軸承運行環境對其性能的影響

何國安,張衛軍,王延博,張學延

(西安熱工研究院有限公司,西安710032)

徑向滑動軸承作為汽輪發電機組的支承部件,承受著轉子本身的重量及其所產生的各種激振力,其性能參數直接影響整個軸系的動力學行為.隨著汽輪發電機組向高參數和大容量的方向發展,支承滑動軸承的工況也日益惡化,人們對軸承性能的研究及其可靠性分析更加重視與關注.

在過去幾十年里,國內外汽輪發電機組曾多次發生油膜失穩或油膜振蕩的情況,并由此引發事故,造成巨大的經濟損失,因此,徑向滑動軸承的性能計算與分析一直受到高度重視,許多學者對各種計算軟件和分析方法[1-5]進行了研究.但目前在設計和選型過程中,軸承都是作為一個模型或零部件進行性能計算和試驗的,無法精確考慮到其他影響.實際上,軸承作為支承部件,與汽輪發電機組這個龐雜系統的其他單元是相互耦合和關聯的,再加上后續的制造、安裝、運行和維修給軸承結構參數尤其是動力學參數所帶來的變化,以及環境所施加的影響,導致許多支承軸承盡管在設計和制造過程中經過了反復校核計算和試驗,但安裝到實際機組上卻往往不能安全與穩定地運行.因此,現場常常需要采取臨時和簡單可靠的措施對軸承的運行環境進行調整,以確保設備的安全運行.但是,該操作目前尚未有一套比較成熟和完整的理論或方法來指導.當現場出現軸承故障時,相關操作人員一般只能憑借經驗來優化軸承運行環境,有時需要多次嘗試和試驗才能達到滿意的效果,往往造成巨大的經濟損失和資源浪費.針對現場常見的軸承故障,筆者采用數值計算方法系統地分析了軸承運行環境的變化對其性能的影響,并給出了工程實例,為現場軸承的運行和檢修提供參考.

1 軸承的運行環境

軸承運行環境主要包括轉子的轉速、支承的載荷、潤滑油的進油溫度、壓力及流量等,對不同機組或在不同工況下,現場對軸承運行環境的要求都不一樣.對汽輪發電機組,其轉速和軸承潤滑油型號是一定的,通常能改變的就是軸承的進油溫度和流量,以及通過調整標高來改變軸承載荷.因此,針對汽輪發電機組支承軸承的常見故障(軸承穩定性裕度不足和軸承溫度超標),通常采用對潤滑油系統和軸系標高進行調整與控制的方法來改善和優化現場軸承的運行環境.

2 軸系標高對軸承性能的影響

大型汽輪發電機組的軸系支承在多個滑動軸承上,屬于靜不定連續梁問題,這種結構的載荷分配主要受各軸承安裝標高的影響.現場經常發生由于軸系標高不當,導致某些軸承載荷過輕,進而造成其穩定性裕度不足,引起低頻振動;而另一些軸承的載荷過重,導致其潤滑油溫過高,甚至發生燒瓦.但并非所有軸承穩定性裕度不足或軸承溫度偏高的問題一定是軸系安裝標高不當引起的,而且軸系各軸承標高的變化對軸系載荷分配的影響程度有很大差別.

2.1 數值分析結果

現以某引進西屋公司技術生產的300 M W 機組為例(軸系見圖1,相關軸系參數見表1),采用傳遞矩陣法分析各軸承標高變化對載荷分配的影響.從表2的計算結果可看出:①由于各軸承對支撐載荷的貢獻率不一樣,導致各軸承標高的變化對軸系動力學特性的影響程度也不同,因此,現場常常出現某些機組的某一軸承安裝標高存在較大偏差,其軸系振動卻正常,而某些機組的某一軸承標高稍有偏差,其軸系振動就出現明顯改變;②端部軸承標高變化對載荷分配的影響很小,而中間軸承標高變化對載荷分配的影響相對較大,事實上,許多大型機組受進汽方式或補汽門開啟等影響,如1 號軸承出現穩定性裕度不足,但筆者查找了大量的國內外相關文獻得知:目前還沒有通過軸系標高調整來解決此類故障的案例,大多只能在一定程度上緩解該振動故障;③當聯軸器兩側轉子質量相差越大時,較小轉子的支撐軸承載荷受標高的影響就越明顯.

2.2 案例

某電廠1 號汽輪發電機組為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司和哈爾濱電機廠有限責任公司制造的引進型300 MW 機組,采用N300-16.7/537/537 型亞臨界、中間再熱、單軸、兩缸、兩排汽凝汽式汽輪機,配以QFSN-300-2 型汽輪發電機.自該機組投產以來發現:在200 MW 穩定負荷工況下,當進汽方式由單閥切換為順序閥后,1 號軸承處相對軸振迅速攀升,其中1Y 相對軸振幅值上升至135 μm 左右(圖2).從振動的頻率成分可看出,引起1 號軸承處相對軸振波動的原因是轉子在汽流擾動力的作用下發生失穩而產生半頻振動引起的.在2008年4—5月的機組大修中,在軸系設計標高的基礎上,曾把1號軸承座標高抬高了0.05 mm ,檢修后啟動發現,1號軸承的穩定性沒有得到明顯改善.

表1 引進型300 MW機組的軸系相關參數Tab.1 The shaft system parameters of imported 300 MW unit

圖1 軸系示意圖Fig.1 Unit' s shafting diagram

表2 引進型300 MW機組各軸承載荷與標高的關系Tab.2 Relation between bearing load and elevation of imported 300 MW unit

圖2 1Y 相對軸振趨勢Fig.2 The trend of relative shaft vibration for 1Y

因此,考慮到1 號軸承標高的調整對軸系載荷分配的影響有限,目前許多大型機組的1 號軸承受運行方式等影響而導致失穩時,一般均通過對軸承進行修刮或改型方法進行徹底解決.例如GE 公司生產的某PG9315FA 型燃氣輪機新機啟動后發現,1 號軸承穩定性裕度不足,多次對其標高進行調整,其中1 號軸承的標高最大抬高了0.13 mm,但其低頻振動仍然較大,最后將下瓦兩邊各減少20 mm 的軸瓦工作面寬度,才徹底解決低頻振動問題.

3 潤滑油系統對軸承性能的影響

潤滑油系統的調節和控制在很大程度上決定了軸承的運行環境,但是對汽輪發電機組的支承軸承進行現場運行或檢修時能調整或便于調整的供油參數只有進油溫度和流量.因此,分析潤滑油的進油溫度和流量對軸承工作溫度和穩定性的影響具有重要的工程意義.

本文采用有限元法求解Reynolds 方程,應用Reynolds 邊界條件進行計算,并分析了在不同軸承比壓下,潤滑油的進油溫度和流量對軸承工作溫度和穩定性的影響,結果示于圖3.需特別說明的是:目前對固定瓦徑向滑動軸承穩定性判別時,先根據軸承特性的4 個剛度系數K 和4 個阻尼系數C 求得反映油膜綜合剛度的相對值(相當剛度Keg)、反映油膜中渦動因素對阻尼因素的相對比例關系(渦動比γ2st),然后采用油膜的相當剛度與渦動比的商值(臨界失穩轉速Ωst)來表征軸承的穩定性,其計算方法為:

式中:Kxx、Kyy為一般剛度系數;Kxy、Kyx為交叉剛度系數;Cxx、Cyy為一般阻尼系數;Cxy、Cyx為交叉阻尼系數.

圖3(a)給出了在不同進油溫度T0下,不同軸承比壓pm對應的渦動比γ2st值.從目前大型汽輪發電機組的軸承設計比壓看,其渦動比γ2st大多趨于0,使的微小計算誤差將易導致臨界失穩轉速Ωst的大幅波動,無法定量表征軸承的穩定性好壞.因此,采用相當剛度Keq來表征軸承穩定性,對判定目前大型汽輪發電機組的軸承穩定性更為準確與合理.

3.1 數值分析結果

以某橢圓軸承(直徑為420 mm ,長徑比為0.7,橢圓度為0.5,側隙比為2.02‰)為例,分析了在不同軸承比壓下,潤滑油的進油溫度T0對軸承相當剛度Keq、流量Q 和溫升ΔT 的影響,計算結果如圖3(b)～圖3(d)所示.從圖3可看出:①進油溫度越高,軸承的穩定性越好,且比壓大的軸承穩定性受進油溫度影響更為明顯;②進油溫度越高,潤滑油流量越大,但比壓大的軸承潤滑流量受進油溫度影響相對較小;③當潤滑油流量足夠時,進油溫度越高,潤滑油溫升越小,但由于潤滑油流量不同,不同比壓的軸承溫升差別不大,因此當現場軸承出現回油溫度突然升高時,往往不是軸承載荷過重,而是由于潤滑油流量不足所造成的.

圖3 軸承性能參數隨進油溫度變化的曲線Fig.3 Journal bearing' s performance parameters vs.inlet oil tem perature

3.2 案例

某電廠3 號汽輪發電機組為中國長江動力公司生產的50 M W 空冷機組,汽輪機為C50-8.82/0.294型高壓、單缸、單抽汽、凝汽式汽輪機,配以QF-60-2 型發電機.該機組自2007年8月大修后,3號軸承(發電機前軸承)穩定性裕度不足,出現較大的低頻振動.由于檢修工期有限,因此決定把潤滑油溫度從37 ℃提高到42 ℃,結果表明:隨著潤滑油溫度的升高,軸承的半頻振動大幅降低,使其振動基本達到合格水平(圖4).

某電廠2 號汽輪發電機組為東方汽輪機有限公司和東方電機有限公司制造的600 M W 機組,采用N600-16.7/538/538-1 型亞臨界、中間再熱、沖動式、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機,配以DH-600-G 型水氫氫冷卻方式的發電機.2009年7月,該機組大修后首次啟動至2 000 r/min 時,6 號軸承(低壓B 轉子的后軸承)的瓦溫偏高,隨后手動緊急停機,但6 號軸承瓦溫仍繼續攀升,當轉速降至1 610 r/min 時,該軸承瓦溫達到最高(圖5).隨后,對其進行翻瓦檢查,6 號軸承的下瓦中部發黑,大修記錄表明:6 號軸承標高比大修前低了0.05 mm ,但基于軸承比壓對軸承溫度影響有限的考慮,因此決定檢查潤滑油系統,最后將6 號軸承的節油孔板由φ38.9 mm(標準規定φ39 mm ±0.1 mm)擴大到φ39.1 mm,將8 號軸承的節油孔板由φ25 mm(標準規定φ23 mm)減小到φ23 mm ,重新啟動后,軸系各軸瓦溫度恢復正常.

圖4 不同進油溫度下的軸承振動變化趨勢Fig.4 The vibration trend of bearing vibration under different inlet oil temperatures

圖5 汽輪機組啟動過程中的軸承溫度變化曲線Fig.5 Variation of the bearing temperature during startup of the turbo-generator unit

4 結 論

(1)軸承標高變化會改變軸系的載荷分配,但由于軸系中各軸承對支撐載荷的貢獻率不一樣,導

致各軸承標高的變化對軸系動力學特性的影響程度也不同.

(2)從目前大型汽輪發電機組的軸承設計比壓看,其渦動比大多趨于0,因而造成渦動比的微小計算誤差,這將導致臨界失穩轉速的大幅波動,因此采用相當剛度評判實際機組軸承穩定性更為準確.

(3)軸承穩定性裕度隨進油溫度的升高而增大,且重載軸承的穩定性受進油溫度影響也更為明顯.

(4)當潤滑油流量足夠時,不同比壓的軸承溫升差別較小.因此,現場出現軸承溫度突然升高時,往往不是軸承載荷過重,而是由于潤滑油流量不足所造成的.

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