汽輪機(jī)軸承金屬溫度偏高原因分析

阮圣奇，胡中強(qiáng)，劉慶剛，張 輝

（1．安徽省電力科學(xué)研究院，合肥230022； 2．華能巢湖發(fā)電有限公司，巢湖238000）

1 可傾瓦軸承工作原理及特性

某汽輪機(jī)一個軸承為可傾瓦軸承，與固定式支撐軸承相比，穩(wěn)定性高，具有降低轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)、抑制不穩(wěn)定振動能力和良好的阻尼特性，摩擦功耗小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，制造安裝及性能受軸頸幾何形狀影響小，并可隨載荷變化自動調(diào)整其狀態(tài)等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中。

可傾瓦軸承是由3至6塊瓦組成，其中任何一個瓦塊都可以繞其背部的球面銷做微小擺動，形成收斂的油楔以適應(yīng)軸承載荷的變化。瓦塊與軸頸形成的油楔可以在運行參數(shù)（負(fù)荷、速度、潤滑油黏度等）改變的情況下自動調(diào)整為合適的形狀，使每個瓦塊上產(chǎn)生的油膜力都能通過背部的支點和軸頸中心，保持外載荷交于一點，不會產(chǎn)生一個使軸頸渦動的切向分力，因此可傾瓦又稱為可變式多油楔軸承［1］。

2 軸承金屬溫度偏高原因

2．1 溫度測點誤報

電廠的事故分析首先要確認(rèn)各測點的測定值是否準(zhǔn)確，在確認(rèn)不是測點誤報后才能進(jìn)一步分析問題發(fā)生的原因。

軸承金屬溫度測點因安裝在軸承內(nèi)，不易取出，難以觀察損壞情況。但軸承金屬溫度的高低對汽輪機(jī)的正常運行非常重要，因此在軸承金屬溫度測點處一般均安裝了雙支熱電偶。如果軸承金屬溫度發(fā)生變化，則相應(yīng)的雙支熱電偶溫度數(shù)值應(yīng)該同向變化，并且相差很小，所以從雙支熱電偶的2個測定值就能判斷是否屬于溫度測點誤報。

2．2 潤滑油溫升高

潤滑油在軸承中的作用除了形成油楔外，還同時用于軸承冷卻，即潤滑油在循環(huán)過程中不斷帶走軸承摩擦所產(chǎn)生的熱量，從而保持軸承溫度穩(wěn)定［2］，因而潤滑油溫度的升高會在一定程度上減弱潤滑油冷卻作用，使得軸承金屬溫度升高。而潤滑油溫度的升高會顯著降低潤滑油黏度，降低軸承中潤滑油油楔剛度和厚度，導(dǎo)致油膜承載力減小，最終可能會發(fā)生油楔破裂。一旦油楔發(fā)生破裂，將產(chǎn)生所謂的混合摩擦，軸承金屬溫度立刻上升，嚴(yán)重時會發(fā)生咬合現(xiàn)象。

2．3 潤滑油油質(zhì)差

如果潤滑油中混有雜質(zhì)就可能影響油膜的正常形成，而且雜質(zhì)顆粒還會劃傷金屬表面，發(fā)生所謂的磨粒磨損，而磨粒磨損是滑動軸承最常見的失效形式。在動壓軸承中，線狀傷痕往往會引起潤滑油泄漏，破壞油膜，降低軸承承載能力。雜質(zhì)對軸承的影響取決于雜質(zhì)顆粒的大小。

2．4 軸承載荷變化

潤滑油溫升由近似公式計算［3］：

式中：Δt為潤滑油溫升，K；W 為軸承載荷，N；f為摩擦系數(shù)；u為軸頸圓周速度，m／s；cp為潤滑油比熱，J／（kg·K）；ρ為潤滑油密度，kg／m3；Q 為潤滑油油量，m3／s。

在f、u、Q等因素確定的情況下，Δt與W 成正比，因此W 的變化會反映在潤滑油溫的變化Δt上，而軸承金屬溫升與潤滑油溫升成正比，因此W 的增大會導(dǎo)致軸承金屬溫度上升。

2．5 球面銷或墊片卡澀

可傾瓦軸承背部有一個球面銷，裝配時會配上相應(yīng)的墊片。設(shè)置球面銷目的是為了應(yīng)對軸承運行條件的變化，通過調(diào)整油楔讓軸承具有自動對中功能，增強(qiáng)軸承的穩(wěn)定性［4］。

如果球面銷或墊片出現(xiàn)問題，可傾瓦會卡澀，將造成軸承下半部可傾瓦載荷分配不均勻、局部載荷偏高、潤滑油油楔厚度降低等，導(dǎo)致軸承和軸頸混合摩擦，軸承金屬溫度升高。

2．6 頂軸油系統(tǒng)故障

汽輪機(jī)啟動過程中因轉(zhuǎn)速未達(dá)到一定數(shù)值，無法形成壓力油楔，軸承尚不能支承軸頸，因而規(guī)定在轉(zhuǎn)速低于1 200r／min時必須開啟頂軸油泵以托起軸頸。同樣汽輪機(jī)停機(jī)后，若轉(zhuǎn)速低于1 200r／min，必須自動開啟頂軸油泵，以防軸頸和軸承間的直接摩擦。

為節(jié)省投資，部分電廠因高中壓（合）缸相比低壓缸較輕，其頂軸油系統(tǒng)未設(shè)置高中壓缸軸承的頂軸油，運行過程中均相繼出現(xiàn)低速碾瓦現(xiàn)象，而對高中壓缸進(jìn)行頂軸油改造后都不再出現(xiàn)此現(xiàn)象。

由上述分析可知：頂軸油對保護(hù)軸承非常重要，由頂軸油導(dǎo)致的軸承金屬溫度升高一般都出現(xiàn)在汽輪機(jī)啟、停機(jī)過程中。

2．7 汽輪機(jī)臨界轉(zhuǎn)速

汽輪機(jī)處在過臨界轉(zhuǎn)速（一般都是一階臨界轉(zhuǎn)速，因為二階臨界轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過3 000r／min以上）時會導(dǎo)致振動顯著增大。如果此時軸承潤滑油楔建立不好，有可能會因振動增大而導(dǎo)致磨瓦。

3 事故分析

該汽輪機(jī)在夏季背壓、630MW負(fù)荷試驗和630MW負(fù)荷、72h運行試驗后，其4號軸瓦開始出現(xiàn)軸承金屬溫度偏高現(xiàn)象，并在軸承金屬溫度超過105℃時停機(jī)。停機(jī)前后各參數(shù)變化趨勢見圖1和圖2。

圖1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖2 4號軸承金屬溫度曲線

由圖2可知：汽輪機(jī)停機(jī)前4號可傾瓦軸承溫度已經(jīng)很高，在停機(jī)過程中又發(fā)生了一次異常溫升。

停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)：下部的兩塊瓦塊已經(jīng)磨損，且兩側(cè)磨損程度不同，磨損程度較大的一側(cè)對應(yīng)的頂軸油管斷裂，從斷裂口可以明顯看出有舊傷和新裂痕。

因此可認(rèn)定4號軸承金屬溫度偏高主要原因是：

（1）機(jī)組振動導(dǎo)致頂軸油接管產(chǎn)生裂口。正常運行中潤滑油建立的壓力油楔受到頂軸油的影響而引起潤滑油泄漏，降低了油楔的剛度和穩(wěn)定性，因而造成軸頸和軸瓦的摩擦，使軸承金屬溫度上升。但是在這種狀態(tài)下，由于下瓦的油楔沒有被完全破壞，只是在一定程度上增大了下瓦的承載力，因而可以繼續(xù)保持軸瓦溫度穩(wěn)定。

（2）夏季工況、630MW負(fù)荷試驗是在汽輪機(jī)凝汽器平均壓力為11．8kPa的條件下進(jìn)行的，而這時高、低壓凝汽器的壓力相差較大。因4號軸瓦對應(yīng)的是高壓凝汽器，而在夏季工況下低壓缸軸承承載發(fā)生很大變化，4號軸承載荷增大；且由于夏季工況進(jìn)汽量非常大，因而惡化了4號軸瓦的工作條件。再經(jīng)過630MW負(fù)荷、72h的運行試驗后，4號軸瓦油楔進(jìn)一步被破壞，造成軸瓦基本處于混合摩擦狀態(tài)，從而導(dǎo)致軸承溫度上升。

（3）汽輪機(jī)停機(jī)后，軸承溫度出現(xiàn)第一次小幅上升，首先推測這與軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速有關(guān)，但經(jīng)查閱有關(guān)資料得知，啟動過程中高、中壓缸和低壓缸的一階臨界轉(zhuǎn)速分別在1 600r／min和1 500r／min左右；停機(jī)過程中臨界轉(zhuǎn)速雖發(fā)生變化，但與啟動過程相比偏離不大（不超過100r／min），而且停機(jī)后的第一次溫升出現(xiàn)時轉(zhuǎn)速在2 000r／min以上，因此排除一階臨界轉(zhuǎn)速對軸承金屬溫度升高的影響。

由圖1及圖2對照可知：軸承溫度和轉(zhuǎn)速幾乎是同時發(fā)生變化，因此可以判定第一次溫升應(yīng)是停機(jī)后4號軸承的載荷瞬時發(fā)生變化所致。

（4）汽輪機(jī)停機(jī)后，轉(zhuǎn)速400r／min左右時軸承溫度出現(xiàn)第二次快速大幅度上升，后又快速回落。根據(jù)4號軸承一個頂軸油管斷裂的現(xiàn)象，可推斷造成低速碾瓦的原因是下瓦頂軸油故障，無法建立壓力膜而導(dǎo)致磨瓦（即低速碾瓦現(xiàn)象）。但由于4號軸承另外一個頂軸油和其他軸承的頂軸油系統(tǒng)正常工作，且低速碾瓦時間較短，因而4號軸瓦未出現(xiàn)較大磨損。

4 結(jié)語

在更換4號軸瓦并修復(fù)頂軸油管后重新啟動汽輪機(jī)，4號軸承金屬溫度、潤滑油進(jìn)回油溫度和軸承振動均恢復(fù)正常。由此可知：該汽輪機(jī)4號軸承金屬溫度偏高的主要原因是連接軸瓦的頂軸油管有裂口，導(dǎo)致油楔剛度和穩(wěn)定性降低，經(jīng)過夏季工況及高負(fù)荷運行后情況進(jìn)一步惡化，并最終導(dǎo)致頂軸油管斷裂和低速碾瓦現(xiàn)象。

軸承工作狀態(tài)對于汽輪機(jī)運行非常重要，因而對軸承的檢修工藝應(yīng)該重視。機(jī)組正常運行中也應(yīng)時刻注意軸承和潤滑油溫度，以利機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。

［1］喬孝純，牛錫傳，羋振南，等．機(jī)械零件［M］．1版．西安：西安交通大學(xué)出版社，1986．

［2］胡代舜．大型汽輪機(jī)事故及預(yù)防［J］．電力安全技術(shù)，1999（2）：22－26．

［3］黃樹紅．發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢修與診斷方法［M］．北京：中國電力出版社，2008．

［4］郭延秋．大型火電機(jī)組檢修實用技術(shù)叢書汽輪機(jī)分冊［M］．北京：中國電力出版社，2003．