汽輪機軸向位移偏大故障分析與推力軸承改進設計

張鯤羽，尤明明，龔存忠

（中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

汽輪機軸向位移偏大故障分析與推力軸承改進設計

張鯤羽，尤明明，龔存忠

（中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

針對某汽輪機出現汽輪機轉子軸向位移偏大的故障，通過理論分析與試驗研究，得出轉子軸向位移偏大的主要原因。針對這些原因，改進設計并加工了采用PCrNi3Mo材料的彈性支承板，并將副推力軸承的二銷釘支撐結構改為筋板支撐。試驗表明，采用新推力軸承的汽輪機運行平穩，未出現轉子軸向位移偏大問題。對主推力軸承支承板的結構進行了改進設計，并采用有限元方法進行了數值計算，結果顯示改進后的支承板在承受相同載荷時其撓度顯著減小。

軸向位移；推力軸承；改進設計

0 引言

汽輪機在運行過程中存在著軸向推力，為了保證在一定的動靜間隙下汽輪機轉子不被破壞，必須在汽輪機轉子的推力盤兩側布置推力軸承。汽輪機的推力軸承由若干推力瓦塊構成，分為工作面和非工作面。當汽輪機轉子正向或者反向推力超過推力瓦承載能力時，推力軸承就會發生損壞。

某汽輪機在試驗結束后出現轉子軸向位移偏大的故障。本文對汽輪機轉子軸向位移偏大的原因進行研究和分析，對推力軸承做出改進設計，并進行試驗驗證。

1 推力軸承結構

該汽輪機的推力軸承在前軸承座內的安裝位置如圖1所示。機組正常運行時高壓蒸汽對轉子的推力指向機組尾部，因此主推力軸承受力。在某些特殊情況下，副推力軸承也可能受力。

圖1 推力軸承安裝示意圖

圖2所示主推力軸承結構為六塊推力瓦塊結構，凹槽內為彈性支承板。圖3為支承板示意圖，其中上圖為變形的支承板，下圖為未變形的支承板。該支承板的變形會導致推力總間隙增大，也即汽輪機轉子軸向位移增大。圖4為主推力軸承的設計剖面圖。圖5為副推力軸承結構示意圖，結構為銷釘支承型式。每個推力瓦塊支撐在兩個銷釘上。

圖2 主推力軸承結構

圖3 彈性支承板示意

圖4 主推力軸承剖面

圖5 副推力軸承結構

2 故障現象

該汽輪機轉子軸向位移的技術要求為0.3mm～0.4mm，試驗結束后有多臺機組的汽輪機轉子軸向位移超出設計值，其中較嚴重的偏差測量結果如表1所示。

表1 汽輪機轉子軸向位移測量結果

根據測量結果，對位移量最大的機組進行拆檢，未發現主推力軸承瓦塊表面有明顯的局部磨痕，光亮如新，說明推力瓦塊受力均勻。但是主推力軸承的支承板發生彎曲變形，屬于塑性變形，支承板中間位置均有推力塊傾斜的小矩形壓痕，其中靠近推力塊的一片支承板表面壓痕最為明顯，每套共六塊支承板的壓痕均在同一位置出現，說明推力塊承受軸向載荷比較均勻，不存在單獨一片支承板受力而其他支承板不受力的現象。

3 故障原因分析

結合汽輪發電機組主副推力軸承磨損狀況與實際使用方式，分析認為導致汽輪機轉子軸向位移偏大的原因主要是：

1）汽輪機的使用工況偏離設計工況，引起汽輪機轉子軸向推力增大且原彈性支承板材料剛度不足引起；

2）由于汽輪機長期在非設計工況運行，轉子經常可能受到軸向沖擊，導致彈性支承板發生塑性變形。

彈性支承板采用的材料為34CrNi3Mo，結合類似機組的故障處理經驗，該彈性支承板在變形達到0.20mm時，會發生塑性變形。而材料為PCrNi3Mo的彈性支承板在變形達到0.40mm時，仍未發生塑性變形。結合汽輪機轉子軸向位移的技術要求，可以確定采用34CrNi3Mo材料的彈性支承板剛度不足。

導致彈性支承板塑性變形的原因還可能是轉子受到軸向的長時間大負載的沖擊。造成沖擊的原因主要有以下幾個方面：

a）負載大幅度變化造成的沖擊，尤其是突加負載。每臺機組在出廠時高低參數突加突卸負載多次，而突加突卸負載是一種特殊的工況，對機組有一定的破壞性，尤是突加負載時，主推力軸承瞬時會受到很大的沖擊；

b）蒸汽含水將對會對加大機組的軸向推力。在設計使用過程中，轉爐時，可能會造成蒸汽里含有較多的水分，導致進汽溫度及氣流速度降低，汽流中的水沖擊在葉片壓力面，形成液力沖擊，造成機組軸向很大的沖擊力。

汽輪機副推力塊局部磨損的原因則是瓦塊支承結構的不合理。副推力瓦塊在機組運行時活動，容易造成銷釘出現磨損。

4 故障處理

針對造成故障的原因，對推力軸承的材料、結構和機組使用方法進行改進。將主推力軸承彈性支承板材料由34CrNi3Mo更改為PCrNi3Mo。針對副推力軸承容易出現異常磨損的問題，對副推力軸承的支撐結構予以改進，將原來的支撐銷釘改為支撐筋。圖6為改進后推力軸承狀態示意圖。

同時，機組在正常使用過程中，應盡可能避免機組工況劇烈變化使轉子受到大負荷的沖擊。在機組轉爐供應蒸汽時，應及時進行疏水，盡可能減少轉爐時蒸汽中的含水量。

推力軸承進行改進設計后，對某汽輪發電機組的推力軸承進行換裝，換裝前后的軸承間隙如表2所示。

圖6 改進后推力軸承狀態示意圖

表2 推力軸承間隙測量結果

汽輪發電機組主副推力軸承換裝完畢后，對汽輪發電機組進行了動車試驗，試驗周期約為30天。試驗過程中機組運行平穩，無異常振動噪聲，機組各項監控數據在技術要求規定值內，停機后，對汽輪發電機組的軸向位移量重新進行了測量，測量結果顯示實測數據與動車試驗前數據一致，說明處理措施有效。

5 改進設計

由于主推力軸承彈性支承板變形的主要原因是支承板的剛度不足，因而本次設計從改變支承板的結構，進一步提高支承板的剛度入手進行改進。

為了比較設計前后支承板（3片疊裝）的力學性能，對支承板進行三維建模并進行靜載荷有限元計算，以觀察相同載荷下，改進設計前后支承板撓度的變化。

記原支承板的撓度為d原，原支承板在1000N靜載荷下的撓度值記為d1000，原支承板（3片疊裝）靜加載有限元計算結果如圖7及表3所示。

表3 改進前的支承板不同靜載荷下撓度值

圖7 改進前支承板在各載荷時變形

從圖7中可以看出，隨著載荷的不斷增加，彈性支承板撓度增加，并且彈性板之間出現分離，最終所有的載荷集中在第三塊支承板上，與現場拆檢結果相符?？紤]到最初設計三塊支承板疊加是為了在支承板受力后，產生能量內耗及摩擦耗能時，起到緩沖和減振作用，因此，維持原設計思路不變，將彈性板的跨距及厚度進行了改進，將跨距由B減少至0.7B，同時間隙減少至0.3A。

圖8 改進前后的支承板結構

記改進后支承板的撓度為d現，采用同樣的靜載荷模型，對改進后的支承板進行了有限元計算，其結果如圖9及表4所示。

表4 原支承板不同靜載荷下撓度值

圖10中展示了改進前后的支承板在各個靜載荷下的撓度計算結果對比。可以看出，將支承板底面開槽深度更改為0.3A，同時將支承板開槽的跨距減小，可以有效提高該支承板的剛度。將開槽深度由A減小為0.3A，當汽輪發電機組運行在沖擊工況時，該支承板的變形能有效緩解汽輪機軸向推力的沖擊，而當支承板完全塑性變形后，被壓縮0.3A，與前軸承座接觸，總間隙增加0.3A。并且當支承板厚度增加后，在相同的軸向載荷下，支承板的靜撓度會減少。同時對彈性支承板間的跨距進行減少，可以進一步增加該彈性支承板的強度。

圖9 改進后支承板在各載荷時變形

圖10 改進前后的支承板撓度對比

6 結論

針對汽輪發電機組出現的軸向位移偏大故障，對汽輪發電機組主副推力軸承進行改進設計并換裝，換裝后對軸承的軸向間隙進行了復測，并進行了動車試驗。試驗及測試結果表明機組各項監測數據均符合技術要求，軸向位移測量值在試驗前后一致，證實改進設計有效，機組可以正常長期使用。

同時對支承板的結構進行了改進設計，并采用有限元方法對同一靜載荷下的撓度進行了數值計算。計算結果顯示，將開槽深度減小為0.3A，同時將支承板間的跨距減小，可以有效提高該支承板的剛度。

[1]陳紹彬.汽輪機軸位移增大原因及處理[J].四川電力技術,1998(4):33-34.

[2]宋洪占,張硯明.水輪發電機推力軸承推力瓦、托盤或托瓦的變形分析與計算[J].防爆電機,2011(6):17-21.

[3]安駿.600MW 汽輪機軸向位移異常分析[J].華東電力,2006(6):75-78.

Fault Analysis of Rotor Axial Displacement and Improved Design on Thrust Bearing in Steam Turbine

ZHANG Kun-yu,YOU Ming-ming,GONG Cun-zhong
(No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

This study focuses on the fault of the rotor axial displacement in a steam turbine.Through theoretical analysis,three main causes which lead to the fault are deduced.Based on the analysis,the elastic support plate using material PCrNi3Mo is designed and made,and the support construction using two pins is changed into reinforcing plate.The experimental results show that steam turbines using the new thrust bearing are well operated without obvious axial displacement.The construction of main thrusting bearing elastic support plate is modified and numerically calculated using finite element method,which shows that the modified support plate has a smaller deflection while under the same load.

axial displacement; thrust bearing; improved design

TP132.41

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.003

張鯤羽（1989-），男，碩士，助理工程師，主要從事船舶汽輪輔機的熱力學研究。