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[摘 要]汽轮机转子的稳定性是电厂汽轮-发电机组安全稳定运行的重要保障，滑动轴承的油膜厚度变化会对汽轮机转子的稳定性产生很大影响。本文对油膜厚度变化引起汽轮机转子振动的原因进行了分析，并深入探讨了其中的作用机理。
[关键词]滑动轴承 油膜厚度 汽轮机转子 稳定性
中图分类号：TH133.31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）33-0082-01
一、汽轮机滑动轴承的作用
在汽轮机转子-轴承-基础系统中，轴承在系统的动力特性匹配中起着非常重要的作用。轴承在转轴与基础间起桥梁作用，设计好的轴承能提供较大阻尼，吸收来自转轴的振动；设计不好的轴承，又因其固有的交叉刚度与阻尼特性给系统带来负阻尼，成为引起油膜失稳的根源，所以要获得好的动力特性，轴承结构及其参数的合理性是关键。汽轮机轴承在工作中会受到多种因素的影响，而改变其几何位置，同时各个轴承结构不同，在机组中所处的位置不同，变化程度也不一样。轴承受温度影响，热态时要发生变位，汽缸轴承热态变位比落地轴承要严重得多，但落地轴承如滑动不流畅，会使汽缸膨胀受阻，轴承座位发生倾斜。国产大型汽轮发电机组低压缸在热态时“跑偏”的现象严重，有时可达1 mm以上。这使低压缸轴承产生变位。轴承变位的差异，使转子一支承系统在各轴承上的负载重新分配，从而改变了各轴承的失稳转速的临界值。同时也改变了转子一支承系统总的阻尼水平，改变了轴系的稳定范围，轴承产生变位，还会使某个轴承脱空，从而严重地改变轴系的临界转速。在大型汽轮机转子一支承系统中，轴承的型式不尽相同。有的轴承对载荷变化比较敏感，载荷改变时稳定性变化很大；有的轴承对载荷的敏感性较差，载荷改变时稳定性变化不大；轴系上各轴承载荷重新分配后，有的轴承稳定性降低，有的轴承稳定性提高。在机组发生振动时，必须具体分析各个轴承的工作情况。在热态时汽轮机转子对中状态的改变，都会使轴系产生不平衡的激振力，并使各轴承之间静负荷值重新分配，可能导致临界转速改变或出现油膜振荡，对汽轮机的稳定性产生影响。
二、滑动轴承油膜厚度与稳定性的关系
1、油膜厚度对阻尼系数的影响
在结构力学中，阻尼系数用来表示发生振动的结构对所耗散的能力的测量，在比较典型的汽轮机结构中，真实的阻尼特性比较复杂，很难用成熟的阻尼理论进行确定，因此这也造成了阻尼系数计算的困难。为了解决这个问题，人们根据工程经验总结出了许多经验和半经验的阻尼系数计算公式。在汽轮机滑动轴承的阻尼系数计算过程中，通常采用的是《机械振动手册》中提供的一个半经验公式计算
在上式中，指的是汽轮机润滑油的粘度系数，L指的是轴瓦的宽度，D1和D2分别表示轴瓦内径和轴颈直径，表示油膜的平均厚度。由公式1可以看出，油膜的阻尼系数大小与油膜的厚度成反比关系，并且油膜厚度的大小取决于轴颈与轴瓦间隙的大小，间隙越小油膜越薄。由于公式中的各参数数值都很容易确定，因此在计算出油膜的厚度值以后即可计算出汽轮机滑动轴承的阻尼系数。
2、油膜受力对油膜稳定性的影响
由于轴颈所受的切向力对其做正功，而阻尼系力对其做负功，因此油膜的稳定性在很大程度上取决于这两种功的代数和。轴颈涡动时的受力情况如图1所示，涡动方向如Ω所示。油膜所受的切向力与轴颈涡动周长的乘积表示油膜的切向力对轴颈所做的功。而涡动功是指油膜切向力所做的功与阻尼系力所做的功之差，根据涡动功W的大小即可判断油膜的稳定性。当涡动功为正时，表示润滑油系对轴颈的输入能量大于由于阻尼作用而被吸收的能量，这时会使轴心轨迹发生扩散现象，严重时会导致油膜失稳；当涡动功为正时，这时润滑油系对轴颈输入的能量小于由于阻尼作用而被吸收的能量，導致轴心轨迹发生收敛现象，可以阻止涡动现象的产生；而当涡动功为零时，表示润滑油系输入能量和吸收能量平衡，油膜处于临界状态。当油膜的厚度增加时，则会使轴颈涡动的半径增加，相应地会使切向力所做的功增加；与此同时，由公式（1）可知，油膜厚度增加会使阻尼系数减小，相应地阻尼系力所做的功会减小，因此导致涡动功显著增大，使涡动现象加剧。而当油膜比较薄时，则会产生相反的情况，会使涡动现象减弱，有利于维持油膜的稳定。
3、油膜厚度变化与汽轮机转子稳定性的关系实例
在上一节我们从理论的角度分析了油膜厚度变化对油膜稳定性的影响，而汽轮机转子的稳定性又取决于油膜的稳定性。因此油膜厚度的变化直接会影响到汽轮机转子的稳定性。我国某电厂在对汽轮机大修前后对油膜厚度与汽轮机轴振情况进行了统计，得出了下表所示的一些数据。
由表1可知，在大修前由于油膜厚度较大，使得汽轮机轴振较剧烈，并且轴心轨迹呈现出发散的状态。大修以后，由于油膜的厚度变小，使得轴的振幅值大大下降，同时轴心位置的波动值仅有2μm，实现了汽轮机的稳定运行。由于各个汽轮机的设计和运行参数存在较大差别，因此对于不同的汽轮机来说，油膜厚度的变化与轴振情况的关系并不完全一样。但通过这个例子我们可以看出，油膜厚度的增大是引起汽轮机轴振的重要因素之一。
三、增强油膜厚度稳定性的措施
鉴于油膜厚度增加对汽轮机转子的稳定性造成的影响，必须采取措施保持油膜厚度的稳定性，防止汽轮机运行过程中油膜厚度增加。根据笔者多年的工作经验，认为可以采取以下几个方面的措施：
（1）降低润滑油的粘度。由于润滑油的粘度与油分子间的凝聚力成正比，因此粘度越大，轴颈转动时所带动的油分子数就越多，油膜的厚度就会增大，使油膜的稳定性变差。因此电厂可以选用粘度低的汽轮机润滑油型号；另外，提高轴瓦的进油温度也是降低润滑油粘度的有效措施之一。
（2）加大上瓦的乌金宽度，以便形成油膜，增加轴瓦的稳定性。
（3）换用稳定性好的轴瓦。这样可以可以在每个瓦块之间形成收敛油楔，有利于消除油膜的自激振荡。
（4）充分平衡同相的不平衡量。将同相间的不平衡量进行平衡，可以大大降低第一临界转速下的共振发动能力，因此使油膜振荡的振幅减小。
参考文献
[1] 叶荣学等.滑动轴承油膜厚度变化对汽轮机转子稳定性的影响[J]. 2007 年第九届全国振动理论及应用学术会议论文集，2007（10）.
[2] 沈小要等.超超临界汽轮机转子系统稳定性分析及试验研究[J].机械科学与技术，2006（10）.
[关键词]滑动轴承 油膜厚度 汽轮机转子 稳定性
中图分类号：TH133.31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）33-0082-01
一、汽轮机滑动轴承的作用
在汽轮机转子-轴承-基础系统中，轴承在系统的动力特性匹配中起着非常重要的作用。轴承在转轴与基础间起桥梁作用，设计好的轴承能提供较大阻尼，吸收来自转轴的振动；设计不好的轴承，又因其固有的交叉刚度与阻尼特性给系统带来负阻尼，成为引起油膜失稳的根源，所以要获得好的动力特性，轴承结构及其参数的合理性是关键。汽轮机轴承在工作中会受到多种因素的影响，而改变其几何位置，同时各个轴承结构不同，在机组中所处的位置不同，变化程度也不一样。轴承受温度影响，热态时要发生变位，汽缸轴承热态变位比落地轴承要严重得多，但落地轴承如滑动不流畅，会使汽缸膨胀受阻，轴承座位发生倾斜。国产大型汽轮发电机组低压缸在热态时“跑偏”的现象严重，有时可达1 mm以上。这使低压缸轴承产生变位。轴承变位的差异，使转子一支承系统在各轴承上的负载重新分配，从而改变了各轴承的失稳转速的临界值。同时也改变了转子一支承系统总的阻尼水平，改变了轴系的稳定范围，轴承产生变位，还会使某个轴承脱空，从而严重地改变轴系的临界转速。在大型汽轮机转子一支承系统中，轴承的型式不尽相同。有的轴承对载荷变化比较敏感，载荷改变时稳定性变化很大；有的轴承对载荷的敏感性较差，载荷改变时稳定性变化不大；轴系上各轴承载荷重新分配后，有的轴承稳定性降低，有的轴承稳定性提高。在机组发生振动时，必须具体分析各个轴承的工作情况。在热态时汽轮机转子对中状态的改变，都会使轴系产生不平衡的激振力，并使各轴承之间静负荷值重新分配，可能导致临界转速改变或出现油膜振荡，对汽轮机的稳定性产生影响。
二、滑动轴承油膜厚度与稳定性的关系
1、油膜厚度对阻尼系数的影响
在结构力学中，阻尼系数用来表示发生振动的结构对所耗散的能力的测量，在比较典型的汽轮机结构中，真实的阻尼特性比较复杂，很难用成熟的阻尼理论进行确定，因此这也造成了阻尼系数计算的困难。为了解决这个问题，人们根据工程经验总结出了许多经验和半经验的阻尼系数计算公式。在汽轮机滑动轴承的阻尼系数计算过程中，通常采用的是《机械振动手册》中提供的一个半经验公式计算
在上式中，指的是汽轮机润滑油的粘度系数，L指的是轴瓦的宽度，D1和D2分别表示轴瓦内径和轴颈直径，表示油膜的平均厚度。由公式1可以看出，油膜的阻尼系数大小与油膜的厚度成反比关系，并且油膜厚度的大小取决于轴颈与轴瓦间隙的大小，间隙越小油膜越薄。由于公式中的各参数数值都很容易确定，因此在计算出油膜的厚度值以后即可计算出汽轮机滑动轴承的阻尼系数。
2、油膜受力对油膜稳定性的影响
由于轴颈所受的切向力对其做正功，而阻尼系力对其做负功，因此油膜的稳定性在很大程度上取决于这两种功的代数和。轴颈涡动时的受力情况如图1所示，涡动方向如Ω所示。油膜所受的切向力与轴颈涡动周长的乘积表示油膜的切向力对轴颈所做的功。而涡动功是指油膜切向力所做的功与阻尼系力所做的功之差，根据涡动功W的大小即可判断油膜的稳定性。当涡动功为正时，表示润滑油系对轴颈的输入能量大于由于阻尼作用而被吸收的能量，这时会使轴心轨迹发生扩散现象，严重时会导致油膜失稳；当涡动功为正时，这时润滑油系对轴颈输入的能量小于由于阻尼作用而被吸收的能量，導致轴心轨迹发生收敛现象，可以阻止涡动现象的产生；而当涡动功为零时，表示润滑油系输入能量和吸收能量平衡，油膜处于临界状态。当油膜的厚度增加时，则会使轴颈涡动的半径增加，相应地会使切向力所做的功增加；与此同时，由公式（1）可知，油膜厚度增加会使阻尼系数减小，相应地阻尼系力所做的功会减小，因此导致涡动功显著增大，使涡动现象加剧。而当油膜比较薄时，则会产生相反的情况，会使涡动现象减弱，有利于维持油膜的稳定。
3、油膜厚度变化与汽轮机转子稳定性的关系实例
在上一节我们从理论的角度分析了油膜厚度变化对油膜稳定性的影响，而汽轮机转子的稳定性又取决于油膜的稳定性。因此油膜厚度的变化直接会影响到汽轮机转子的稳定性。我国某电厂在对汽轮机大修前后对油膜厚度与汽轮机轴振情况进行了统计，得出了下表所示的一些数据。
由表1可知，在大修前由于油膜厚度较大，使得汽轮机轴振较剧烈，并且轴心轨迹呈现出发散的状态。大修以后，由于油膜的厚度变小，使得轴的振幅值大大下降，同时轴心位置的波动值仅有2μm，实现了汽轮机的稳定运行。由于各个汽轮机的设计和运行参数存在较大差别，因此对于不同的汽轮机来说，油膜厚度的变化与轴振情况的关系并不完全一样。但通过这个例子我们可以看出，油膜厚度的增大是引起汽轮机轴振的重要因素之一。
三、增强油膜厚度稳定性的措施
鉴于油膜厚度增加对汽轮机转子的稳定性造成的影响，必须采取措施保持油膜厚度的稳定性，防止汽轮机运行过程中油膜厚度增加。根据笔者多年的工作经验，认为可以采取以下几个方面的措施：
（1）降低润滑油的粘度。由于润滑油的粘度与油分子间的凝聚力成正比，因此粘度越大，轴颈转动时所带动的油分子数就越多，油膜的厚度就会增大，使油膜的稳定性变差。因此电厂可以选用粘度低的汽轮机润滑油型号；另外，提高轴瓦的进油温度也是降低润滑油粘度的有效措施之一。
（2）加大上瓦的乌金宽度，以便形成油膜，增加轴瓦的稳定性。
（3）换用稳定性好的轴瓦。这样可以可以在每个瓦块之间形成收敛油楔，有利于消除油膜的自激振荡。
（4）充分平衡同相的不平衡量。将同相间的不平衡量进行平衡，可以大大降低第一临界转速下的共振发动能力，因此使油膜振荡的振幅减小。
参考文献
[1] 叶荣学等.滑动轴承油膜厚度变化对汽轮机转子稳定性的影响[J]. 2007 年第九届全国振动理论及应用学术会议论文集，2007（10）.
[2] 沈小要等.超超临界汽轮机转子系统稳定性分析及试验研究[J].机械科学与技术，2006（10）.