大型汽輪發(fā)電機(jī)組重載支持軸承自位能力及其影響因素分析

國(guó)家能源集團(tuán)河北公司定州電廠 吳俊杰

1 情況簡(jiǎn)介

大型汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的支持軸承通常采用可傾瓦、圓筒瓦、橢圓瓦等結(jié)構(gòu)。圓筒瓦或橢圓瓦通過(guò)下瓦3～5塊軸瓦墊塊來(lái)支撐，軸瓦墊塊與支座之間的結(jié)合面為球面結(jié)構(gòu)，能相對(duì)滑動(dòng)，軸承具有自位能力。該類軸承負(fù)載大、穩(wěn)定性好，但自位能力差，常用于質(zhì)量重的低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

某火力發(fā)電公司N600-16.7/537/537汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)有限公司制造的亞臨界、中間再熱式、四缸四排汽、單軸、凝汽式，具有一次中間再熱、8段非調(diào)節(jié)抽汽、凝汽沖動(dòng)式汽輪機(jī)、凝汽器為雙背壓、軸向布置。汽輪機(jī)的#1、#2、#3、#4瓦為可傾瓦，#5上半為圓柱形、下半為兩塊可傾瓦，#6、#7、#8軸承均為徑向圓柱形軸承，推力軸承為均衡式的推力軸承。2015年機(jī)組增容改造時(shí)將6、7、8號(hào)軸瓦重新澆筑耐高溫巴氏合金。（ZSnSb12Cu6Zn0.6Ag0.1），報(bào)警值由107℃調(diào)整至110℃，跳機(jī)值由113℃調(diào)整至130℃。并根據(jù)《機(jī)組改后汽輪發(fā)電機(jī)軸系中心調(diào)整方案溝通會(huì)》決定對(duì)對(duì)輪中心數(shù)據(jù)及軸瓦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化，確定低低對(duì)輪下張口放大至0.34～0.35mm、圓差取0.60～0.62mm。

2號(hào)機(jī)汽輪機(jī)6號(hào)軸瓦為徑向圓筒瓦軸承，整個(gè)軸承裝有3塊墊塊，軸承體水平分成兩半。在墊塊與軸承體間裝有調(diào)整墊片，可以移動(dòng)軸承位置，使轉(zhuǎn)子在汽缸內(nèi)精確定位。在下半軸承體略低于水平中分面處裝有一止動(dòng)銷，它伸到軸承座的一條槽內(nèi)以防止軸承轉(zhuǎn)動(dòng)。潤(rùn)滑油通過(guò)軸承座與墊塊的通孔進(jìn)入軸承，沿通道進(jìn)入上半軸承體的進(jìn)油槽。頂軸油在軸承體底部進(jìn)入軸承，通過(guò)兩個(gè)菱形油囊均勻頂起轉(zhuǎn)子。軸承體下半前后裝有兩個(gè)熱電偶，用來(lái)測(cè)量顯示軸承烏金溫度。

汽輪機(jī)停機(jī)惰走至轉(zhuǎn)速353rpm 時(shí)，頂軸油壓18.18MPa、主機(jī)潤(rùn)滑油溫38℃、潤(rùn)滑油壓力0.186MPa、6號(hào)軸瓦軸承振動(dòng)19.7μm、6號(hào)軸瓦軸承溫度101測(cè)點(diǎn)54.4℃、102測(cè)點(diǎn)58.5℃、6號(hào)軸瓦回油溫度41.4℃，隨后6號(hào)軸瓦軸承溫度102測(cè)點(diǎn)開(kāi)始上升，101溫度測(cè)點(diǎn)無(wú)變化；汽機(jī)轉(zhuǎn)速207rpm，6號(hào)軸瓦軸承溫度101測(cè)點(diǎn)51.9℃，6號(hào)軸瓦軸承溫度102測(cè)點(diǎn)110℃報(bào)警，6號(hào)軸瓦回油溫度42.3℃；汽機(jī)轉(zhuǎn)速173rpm，頂軸油壓18.4MPa、主機(jī)潤(rùn)滑油溫37.4℃、潤(rùn)滑油壓力0.186MPa、6號(hào)軸瓦軸承振動(dòng)15.38μm、6號(hào)軸瓦軸承溫度101測(cè)點(diǎn)51.6℃、6號(hào)軸瓦軸承溫度102測(cè)點(diǎn)134.8℃、6號(hào)軸瓦回油溫度42.1℃。

汽機(jī)轉(zhuǎn)速132rpm，頂軸油壓18.4MPa、主機(jī)潤(rùn)滑油溫37.4℃、潤(rùn)滑油壓力0.186MPa、6號(hào)軸瓦振動(dòng)15.38μm、6號(hào)軸瓦軸承溫度101測(cè)點(diǎn)51.6℃、6號(hào)軸瓦軸承溫度102測(cè)點(diǎn)110℃、6號(hào)軸瓦回油溫度41.9℃；汽機(jī)轉(zhuǎn)速0rpm，頂軸油壓19.1MPa、主機(jī)潤(rùn)滑油溫36.2℃、潤(rùn)滑油壓力0.185MPa、6號(hào)軸瓦振動(dòng)3.9μm、6號(hào)軸瓦軸承溫度101測(cè)點(diǎn)52.6℃、6號(hào)軸瓦軸承溫度102測(cè)點(diǎn)58.1℃、6號(hào)軸瓦回油溫度38.8℃。汽機(jī)惰走期間，軸向位移、高低壓脹差、軸封壓力、真空均正常。

6號(hào)軸瓦開(kāi)始進(jìn)行解體檢查，翻出軸承下半后發(fā)現(xiàn)電端巴氏合金部分被磨損，磨損部位長(zhǎng)約450mm、寬約190mm，磨損位置與102溫度測(cè)點(diǎn)位置一致。

2 原因分析

低轉(zhuǎn)速惰走期間軸瓦烏金電端單側(cè)磨損可能原因如下：軸頸揚(yáng)度發(fā)生變化，軸瓦修前、修后位置發(fā)生變化，導(dǎo)致軸瓦前后負(fù)荷不一致；瓦口間隙過(guò)小，導(dǎo)致軸承油楔形成困難；頂軸油管存在泄漏或堵塞，轉(zhuǎn)子頂起高度不足；軸頸表面光潔度不高，軸瓦研刮接觸情況不良，油膜形成不良；停機(jī)過(guò)程中，潤(rùn)滑油及頂軸油壓力降低，造成軸瓦磨損；潤(rùn)滑油、頂軸油中含有雜質(zhì)，進(jìn)入軸瓦中造成軸瓦烏金磨損；自位式圓筒型支持軸承自動(dòng)調(diào)位能力差；瓦套間隙偏小，導(dǎo)致軸承在瓦套內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)位過(guò)程中阻力大。以上涉及可能原因借助歷次檢修數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)檢查情況進(jìn)行分析說(shuō)明：

軸頸揚(yáng)度變化導(dǎo)致軸瓦前后負(fù)荷不一致。軸承水平數(shù)據(jù)：#6軸頸揚(yáng)度（mm/m）測(cè)量值0.305后揚(yáng)，本次修前測(cè)量值，本次修后測(cè)量值0.26后揚(yáng)。可以看出，軸頸揚(yáng)度檢修修前修后數(shù)據(jù)變化不大，影響可忽略不計(jì)，所以該原因可排除；瓦口間隙過(guò)小，導(dǎo)致軸承油楔形成困難。由表1數(shù)據(jù)可看出，歷次瓦口間隙均在合格范圍內(nèi)，該原因可以排除。

表1 瓦口間隙修前、修后測(cè)量值

頂軸油管存在泄漏或堵塞，轉(zhuǎn)子頂起高度不足：揭開(kāi)上軸承箱蓋后啟動(dòng)頂軸油系統(tǒng)已檢查頂軸油管分支，無(wú)泄漏情況，頂軸油管接頭盒管路經(jīng)金屬檢測(cè)無(wú)裂紋等缺陷，頂軸油壓力正常，轉(zhuǎn)子頂起高低0.08mm 與修前數(shù)據(jù)一致，該原因排除；軸頸表面光潔度不高、軸瓦研刮接觸情況不良、油膜形成不良：通過(guò)追憶2020年檢修數(shù)據(jù)及影響資料，軸頸與烏金接觸良好、烏金無(wú)過(guò)度磨損，該原因排除。

頂軸油壓力、潤(rùn)滑油壓力下降造成油膜形成不良，轉(zhuǎn)子與軸瓦烏金接觸：停機(jī)過(guò)程潤(rùn)滑油壓在2400rpm 時(shí)有小幅波動(dòng)，此情況為主油泵隨轉(zhuǎn)速下降出力降低，潤(rùn)滑油泵頂開(kāi)出口逆止門參與系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)比歷次停機(jī)及1號(hào)機(jī)停機(jī)曲線，均在此轉(zhuǎn)速下有小幅波動(dòng)，屬于正?，F(xiàn)象。頂軸油壓力在停機(jī)過(guò)程中，受軸封供汽溫度、低壓缸排汽溫度、真空等參數(shù)變化影響，18.8～17.9MPa 范圍內(nèi)的小幅波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象；潤(rùn)滑油、頂軸油中含有雜質(zhì)，進(jìn)入軸瓦中造成軸瓦烏金磨損：潤(rùn)滑油系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)停運(yùn)后，檢查清理潤(rùn)滑油濾網(wǎng)、頂軸油濾網(wǎng)，未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)。磨損的軸瓦烏金中也未發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)。潤(rùn)滑油濾網(wǎng)壓差與尚自停機(jī)一致。

因此可以判斷，以上都不是此次6號(hào)軸瓦烏金磨損發(fā)生的原因。

軸瓦自動(dòng)調(diào)位能力差：對(duì)比PI 系統(tǒng)6號(hào)軸瓦烏金101測(cè)點(diǎn)溫度（調(diào)端）、102測(cè)點(diǎn)溫度（電端），軸承溫度隨著機(jī)組深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰發(fā)生變化，6號(hào)軸瓦前后兩側(cè)溫度差值由2℃升高至7℃，即軸瓦產(chǎn)生單邊受力較重的情況，軸瓦沒(méi)有及時(shí)調(diào)位。這直接導(dǎo)致軸瓦在低轉(zhuǎn)速惰走，油膜形成不良時(shí)溫度急劇上升。而相鄰的相同型式的重載7號(hào)軸瓦前后兩側(cè)溫度測(cè)點(diǎn)運(yùn)行中溫差始終在2℃范圍內(nèi)，幾次停機(jī)過(guò)程中軸瓦溫度無(wú)異常[1]。而且2號(hào)機(jī)6號(hào)軸承在2021年幾次停機(jī)過(guò)程中均有共性點(diǎn)（圖1）：102測(cè)點(diǎn)在停機(jī)惰走時(shí)溫度先上升后下降，與101測(cè)點(diǎn)最大溫差至15～16℃后下降。說(shuō)明6號(hào)軸承初始處于傾斜狀態(tài)，在降轉(zhuǎn)速過(guò)程中存在自位調(diào)節(jié)過(guò)程使溫度最終一致。

圖1 102測(cè)點(diǎn)在停機(jī)惰走時(shí)溫度趨勢(shì)

6號(hào)軸瓦型式為自位式圓筒型支持軸承。球型墊鐵與瓦枕是軸瓦與軸承座之間的一種連接裝置，一般設(shè)備上的軸承沒(méi)有這種裝置，只有在轉(zhuǎn)子較長(zhǎng)、為適應(yīng)其旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)的擾動(dòng)才在軸瓦和軸承座之間增加一套能做微量調(diào)整的球形裝置，此種形式軸承的設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)轉(zhuǎn)子中心變化引起軸頸傾斜時(shí)，軸承可以隨之微量轉(zhuǎn)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)位，使軸頸和軸瓦間的間隙在整個(gè)軸瓦長(zhǎng)度內(nèi)保持不變。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子較重，軸承的自動(dòng)調(diào)位能力受到的限制，容易造成軸瓦雙側(cè)溫度不一致的情況。機(jī)組在運(yùn)行及轉(zhuǎn)速＞600rpm 惰走工況，油膜形成良好，軸瓦有足夠的潤(rùn)滑劑冷卻，軸承溫度可控。隨著轉(zhuǎn)速降低到＜600rpm，油膜處于臨界狀體，油膜形成不穩(wěn)定，軸瓦電端單側(cè)間隙過(guò)小，造成軸瓦烏金磨損、軸承溫度快速上升。

對(duì)比本次停機(jī)轉(zhuǎn)子惰走過(guò)程6號(hào)軸瓦與7號(hào)軸瓦轉(zhuǎn)子標(biāo)高，7號(hào)軸瓦轉(zhuǎn)子標(biāo)高隨著轉(zhuǎn)速下降轉(zhuǎn)子標(biāo)高緩慢同步下降的趨勢(shì)，而6號(hào)軸瓦在733rpm 時(shí)轉(zhuǎn)子標(biāo)高已發(fā)生急速下墜，說(shuō)明此時(shí)油膜已形成不良。軸承自位發(fā)生傾斜，軸瓦與軸頸間沿軸向形成楔形間隙，造成部分泄壓，直接影響油膜厚度和頂軸效果。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，油膜厚度進(jìn)一步減薄、軸瓦與軸頸干磨。

軸承套間隙偏小，導(dǎo)致軸承不能在瓦套內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)位。對(duì)6號(hào)軸瓦修前數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承套間隙偏?。嘿|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（mm）0.20～0.30，測(cè)量值0.22，本次測(cè)量值0.22、0.27。軸承套間隙過(guò)小，使運(yùn)行當(dāng)中軸承套承受較多的熱膨脹緊力，軸承在隨著轉(zhuǎn)子形態(tài)變化進(jìn)行自位調(diào)解時(shí)受阻力較大，最終使軸頸與軸瓦單側(cè)間隙過(guò)小，受力不均勻，導(dǎo)致軸瓦單側(cè)溫度快速上升[2]。2號(hào)機(jī)組2021年停機(jī)次數(shù)較多，每次機(jī)組啟停都是重載自位軸承寬幅度的調(diào)節(jié)過(guò)程，同時(shí)每一次的深度調(diào)峰也會(huì)使6號(hào)軸承自位調(diào)節(jié)幅度擴(kuò)大，頻繁的深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰造成6號(hào)軸瓦球面墊鐵磨損、自位能力進(jìn)一步減弱；而軸承套間隙偏小使6號(hào)軸瓦發(fā)生無(wú)法自位的概率增大。

3 處理方案及后續(xù)措施

軸徑打磨拋光處理。對(duì)6號(hào)軸瓦軸頸處使用金相砂紙進(jìn)行打磨拋光，保持與軸瓦烏金的良好接觸；軸瓦烏金的處理。經(jīng)檢查，6號(hào)軸瓦下瓦烏金磨損最為電端單側(cè)、調(diào)端烏金未磨損，軸瓦烏金磨損部位較輕、無(wú)需補(bǔ)焊，對(duì)磨損部位及周邊烏金進(jìn)行修刮去除多余烏金。研瓦最初采用的是將軸瓦落在軸頸上，然后擺動(dòng)軸瓦，吊起后檢查軸瓦烏金與軸頸的接觸點(diǎn)情況。刮掉接觸較重的點(diǎn)后再次與軸對(duì)研，直至接觸點(diǎn)均勻。當(dāng)接觸點(diǎn)均勻后將軸瓦回裝到工作位置。此時(shí)軸瓦不接通頂軸油和潤(rùn)滑油。盤車1～2圈后，翻出下瓦再次查看軸瓦烏金的接觸情況。再進(jìn)行精研，直到在接觸角度45°內(nèi)接觸均勻?yàn)橹埂?/p>

軸瓦墊鐵的處理。將瓦枕與軸瓦墊鐵接觸位置使用金相砂紙拋光，軸瓦墊鐵去除高點(diǎn)、毛刺，滑入下軸承時(shí)軸瓦墊鐵澆潤(rùn)滑油增加潤(rùn)滑，下軸承就位后使用塞尺測(cè)量軸承墊鐵與瓦枕間隙，0.03mm塞尺不入；套間隙調(diào)整。將6號(hào)軸瓦上半球面墊鐵拆除，去除0.05mm 墊片，增大軸承套間隙，復(fù)測(cè)軸承套間隙與預(yù)期一致；頂軸油管檢查清理。揭開(kāi)軸承箱蓋，啟動(dòng)頂軸油系統(tǒng)，檢查6號(hào)軸瓦頂軸油分支有無(wú)泄漏情況，軸頸架表，記錄轉(zhuǎn)子頂起高度與修前數(shù)據(jù)一致，頂軸油壓力正常。拆除頂軸油管，對(duì)接頭、油管進(jìn)行金屬檢測(cè)，對(duì)頂軸油口清理、壓縮空氣吹掃后進(jìn)行回裝，正式扣軸承箱蓋之前啟動(dòng)頂軸油系統(tǒng)，再次檢查頂軸油管路。

頂軸油壓力調(diào)整。頂軸油系統(tǒng)的作用是使用高壓油頂起轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與軸瓦之間有一定厚度的油膜，油膜保持轉(zhuǎn)子處于浮動(dòng)狀態(tài)，用于減小盤車阻力。一般要求在轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下，頂軸油壓調(diào)整至軸頸抬升0.05～0.10mm。在機(jī)組啟動(dòng)沖車時(shí)，頂軸油的使轉(zhuǎn)子在低轉(zhuǎn)速時(shí)易于形成穩(wěn)定油膜，對(duì)轉(zhuǎn)子在低速下保持軸瓦溫度穩(wěn)定非常有利。軸承傾斜會(huì)影響頂軸油壓的建立。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)油膜厚度越來(lái)越薄，此時(shí)若軸承自位不暢而有傾斜，軸瓦與軸頸間沿軸向形成楔形間隙造成部分泄壓，影響頂軸效果。直接反映軸承前后溫度測(cè)存在偏差。需要及時(shí)調(diào)整提高頂軸油壓力，確保在軸承稍有傾斜時(shí)仍能頂起轉(zhuǎn)子，建立油膜，防止軸瓦與軸頸干摩。

綜上，重載徑向圓筒瓦軸承的自位能力有多種影響因素，關(guān)鍵點(diǎn)在于軸承球面與球面座的加工質(zhì)量、軸承安裝質(zhì)量、潤(rùn)滑油的清潔度、軸承座及軸承變形等。軸承自位能力變?nèi)鯐?huì)引起軸承振動(dòng)偏大，瓦溫升高偏載，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)燒瓦事故。因此，在設(shè)計(jì)上要增強(qiáng)汽缸及軸承座的剛度，減少變形；加工上要提高軸承球面及球面座的加工質(zhì)量，保證表面粗糙度，安裝上要證軸承球面與球面座的接觸度以及潤(rùn)滑油的清潔度；在機(jī)組運(yùn)行中應(yīng)防止排汽溫度、軸封供汽溫度以及凝汽器真空等參數(shù)的突變。通過(guò)抬軸試驗(yàn)調(diào)整軸承頂軸油壓來(lái)減輕軸承自位能力差所帶來(lái)的不利影響。