核電汽輪機軸承溫度偏高原因分析及處理措施

黃祥君，鄭華兵，蘇志剛

（大亞灣核電運營管理有限責任公司，深圳518124）

某核電百萬千瓦汽輪發電機組軸系由6根轉子組成，每根轉子由2個軸承支承；除發電機轉子后端軸承坐落在發電機外定子大端蓋上外，其余11個軸承均坐落在落地式軸承箱內；1號～10號軸承為圓筒瓦軸承，11號及12號軸承為可傾瓦軸承。該汽輪機軸承在大修后啟動沖轉和運行期間陸續出現軸承溫度偏高的問題，直接威脅機組的安全運行。筆者主要分析了汽輪機軸承溫度偏高的原因，并提出了處理措施。

1 汽輪機軸承溫度偏高的情況

1．1 沖轉時軸承溫度偏高

機組U1大修后沖轉時因5號軸承溫度達到報警值（95℃）而停機搶修，機組U2大修后沖轉時因6號軸承溫度達到停機值（100℃）而停機搶修。

1．2 日常運行時軸承溫度偏高

機組U1和U2日常運行期間曾多次出現部分軸承溫度明顯高于其他軸承溫度，甚至高于報警值的情況，機組U3和U4的同類型軸承也存在類似情況，見表1。

表1 處理前軸承溫度 ℃

表1 （續）

2 軸承溫度的計算結果

由于軸承溫度偏高是該類型軸承的共性問題，為驗證是否存在設計問題，并指導軸承溫度偏高的原因分析，根據GB／T 21466．2—2008《穩態條件下流體動壓徑向滑動軸承圓形滑動軸承第2部分：計算過程中所用函數》，建立專門的計算程序對軸承溫度進行計算［1］；還結合了軸承實際的排油溫度對軸承溫度的計算模型進行修正。計算結果見表2。

表2 軸承計算數據及其實際運行溫度

由表2可知：潤滑油流量除1號軸承偏差稍大，其余偏差均小于5%；軸承溫度計算值與設計值基本一致，因此計算值可信。計算數據驗證了軸承設計不存在問題，機組沖轉及運行期間軸承溫度偏高非設計原因。

3 軸承溫度偏高原因分析

引起軸承溫度偏高的常見原因有：潤滑油流量不足［2］、軸承間隙小、軸承標高變化引起軸承負荷高、軸承烏金面不平滑、軸承位置不正等。

軸承供油管油流速度為1．5mm／s，滿足通用設計要求；供油管尺寸符合設計要求，檢查后確認無堵塞及泄漏現象；供油壓力、軸承間隙、軸承進油口尺寸、油囊尺寸等符合設計要求，因此可以排除潤滑油流量不足及軸承間隙小這兩個原因。

3．1 軸承標高變化對軸承溫度的影響

機組在冷態下進行軸系中心調整。當機組啟動后從冷態變化到熱態時，各軸承的標高變化可能不同，會引起各軸承負荷發生變化，從而導致各軸承溫度發生相應變化［3］。

建立了軸系的力學模型，計算出因軸承標高變化量引起的軸承負荷變化量，進而計算出軸承溫度的變化量，見表3。

表3 標高變化引起的軸承溫度變化

從表3可以看出：從空載到滿功率時軸承溫度變化計算值最大約5K，實際變化量最大約4K，二者基本相符。

由表2和表3可知：加上冷、熱態軸承標高變化的影響，軸承最高溫度應小于90℃；但表1中機組U1 7號軸承溫度達97．1℃，機組U2 5號軸承溫度達94．5℃，因此軸承溫度偏高仍有其他影響因素。

3．2 瓦襯變形導致軸承溫度偏高

該類型軸承采用了薄瓦襯結構，巴氏合金澆注在厚度為16．5mm的鋼瓦襯上，采用緊力配合來保證瓦襯與瓦體緊密接觸，從而保證瓦襯內孔形狀正確，軸承烏金面平滑，見圖1。

圖1 軸承結構圖

由于采用了薄瓦襯緊力配合的結構，可能造成瓦襯的局部變形、軸承烏金面不平滑、潤滑油流動不暢，甚至造成潤滑油膜局部破裂，引起軸承局部溫度偏高。當局部變形位于溫度測點附近時，軸承溫度就會偏高。

3．3 軸承左右不對中造成軸承溫度偏高

該類型軸承的下半瓦體由分別位于左、右兩側和正下方的3塊球面墊鐵支承，上半瓦體正上方有1塊球面墊鐵（見圖1）。

在轉子所受重力的作用下，在軸承上產生的最大轉動力矩M1為：

軸承上由摩擦阻力產生的阻力矩M2為：

式中：D為軸承內徑，mm；G為轉子所受重力，N；B為軸承寬度（設計值B＝0．5D），mm；d為軸承外徑（設計值d＝1．8D），mm；μ為摩擦系數，要求μ＜0．16。

由式（1）及式（2）可見：M1＞ M2，因此軸承在軸向方向具有自定位能力。然而，在左右方向由于沒有力的作用，即M1＝0，M1＜ M2，因此軸承在左右方向沒有自定位能力。

軸承在左右方向不具有自定位能力而造成軸承左右不對中的問題，這是因為：一方面認為球面墊鐵的軸承具有自定位能力；另一方面，側間隙不容易測量準確，瓦襯在轉子質量作用下可能出現變形，導致側間隙變化等因素也會誤導判斷軸承的對中情況。

當軸承左右不對中時，軸承前后和左右的間隙發生變化，使得間隙不均勻，造成潤滑油膜厚度不均勻，導致潤滑不充分，甚至造成潤滑油膜破裂，引起軸承溫度偏高，前后溫度測點溫差大。在1．1節所述案例中，6號軸承前后溫度測點的差值當時已超過30K。此外由表2可知：當軸承間隙變化時軸承的溫度也會隨之變化，也印證了上述分析是正確的。

4 處理措施及效果

4．1 消除軸承標高變化

根據表3的計算結果，在軸系找中心時將2號、5號和7號軸承標高相對于3號、4號和6號軸承標高低約0．03～0．05mm。

4．2 消除瓦襯變形

由于瓦襯變形較小，按照常規的檢查方法（如內徑測量、間隙測量等）不能檢查出該問題，為此采取在軸承烏金表面涂上紅丹粉或藍油，與軸頸進行研磨，根據接觸情況采用特制的平刮刀對烏金表面的接觸高點進行修刮。修刮前后效果見圖2。

圖2 修刮前后溫度測點附近的高點

4．3 消除軸承左右不對中

軸承左右不對中時，會造成軸承前后和左右的間隙不均勻，軸承在軸承箱內的軸向位置發生變化，軸承與軸承箱高低差發生變化，其中軸向位置的變化最明顯，為此采用在中分面處測量瓦襯與瓦體的間隙，并計入軸承的間隙中；測量和調整軸承與軸承箱的高低差；測量和調整軸承與軸承箱的軸向相對位置，保證軸承位于正確位置，軸承前后和左右的間隙均勻。

采用上述措施后在機組沖轉期間沒有再出現軸承溫度偏高的現象，滿功率運行時軸承溫度均控制在90℃以內，軸承之間的溫度差更合理（見表4），取得了預期效果，提高了設備的安全裕度。

表4 處理后軸承溫度 ℃

5 結語

針對百萬千瓦核電汽輪機軸承及其他機組同類型軸承溫度偏高的共性問題，通過結合軸承的實際溫度建立計算模型，驗證并排除了設計方面的問題，既加深了對設備設計特點和運行特性的了解，又對原因分析起到了指導作用，為解決同類問題提供了新的思路和方法。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB／T 21466．2—2008穩態條件下流體動壓徑向滑動軸承圓形滑動軸承第2部分：計算過程中所用函數［S］．北京：中國標準出版社，2008．

［2］王希第．328．5MW汽輪機軸瓦溫度高的處理［J］．汽輪機技術，2005，47（5）：70－71．

［3］中國動力工程學會．火力發電設備技術手冊（第二卷 汽輪機）［M］．北京：機械工業出版社，2002．