TRT推力軸承溫升機理及其抑制措施

曹文俊

（寶武集團廣東韶關鋼鐵有限公司， 廣東 韶關 512123）

TRT是利用高爐爐頂煤氣的余壓余熱，把煤氣導入透平膨脹機，使壓力能和熱能轉化為機械能，驅動發電機發電的一種能量回收裝置[1]。滑動軸承因其結構簡單，載重大、使用壽命長等優點在大型旋轉機組中有著廣泛的應用。大型滑動軸承軸瓦襯層材質一般為低熔點的軟質合金。溫度是滑動軸承運行的一個重要參數，過高的溫度一方面加速了潤滑油的老化，另一方面使軸瓦瓦面材質軟化而導致軸承失效，嚴重時甚至發生燒瓦，從而引起設備事故。控制軸承溫度是保證軸承正常穩定運行的關鍵之一，大型機組中軸承溫度一般設置報警值、停機值。因該滑動軸承推力瓦塊工作面為巴氏合金，其熔點較低，為了保證軸承的正常工作，軸承的最高溫度不能超過其熔點，工程實際上會設置軸承溫度報警值、停機值。寶武集團廣東韶關鋼鐵有限公司（以下簡稱韶鋼）8號TRT機組于2008年投產，2013年以來頻繁發生推力瓦溫度高故障，嚴重影響機組的安全運行。

1 滑動止推軸承工作原理

TRT轉子運行時主要受到的軸向力有：高爐煤氣作用在透平機轉子動葉上的作用力、發電機電磁力、轉子自身質量在軸向的分力等，這些力的合力通常被稱為殘余軸向力。止推軸承的作用是平衡機組軸向殘余力，限制轉子軸向移動，防止靜止部件與轉子部件直接接觸發生碰撞。韶鋼8號TRT止推軸承為金斯蓓蕾式可傾瓦，如圖1所示，該結構利用了杠桿平衡塊原理，每塊瓦受力比較均勻。

2 滑動軸承熱傳導分析

圖1 TRT止推軸承為金斯蓓蕾式可傾瓦圖

正常工作時，止推軸承軸瓦與推力盤之間形成一層動壓油膜，油膜將推力瓦與推力盤隔開。軸承的發熱來源于潤滑油的剪切效應以及潤滑油與軸頸的摩擦。油膜中的熱量，除了潤滑油帶走一部分外，其余熱量將直接傳遞給軸承和軸頸，再經過轉子和軸承座傳遞給周圍的其他介質。當發熱量和散熱量相當時，溫度場穩定下來，即達到熱平衡，此時軸承溫度保持某個恒定值。一旦某個因素發生改變，比如機組負荷加大，轉子軸向力增加使得止推瓦與推力盤間油膜壓力增大，摩擦加劇，發熱量增加，則原先的熱平衡被打破，新的平衡被重新建立。

3 軸承溫升的影響因素

從軸承熱傳導過程不難得出軸承的溫升與軸承運轉過程中進入軸承的熱量和流出軸承的熱量有關。進入軸承的熱量主要來源于供油管路流入潤滑油和軸承運轉時產生的熱量，流出的熱量一部分被潤滑油帶走，一部分通過傳導、對流和輻射等方式傳給周圍環境。軸承的溫升主要取決于軸承本身發熱量以及潤滑油帶走熱量差值的大小，發熱量越大、熱量流失越少，則軸承溫升越高。

3.1 潤滑油流量對軸承瓦溫的影響

可傾瓦滑動止推軸承潤滑油溫升公式[2]：

式中：ΔT為潤滑與溫升，Pμ為摩擦功耗，cp為比定壓熱容，ρ為潤滑油密度，q為潤滑油流量，潤滑油的溫升與潤滑油流量成反比。因此增大潤滑油的流量，可以減少潤滑油溫升。實際上，滑動軸承中潤滑油除了形成流體潤滑油膜的作用外，還有一個重要作用是帶走軸承運轉產生的熱量。進入軸承中的潤滑油流量越小，其帶走軸承的熱量越小，因此軸瓦溫升也就越高。潤滑油流量偏小的原因有：

1）潤滑系統設計流量不足。系統設計時，潤滑系統潤滑泵選型偏小，流量不足。潤滑油流量可以滿足滑動軸承形成動壓油膜所需的流量，但沒有更多的潤滑油帶走軸承產生的熱量，會導致軸承溫升高。嚴重時不能形成穩定的油膜，滑動軸承失效。如果潤滑油流量選擇過小，以至于不能滿足滑動軸承動壓流體潤滑油膜形成的條件，則軸承軸瓦與推力盤之間發生金屬直接摩擦，產生大量的熱量，軸承瓦襯金屬熔化，軸承失效。

2）潤滑油流量分配不合理。一般地，一套TRT裝置設計一個潤滑系統，供透平機、發電機徑向、軸向止推等多個軸承部位使用。不同部位所需的潤滑油流量不同，如果分配不合理就可能發生某個軸承潤滑油流量不足，溫升超高的現象。

3）潤滑系統泵出口濾芯堵塞。設備因磨損產生的磨屑以及設備檢修、維護過程中帶入潤滑系統的固體污染物堵塞濾芯，導致供油流量減小。

3.2 止推軸承摩擦功耗對軸承溫度的影響

由滑動軸承摩擦功耗計算公式[2]：

式中：Pu*為摩擦功耗系數；Z為瓦塊數；B為軸承寬度（瓦塊沿徑向的尺寸）；η為潤滑油黏度；v為平均線速度。軸承一旦設計好，Z和B值則已確定，潤滑油黏度基本保持不變，而線速度v與可見摩擦功耗主要同軸承所受的摩擦力F有關。

3.2.1 摩擦系數對軸承溫度的影響

滑動軸承中的摩擦形式有流體摩擦、半流體摩擦和邊界摩擦三種。流體潤滑時軸與軸承被一層致密的油膜完全隔開，軸與軸承的表面之間不發生直接接觸，此時摩擦系數很小，摩擦與發熱很小。流體潤滑對軸承的工作最為有利。半流體潤滑時，致密的油膜被破壞，軸與軸承表面小范圍直接接觸，此時摩擦系數較大，軸承中的發熱較大，對于高速運轉的軸承，可能發生軸承過熱或損壞。邊界摩擦時，軸與軸承表面大范圍直接接觸甚至完全接觸，此時摩擦系數最大，軸承容易發生過熱、軸瓦巴氏合金襯層熔化而燒瓦。

3.2.2 軸承載荷對軸瓦溫度的影響

TRT工作時轉子轉速基本穩定在3 000 r/min，與電網保持同步，也即V值基本恒定，因此摩擦功耗主要取決于軸瓦所承受的載荷。作用于止推軸承的力越大，止推軸承油膜間的壓力也越高，油膜越薄。膜厚的下降會增大潤滑劑內部的切應變率，從而導致溫度的升高[3]。

1）透平機轉子軸向力分析（見圖2）。TRT機組運行時其軸向主要受到煤氣因壓力差作用與轉子葉片上的指向排氣側的力F氣，發電機轉子電磁力F電，機組轉子自重產生的軸向分量G軸以及通過氣封泄漏的氣體作用于平衡活塞上的軸向力F平，這些軸向力的合力通常稱為殘余軸向力，由止推軸承來平衡。正常工作時，滑動止推軸承處于流體潤滑狀態，推力瓦與轉子上的推力盤在被一層薄薄的壓力油膜隔開，彼此之間不發生直接摩擦。設止推軸承對轉子的軸向力為F止，則有F平+F氣+F電+G軸=-F止，負號代表方向相反。滑動軸承作用在轉子上的力F止最終平衡了軸向殘余力，將運轉中的轉子軸向竄動控制在一定安全范圍內。

圖2 TRT軸系簡圖

2）高爐頂壓波動對轉子軸向力的影響。高爐煤氣頂壓在布料過程中存在波動大的現象，頂壓升高，則作用于TRT透平機轉子上作用力F氣增大，機組軸向殘余力也會增大，由轉子軸向力平衡方程可知，止推軸承載荷F平增大，摩擦功耗增大。

3）平衡套對轉子軸向力的影響。該型TRT機組為了減少軸向殘余力，在機組進、排氣端設置一平衡管，平衡管將進氣軸端泄漏的煤氣連通排氣側，減少該部分煤氣作用于轉子平衡套端面上而產生軸向力。進氣側軸端泄漏的煤氣如不能及時的排至排氣端，則會在轉子兩端產生壓差；或者平衡套從轉子上脫出，進氣側轉子端面煤氣作用有效面積增大。以上兩種情形均導致轉子軸向力增加，推動轉子向排氣側移動，止推軸承軸向固定，隨著轉子軸向移動，推力盤與主推力瓦之間的間隙,油膜變薄，潤滑油內部的切應變率增大，產生的熱量增加，軸瓦溫度升高。8號TRT曾因高爐煤氣溫度超高，發生平衡套因熱膨脹從轉子上脫落的現象（平衡套通過熱裝與轉子過盈配合），如圖3所示。

圖3 平衡套

圖4 透平機轉子自重軸向分力

4）揚度對轉子軸向力的影響。為了保證大型機組軸系是一條光滑的曲線，檢修時需對轉子揚度進行調整。轉子兩端軸承座的高度差以及轉子自身質量的分布決定了轉子曲線的形態。轉子自身質量的作用，對轉子產生一個軸向的分力，如圖4所示。與水平方向傾斜角θ越大則軸向分力越大。

5）發電機磁力中心調整對透平轉子軸向力的影響。

發電機轉子安裝時以機械中心為基準，而運轉時其轉子將定位于磁場中心，機械中心可能與磁場中心不一致，電氣啟動后發生軸向竄動，對TRT機組轉子軸系產生一個軸向分力F電，方向和大小均對止推軸承承載有一定的影響。

3.2.3 推力瓦塊刮修對軸承瓦溫的影響

推力瓦塊瓦面刮研過度，導致實際形成有效油膜的接觸面積減小，油膜間壓力增大；研瓦精度不足，導致部分瓦面與推力盤接觸磨擦，產生的熱量增大。熱量導致潤滑油黏度變小，油膜變薄，推力瓦與推力盤間油膜間隙變小，進一步加大磨損，甚至燒瓦。如圖5、圖6所示，在某次檢修中，檢修人員將推力瓦塊進油側瓦口進行了刮研，結果在開機帶負荷不到幾分鐘就發生了燒瓦事故。事故主要原因為瓦口修得過深、面積過大導致推力瓦與推力盤接觸有效面積減少，即使在軸向力不變的情況下，止推瓦與推力盤間油膜壓力增大，油膜厚度變小，導致推力盤與推力瓦表面高點直接接觸，摩擦加劇，局部溫度迅速上升。一方面高溫使軸瓦襯層合金變軟，承載能力下降，另一方面高溫造成進入摩擦副的潤滑油黏度下降，油膜厚度變小，進一步加劇了金屬表面摩擦。瓦口刮修過度，加大了潤滑油的泄漏，實際流進入動壓油膜承載區的有效流量大幅減小，未經油膜承載區的潤滑油不能進行充分的熱交換，因此帶走的熱量也小。

圖5 準備進行刮修的軸瓦

圖6 損壞的軸瓦

3.2.4 推力盤推力面平直度和光潔度對軸承瓦溫的影響

動壓油膜很薄，如果推力瓦表面和推力盤表面粗糙度不能滿足最小油膜厚度要求，推力盤表面高點與推力瓦表面高點直接接觸，發生金屬間的摩擦，產生大量的熱量，軸承溫度會升高，嚴重時會發生燒瓦現象。設計時，最小油膜厚度hmin必須滿足：

式中：Rz1、Rz2分別為軸頸和軸承的表面粗糙度。

4 抑制措施

4.1 維持止推軸承形成穩定的流體潤滑的條件

1）日常維護主要是油溫、油壓、油量、油品清潔度，保證軸承安全穩定運行對潤滑油的要求。

2）定期檢查，修復推力盤表面，使其粗糙度、平直度滿足要求。

3）瓦塊的刮修不宜過度，要有利于潤滑油的進入，減少潤滑油的泄漏。

4.2 適當加大主推力瓦潤滑油流量

對現有潤滑管路進行處理，在不影響機組其他軸承潤滑油量的基礎上，適當減少進入止推力瓦潤滑油量，同時加大進入主推力軸承潤滑油量。在研究8號TRT主推瓦溫高原因時發現副推力瓦溫度很低，與推力軸承潤滑油回油溫度一致。透平機組推力瓦主推與副推潤滑油通道對稱布置，管道直徑一樣。實際在正常工作時因透平轉子進氣端氣體壓力高，轉子向排氣側靠近，副推力瓦與推力盤之間間隙大，基本形成不了動壓油膜，實際上在平衡軸向力方面不起作用。因此在止推瓦潤滑管路上做了處理，適當減少了進入副推力瓦潤滑油流量，同時加大主推力瓦進油量。經多次試驗，在保證機組其他部位潤滑條件基本不變的情況下，通過流量調整，主推力瓦溫度降低了約8℃。

4.3 對TRT機組轉子揚度重新調整

調整前透平機進氣側轉子軸頸揚度為1.3 mm/m，透平機排氣側轉子軸頸揚度為0.07 mm/m，發電機傳動側轉子軸頸揚度為0.05 mm/m，發電機自由側轉子軸頸揚度為0.56 mm/m，很明顯，透平機轉子向排氣車傾斜較大。調整后透平機進氣側轉子軸頸揚度為0.46 mm/m，透平機排氣側轉子軸頸揚度為0.14 mm/m，發電機傳動側轉子軸頸揚度為0.10 mm/m，發電機自由側轉子軸頸揚度為0.54 mm/m。通過調整，減少了透平機轉子自身質量的軸向分量，從而減小了止推軸承的承載力。

將發電機定子向透平機方向移動，減少因發電機帶載荷時磁力中心調整導致的發電機轉子軸向縮回而產生的拉透平機轉子對透平機轉子軸向位移的影響。

5 效果

通過技術攻關，采取以上措施后，止推軸承主推力瓦溫度從之前的90℃左右降至目前的74℃左右。即使在高爐頂壓處于峰值時，其溫度也未超過80℃，機組的運行穩定性得到很大的提升。

6 結論

1）主推瓦溫度與潤滑油的流量有關，進入滑動軸承軸瓦的潤滑油有效流量越大，其帶走的軸承熱量也多，軸承溫升就越低。

2）在轉速一定的條件下，推力瓦溫度與軸向負載有關，軸向負載大，推力瓦溫高。通過減小機組轉子軸向殘余力，有利于降低軸瓦溫升。

[1]鄭秀萍，孫標.干式TRT研制和應用[J].通用機械，2006（4）：11-13.

[2]聞邦椿.機械設計手冊第三冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]黃平，陳揚枝.止推軸承流體動壓潤滑失效分析[J].機械工程學報，2000（1）：96-100.

[4]徐灝.新編機械設計師手冊[M].北京：機械工業出版社，1995.