自位橢圓軸承對稱部位溫度分布不均分析

趙國欽

(廣東粵電靖海發電有限公司，廣東揭陽 515223)

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自位橢圓軸承對稱部位溫度分布不均分析

趙國欽

(廣東粵電靖海發電有限公司，廣東揭陽 515223)

針對汽輪機運行時出現自位橢圓軸承軸向對稱位置溫度分布不均勻及軸承的局部區域溫度過高導致的跳閘問題，從自位橢圓軸承的自身特性進行定量分析，得出是由軸承自位能力降低或軸承與轉子承載區接觸面接觸不均勻，以及對稱部位載荷和潤滑油流量不均所導致的。

汽輪機； 自位橢圓軸承； 溫度分布； 油膜

火力發電廠汽輪機運行時，汽輪機徑向支撐軸承作為承載汽輪機轉子自重和外加附加力的主要承載部件，軸承的運行溫度是作為軸承運行安全性評價的一個重要指標，但在汽輪機整體運行穩定后，徑向軸承的軸向對稱部位溫度基本不相同，甚至出現單個軸承溫度測點溫度遠高于其余測點而出現的汽輪機被迫停運現象。某1 000 MW超臨界機組的B低壓轉子前軸承(7號橢圓軸承)，在汽輪機轉速達到3 000 r/min后，軸承軸向對稱位置溫度分別由95.84 ℃、100.28 ℃逐漸上升至98.05 ℃、113.12 ℃，溫度分布偏差越來越大，甚至局部測點溫度接近跳閘值而被迫停機。筆者以該機組7號軸承為例，從自位橢圓軸承的結構特點出發，分析軸承軸向對稱位置發生溫度分布不均勻的原因，并提出處理的針對性意見。

1 溫度分布不均勻問題

1.1 軸承溫度分布不均勻

軸承在沿中心線OM兩側設置2～3個溫度測點，如P1、P2、P3，見圖1。理論情況下，軸承運行時的P1溫度應該與P2、P3溫度相同，即沿OM呈對稱均勻分布，但在實際運行狀態下，常存在P1和P2、P3溫度沿OM中心線分布不對稱情況。

圖1 軸承溫度測點分布

根據軸承實際運行時的溫度分布狀況，總體情況為：可傾瓦軸承(1～4號軸承)對稱位置軸承溫度偏差較小，溫差在0.8～2.8 K；而自位橢圓軸承(5～8號軸承)的對稱位置溫度偏差比較大，在4.0～12.2 K，見表1。

表1 軸承軸向對稱溫度分布 K

自位橢圓軸承相比較可傾瓦軸承其溫度分布偏差更大，對稱位置更容易出現溫度分布不均勻的狀況。因而筆者主要對自位橢圓軸承的溫度分布不均進行分析。

1.2 自位橢圓軸承結構特點

自位橢圓軸承主要結構為上下兩半圓形式，下半軸承坐落在軸承套內，依靠軸承底部的圓球面與軸承套的內圓弧面接觸形成軸承在工作時的自定位能力，見圖2。

1—轉子;2—軸承;3—軸承套。圖2 自位軸承結構圖

在汽輪機轉子運轉時，由于軸承與軸承套之間的底部球面接觸，軸承可以沿球面底部中心點360°擺動。在轉子動載荷作用下，軸承承載面會隨著轉子旋轉即時與轉軸表面貼合，轉子與軸承間油膜沿轉子中心線厚度的對稱分布，使軸向方向的溫度分布沿軸承橫向中分線OM也會呈對稱分布(見圖1)。但由于軸承與軸承套接觸的球面位置為面接觸且兩者之間存在相對位移，在兩者摩擦力的作用下，軸承隨轉子擺動會存在一定的滯后，軸承與轉子在軸向方向的接觸出現沿OM中心線分布不均勻現象。

一般來講，軸承在軸承套內擺動時受到的阻力越小，其隨轉子周期性擺動的靈敏度也越高，相應的自位能力也就越好，軸承軸向對稱位置的溫度分布均勻性越好。

1.3 油膜厚度分布不均勻分類

當轉軸與軸承承載面的接觸部位出現沿OM中心線分布的接觸不對稱時，主要可以分為兩種情況：承載區出現相對夾角α(見圖3(a))、軸承的承載區出現高低不均勻(見圖3(b))，使軸承承載區的油膜厚度分布不對稱。

圖3 軸承與轉軸之間油膜不均勻狀況分類

1.3.1 承載區出現軸向夾角

由于轉子自重、轉子材料抗彎強度、溫度及轉子自身非重力作用存在的彎曲度等的綜合作用，轉子自身在動態時會出現轉子兩個支撐軸承中心線的中間段部位出現動撓曲現象[1](見圖4)。

y0—轉子靜撓度；y—轉子動撓度；e—轉子靜態彎曲度。圖4 水平轉子的動撓曲線

在轉子動撓曲作用下，會出現偏離轉子中心線部位的質量偏心。在轉子旋轉時，該質量偏心產生一定的不平衡周期性離心力，使轉子產生周期性的變載荷作用力，其頻率與轉子的轉動頻率相同，使軸承產生周期性的受迫振動，當軸承擺動頻率小于轉子轉動頻率，就會出現軸承擺動的滯后，轉子與軸承承載面出現不平行夾角，見圖3(a)。

1.3.2 承載區出現高低不均

當軸承承載面或轉軸外表面加工時出現軸向不柱度過大時，軸承與轉子的承載面區域接觸面會出現軸向高低不均，其接觸面的油膜也會存在厚度不均勻現象，見圖3(b)。

2 溫度分布不均勻分析

軸承承載區溫升無法精確定量計算，但其與軸承金屬溫升直接相關，可根據軸承承載區的潤滑油溫升來推導軸承金屬溫度分布。

當軸承承載區出現軸向夾角和高低不均勻情況時：

(1) 在軸承溫度P1、P2兩個部位，轉軸與軸承下承載面的油膜厚度H1

(2) P1、P2兩點區域存在轉軸與軸承的承載區高度差，P1、P2兩點鎢金面油膜的壓強不相同，相應的載荷W1、W2也不相同，油膜厚度越小其承載區油膜的壓強越大，即W1>W2。

(1)

式中：δt為潤滑油溫升，K；cp為潤滑油比熱容，J/(kg·K)；ρ為潤滑油密度，kg/m3；Q為潤滑油流量，m3/s；μ為摩擦因數；W為承載區軸承載荷，N；u為轉軸圓周速度，m/s。

根據式(1)：在P1、P2測點附近區域，Q1W2，而cp、ρ、μ、u等參數完全相同，因此δt1>δt2，P1區域潤滑油溫升高于P2區域潤滑油溫升，相應的P1區域軸承溫度也高于P2區域軸承溫度[2]。

軸承在運行時出現承載區對稱部位溫度不均勻時，主要是由于對稱區域的轉軸與軸承承載區接觸部位油膜厚度不均勻所導致[3]。

3 油膜厚度分布不均分析及處理方式

根據以上的分析，處理軸承溫度對稱分布不均勻主要針對影響油膜分布不均的因素著手進行分析，根據主要原因針對性處理。

3.1 軸承承載面出現夾角時的分析及處理

軸承承載面出現夾角主要是由于轉子周期性旋轉時，軸承擺動承受的阻力較大，導致軸承的受迫振動周期大于轉子的旋轉周期，軸承對轉子的跟隨性差，軸承的自位性能低。處理時需要針對影響軸承自位能力的因素(降低軸承擺動時的阻力)進行處理，以提高軸承的自位能力來消除轉軸與軸承承載區的接觸面夾角問題。軸承在自位時需要克服的阻力主要分為兩類：球面接觸的摩擦阻力、軸承與軸承套之間的其余機械阻力。

3.1.1 球面接觸摩擦阻力

(1) 球面接觸摩擦阻力主要與球面的接觸壓力和摩擦系數有關。在正常情況下，由于球面接觸部位的縫隙有一定量的潤滑油持續滲入，其間的摩擦系數一般在0.05～0.10。

由于轉子旋轉時產生動撓曲，在轉軸表面軸向與軸承鎢金面發生傾斜，轉軸與軸承鎢金面軸向會出現一個夾角α，見圖5。轉軸與承載面之間的接觸會轉變為點接觸，接觸點A，此時A點承受的轉子負載通過軸承傳遞給軸承套來承受，在軸承和軸承套之間的B點首先受力。軸承與軸承套之間球形承載面，會在B點產生一個切向分力F1，F1克服軸承與軸承套之間的摩擦力來推動軸承逆時針方向(見圖5)擺動，直至α=0°。組成球面自位擺動的半個周期，轉軸旋轉一周，球面分別沿順時針和逆時針各擺動一次，實現一個擺動周期。

圖5 轉軸與軸承承載面發生軸向不平行時分解圖

7號軸承的正常負載力為F(F=軸承靜載荷+轉軸振動沖擊力)，球面接觸摩擦因數μ=0.10，夾角θ=13.815°。球面自位活動時的受力狀況為：

B點產生的切向力F1=F·sinθ=0.239F，球面接觸摩擦力f=μ·F2=0.097F。

F1>f，球面自位的切向力大于摩擦力，球面的自位能力不受影響。

(2) 低壓轉子在靜態時的彎曲度為0.02 mm，轉子長度為6 000 mm。7號球面配合部位直徑D=1 054 mm，軸承總重量m1=2.17×103kg，軸承負載F=2.94×105N，轉軸旋轉180°需要的時間為0.01 s。

(2)

式中：y為轉子離心作用下的撓曲度，mm；e為靜態時軸彎曲度，mm；g為重力加速度，取值9 800 mm/s2；ω為轉子角速度。

根據式(2)核算在3 000 r/min時的動撓度為0.079 4 mm，軸承自位時的擺動角度為0.002 79°，軸承擺動半個周期(跟隨轉軸旋轉180°)時間為2.33×10-3s，小于轉軸旋轉180°的時間[1]。在球面接觸部位摩擦因數正常的情況下，軸承受力時的理論擺動頻率高于轉軸傾斜度變動頻率，軸承的自位性能良好。

(3) 當軸承底部球面配合部位的摩擦因數大于0.231 4時，軸承的擺動頻率才小于轉軸的變動頻率，出現軸承自位能力降低而導致的轉軸與軸承鎢金面平行度變差，但軸承球面配合部位只要有一定的接觸面積和光潔度，其摩擦因數不會超過0.1，軸承與軸承套底部球面接觸狀況不是影響自位軸承自位能力的主要因素。

3.1.2 軸承其余部位的機械阻力

軸承其余部位的阻力主要來源于軸承套與軸承的接觸部位產生的外力，主要有頂部球面的過盈配合、定位銷或其余機械部位卡澀兩類。

(1) 軸承頂部球面過盈配合。

軸承頂部球面的過盈配合主要指其在運行狀態下的過盈配合。運行時軸承承載區溫度升高，傳遞給整個軸承，再傳遞給軸承套，摩擦升溫后的潤滑油向下流動分裂經過軸承、軸承套，軸承與軸承套之間存在溫度梯度差，一般狀況下軸承的平均溫度比軸承套的平均溫度要高10～15 K，膨脹系數相同的情況下，軸承的徑向膨脹量要大于軸承套的徑向膨脹量。

7號軸承球面直徑d=1 054 mm，膨脹系數均取1.2×10-5，軸承與軸承套之間由于溫差導致球面膨脹量差為126.0～189.7 μm，即如果在冷態時的球面配合為30 μm間隙，熱態時變為96.0～159.7 μm過盈。當頂部球面配合出現過盈時，軸承與軸承套的底部配合產生附加的徑向壓強，可以根據下式進行核算其熱態時的摩擦阻力[4]。

(3)

式中：δmax為過盈連接的過盈量，μm；d為配合的公稱直徑，mm；E1、E2為被包容件和包容件材料的彈性模量，MPa；C1、C2為被包容件和包容件的剛性系數。

7號軸承球面配合的總接觸面積為0.2449 m2，球面過盈配合產生的壓強pmax=0.420 0～0.698 6 MPa，產生的球面附加徑向壓力為(1.028 5～1.710 0)×105N。過盈配合產生的附加摩擦力會增加軸承自身負載時的摩擦力總量，軸承擺動半個周期的時間變為(4.14～5.19)×10-3s，仍未大于轉軸擺動180°的周期0.01s。

如將軸承頂部球面配合在冷態時調整到過盈量132.0～195.7 μm，熱態會達到321 μm時，才能使軸承擺動半個周期的時間為0.01 s，達到轉軸轉動180°的時間，軸承自位能力會明顯降低。只要在冷態調整時保持軸承與軸承套之間適當的配合，并核算其在運行狀態下的熱態配合，既能提高軸承的穩定性又不影響其自位能力。

(2) 定位銷或其余機械部位卡澀。

當定位銷或機械部位出現卡澀，尤其是軸向方向擺動時的卡澀，軸承在自位的切向力作用在機械卡澀部位若無法超過材料的屈服極限，軸承在自位時不能擺動到預定的位置，轉軸和軸承承載面之間存在一個相對固定的角度，使軸承在軸向方向的油膜厚度分配出現不均勻，軸向溫度分布也出現不對稱。

7號軸承頂部定位銷在運行時軸向擺動幅度為0.051 3 mm，但在調整軸系后，轉軸傾斜度的變化可以使軸承頂部定位銷與銷孔軸向方向的單邊間隙變為0，甚至冷態時直接受力而限制定位銷的擺動，軸承在自位時會無法在軸向方向自由擺動，也就從根本上失去了自位能力，見圖6。處理時主要著重檢查軸承機械定位部分是否存在擺動受限，保證這些部位足夠的活動裕量以避免出現機械卡澀。

圖6 軸承與軸承套頂部定位銷示意圖

3.2 承載區高低不均處理

軸承承載區的接觸部位的高低不均主要由兩種情況：軸承承載面高低不均勻、轉子軸向直徑分布不均勻。主要從轉軸外徑和軸承內徑測量判斷是否存在較大的不柱度分布。處理時通過軸承承載面的修刮和轉軸的修磨可以使承載面在一個水平面上，轉子的不柱度得到明顯改觀，解決承載區油膜厚度分布不均的情況。

3.3 應用狀況

7號軸承檢查時發現其承載面P2點對應部位有過熱燒灼痕跡，反證出軸承溫度的不對稱分布。檢查軸承頂部球面配合、底部球面接觸、測量軸承P1和P2兩點對應的軸承內表面高度相同及接觸等均良好；測量兩個部位對應的軸承內徑不柱度、轉軸不柱度符合要求；而檢查軸承頂部定位銷與定位銷孔時，發現定位銷孔軸向方向單邊有明顯的壓痕，定位銷孔與定位銷之間存在明顯的機械卡澀，在運行中定位銷孔已經阻礙了定位銷在其中的移動，降低了軸承的自位能力。

處理時將軸承頂部定位銷孔沿軸承軸向方向修磨成橢圓形狀，使定位銷孔與定位銷之間運行時軸向保留2～3 mm的活動間隙，保證定位銷的自由移動。處理后軸承在運行中的P1和P2兩點的溫度降低至92.5 ℃、91.9 ℃，溫度分布不均得到根本改善。

3.4 定位銷改進建議

由于頂部裝配型式的定位銷安裝于軸承與軸承套之間，無法很好地在裝配時檢驗是否有機械卡澀現象，可將定位裝置更改為水平結合面部位定位，既可以限制軸承出現周向轉動，又能保證軸承運行中在軸向方向的自由擺動，見圖7。

圖7 軸承與軸承套之間采用新定位銷的結構示意圖

4 結語

自位橢圓軸承在運行中出現溫度軸向對稱分布不均勻，主要是由于在軸向對稱部位出現軸承自位能力降低或軸承與轉子承載區接觸面接觸不均勻導致的軸承承載區油膜厚度不均勻。

在裝配合格時，軸承底部球面接觸狀況和軸承頂部球面的配合狀況不是影響軸承的自位能力的主要因素，在處理時不需要過多關注，而應特別注意以下因素：

(1) 轉軸與軸承承載面接觸部位均應在同一個平面上且對稱分布均勻，即軸承和轉軸的不柱度是否合格。

(2) 消除影響軸承在軸承套內擺動的機械阻力，如軸承與軸承套之間的定位裝置(如定位銷)卡澀及其余阻礙軸承擺動的部件。

[1] 吳英華. 汽輪機轉子動撓度的測量及應用[J]. 試驗技術與試驗機,1994,34(2-3): 8-10.

[2] 王三民. 機械設計計算手冊[M]. 2版. 化學工業出版社,2012: 392-398.

[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,1999: 8-21-8-31.

[4] 于惠力,馮新敏. 現代機械零部件設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社,2013: 540-547.

Analysis of Uneven Temperature Distribution on Symmetric Areas of a Self-aligning Elliptical Bearing

Zhao Guoqin

(Guangdong Yudean Jinghai Power Generation Co.,Ltd.,Jieyang 515223, Guangdong Province,China)

To solve the tripping problem of a steam turbine caused by uneven temperature distribution on symmetric areas of the self-aligning elliptical bearing or by too high temperature in local areas,a quantitative analysis was conducted on the characteristics of the bearing. Results show that the failure was caused by lowered self-aligning ability of the bearing,uneven contact between the bearing and rotor,uneven load on symmetric areas,or by uneven flow of lubricating oil.

steam turbine; self-aligning bearing; temperature distribution; oil film

2016-07-11；

2016-10-08

趙國欽(1976—)，男，高級工程師，從事火電廠技術管理工作。

E-mail: 64276748@qq.com

TK263.64

A

1671-086X(2017)04-0290-05