振动监测方案是每个轴承座上安装两个互成90°的速度传感器，测量水平和垂直方向的振动速度，同时在汽轮机前后轴承座上各安装一个轴向位移传感器，监测轴向位置变化。对于大型汽轮发电机组，还可以在汽轮机和发电机之间的联轴器处增加一个径向位移传感器，以监测联轴器的不对中量。

轴承振动保护系统的另一个关键是报警和跳闸门槛值的合理设置。门槛值设置过高，会降低保护系统的灵敏性，甚至出现漏报；而门槛值设置过低，又可能导致误报频繁，影响机组的正常发电。因此，轴承振动保护系统的门槛值需要在充分吸收机组运行经验的基础上，结合机组的型号、容量、运行工况等因素综合确定。例如，对于300MW以下的常规机组，轴承振动速度的报警门槛值一般设定为7.1mm/s，跳闸门槛值设定为9.0mm/s；而对于1000MW及以上的超超临界机组，由于其转子质量大、启停时间长，轴承振动速度报警和跳闸门槛值可适当提高至8.5mm/s和10.6mm/s。

在轴承振动保护系统投入使用后，还应定期对系统进行校验和测试，以确保其处于最佳工作状态。例如，要定期对振动传感器进行动态标定，检查传感器的灵敏度、频响特性等是否满足要求；定期对报警和跳闸功能进行模拟试验，检查其动作逻辑和反应时间是否正常；定期对振动数据采集和处理系统进行运行维护，排除故障隐患。

3.3其他处理方式

除了利用"闷缸"原理和轴承振动保护系统外，还可以提高汽轮机转子的动平衡质量。汽轮机转子是轴承振动的主要激励源，转子动平衡状态的优劣直接影响轴承振动水平。因此，在汽轮机制造和检修过程中，应严格按照有关标准进行转子动平衡校验和修正，确保转子残余不平衡量满足使用要求。对于已投入运行的汽轮机，还应定期进行转子动平衡检查，发现问题及时处理。

其次是加强汽轮机轴系的同心度管理。汽轮机轴系各元件的不对中是引起轴承振动的另一个重要因素。因此，在汽轮机安装和检修过程中，应利用专用工具和仪器，如同心仪、激光准直仪等，精确测量和调整汽轮机转子、轴承、耦合器、减速器等部件的同心度，控制轴系不对中量在允许范围内。

4.结语

火电厂汽轮机轴承振动加大是一个复杂的问题，其诱因包括汽轮机主轴激振、转子热变形以及轴封供气压力波动等多个方面。只有在设计、制造、安装、运行、检修等各个环节，对汽轮机轴承振动进行全生命周期管理，综合采取各种防治措施，才能最大限度地减小和控制轴承振动，为汽轮机的安全服役提供可靠保障，进而实现火电厂机组的长周期、高效率、低成本运营。

作者简介：符宗冠，1984.10.26，男，汉族。籍贯（精确到省市）：海南省陵水县，当前职称：热能与动力中级工程师，最高学历：本科，研究方向：2*330MW火电厂集控运行，值长岗位。汽轮机运行、锅炉运行、电气运行。