汽輪機橢圓支持軸承自位能力檢測方法探討

魏應強

(東方汽輪機有限公司， 四川德陽 618000)

橢圓支持軸承常用于300 MW及以上大型汽輪機低壓轉子徑向支撐。軸承瓦體與瓦套之間為球面間隙配合，在汽輪機運行時可按轉子的撓度及傾斜程度而自動調整定位，使軸頸與軸瓦之間接觸良好，軸承處于較好的潤滑工作狀態[1]。橢圓軸承對軸頸的傾斜和軸承載荷變化較為敏感，可根據軸頸傾斜進行自位，對于保障汽輪機運行時軸承瓦溫正常、機組軸系振動良好等十分重要。

橢圓支持軸承的瓦體球面自位能力失效是轉子與軸承接觸部位油膜厚度不均勻的主要原因，因此測量軸承瓦體與軸承瓦套球面配合力矩十分必要。汽輪機在制造廠裝配及電廠復裝時，更注重軸承間隙的測量、軸承墊塊外圓接觸的修刮及軸頸與瓦體接觸的檢查，而忽略橢圓軸承的自位能力檢驗。筆者對橢圓支持軸承球面配合力矩測量進行介紹，有利于對該類型軸承自位能力進行驗證。

1 橢圓軸承結構及裝配要求

1.1 橢圓軸承結構

圖1為一種常見的橢圓支持軸承結構圖。

圖1 橢圓支持軸承結構

支撐軸頸的瓦體內孔為近似橢圓形孔；瓦體與瓦套為球面間隙配合，瓦體可沿球面底部中心進行全周擺動；瓦套通過緊固螺栓將軸承整體固定于軸承箱內[2]。該軸承結構能夠保證汽輪機運行轉速所要求的支撐穩定性。

圖2為大型汽輪機橢圓推力軸承常見的一種結構，自位原理與橢圓支持軸承類似，瓦套與瓦體為球面配合，可根據機組運行時推力盤傾斜程度而自動調整瓦體位置，使推力瓦與推力盤保持平行，軸向受載均勻。

圖2 自位橢圓推力軸承結構

1.2 橢圓軸承裝配要求

以橢圓支持軸承為例，介紹該類型球面配合軸承安裝要求。根據上述自位橢圓支持軸承結構介紹，該類型球面配合軸承主要安裝技術要求如下：

(1) 通過修刮軸承瓦套墊塊外圓，使墊塊外圓與軸承座的均勻接觸面積在兩者正下方90°圓周范圍內達90%以上，側面達80%以上。

(2) 通過調整軸承瓦套右側中分面墊片，使軸承瓦套與軸承瓦體球面間隙滿足設計值。

(3) 著色檢查瓦套與瓦體的球面接觸，要求在兩者下方130°圓周范圍內接觸面積應大于85%；側面上下各25°圓周范圍內接觸面積不大于30%，且不得有局部硬接觸。

(4) 瓦體中分面螺栓、瓦套中分面螺栓嚴格按照設計力矩進行緊固。

(5) 測量瓦套與瓦體的球面配合力矩，滿足設計值。

2 橢圓支持軸承自位能力檢測

2.1 自位能力現狀

1 000 MW機組汽輪機運行中，轉子橢圓支持軸承常出現同一瓦塊瓦溫沿軸向不均勻分布。3處測點溫差較大(見圖3)，影響機組正常運行。汽輪機低壓轉子質量可達80 t，若支持軸承瓦體與瓦套球面配合力矩超過設計值，將導致機組運行時瓦體無法按轉子的撓度及傾斜程度自位，使軸頸與軸瓦之間油膜厚度沿軸向成不均勻分布，促使最高油膜壓力向油膜薄的方向移動，產生更多熱量，最終形成溫度一側高一側低的現象[3]。

圖3 瓦體測溫點布置

2.2 自位能力原理

空載時橢圓支持軸承進行自位動作要克服的主要是軸承瓦體與軸承瓦套間的球面摩擦阻力(見圖4)。

圖4 軸承空載受力分析

瓦體與瓦套間的球面配合力矩M可由下式計算。

M=FG·μ·r

(1)

式中：FG為軸承瓦體所受重力；μ為球面接觸摩擦因數；r為球面半徑。

以某1 000 MW機組汽輪機支持軸承為例，瓦體質量為2 030 kg，球面半徑為0.527 m，μ常取0.1～0.3，可求出M為1 048～3 145 N·m。

機組運行時，橢圓支持軸承被施加正常載荷(軸承靜載荷+轉子振動沖擊等附加載荷)，當施加的載荷產生傾斜時臨界狀態為：軸頸與瓦體之間產生傾角α，并通過A、B點傳遞載荷扭矩，瓦體與瓦套將最先以B點為基點進行自位動作，具體見圖5。

圖5 軸承正常載荷時受力分析

B點切向力F1為：

F1=F·sinθ

(2)

式中：F為軸承被施加的力；θ為OB與軸承垂直中心線夾角。

球面接觸摩擦力f為：

f=F2·μ=F·cosθ·μ

(3)

式中：F2為B點的法向力。

當F1>f時，球面能夠自位動作[4]。

2.3 自位能力檢測方法

空載狀態下橢圓支持軸承的自位能力可以通過測量軸承的球面配合力矩檢測，測量橢圓支持軸承球面配合力矩方法見圖6(該方法同樣適用于橢圓推力軸承)。測量前的準備工作為：軸承墊塊外圓與軸承箱洼窩接觸合格，軸承瓦體與瓦套球面配合間隙合格且球面接觸合格，按設計力矩緊固各連接螺栓。

圖6 球面力矩測定工具

在軸承瓦套頂部安裝百分表，表針指向軸承瓦體；在力矩測定杠桿下部安裝電子測力計、液壓千斤頂。用千斤頂頂起力矩測定杠桿，在軸承瓦體球面發生相對位移的瞬間，即百分表動作的瞬間記錄電子測力計讀數P，則M=P×L(L為測力計中心與軸承中心軸向距離)。

該測量工具結構簡單、安裝方便，且施力面為軸承端面，能保護軸承內孔巴氏合金面。

通過測定軸承瓦體與瓦套相互動作所需的最小彎矩，與設計值比較，確認瓦體與瓦套之間的球面摩擦阻力產生的力矩滿足要求。汽輪機運行時，在軸承上施加正常載荷，軸承也能良好自位。

在實際測量時，經常出現球面配合力矩超過設計上限，橢圓支持軸承自位能力不良或失效主要因素分為：(1)瓦套與瓦體球面接觸的摩擦阻力超差；(2)瓦套與瓦體之間附加有多余機械阻力。

檢查軸承裝配情況，發現球面配合力矩超差的原因為：(1)瓦套與瓦體左右側面上下各25°圓周范圍的接觸面積大于30%，具體見圖7，即摩擦阻力超差；(2)瓦套肩胛與軸承箱中分面呈懸空狀態，瓦套左右中分面螺栓按照設計力矩緊固后，瓦套中分面變形過大，且變形不均勻，導致瓦套中分面位置向內孔收縮，與瓦體球面抱死(見圖8)，即兩者間存在多余機械阻力。

圖7 力矩超差原因示意圖

圖8 軸承瓦套變形示意圖

根據上述原因，制定的相應措施為：(1)研磨瓦體與瓦套左右側面上下各25°圓周范圍的接觸面積至小于30%或無接觸；(2)在瓦套與軸承箱中分面配合位置增加調整墊塊，控制軸承瓦套緊固變形，消除多余機械阻力。

實施上述措施后，重新進行球面配合力矩測量，加載力矩至設計范圍，瓦體與瓦套球面發生轉動，兩者球面接觸的摩擦阻力合格。

3 橢圓支持軸承裝配改進

通過橢圓支持軸承球面配合力矩實際測量的經驗累積，結合電廠投運機組情況反饋。針對某示范核電項目汽輪機組，其低壓缸轉子質量達250 t，對支持軸承要求更高，為防止電廠運行時出現瓦溫不均情況，在原自位橢圓支持軸承裝配結構基礎上，進行圖9所示的改進：

(1) 在瓦套與軸承箱中分面配合處，增加調整墊塊，根據實測瓦套與軸承箱中分面距離，按0.03～0.05 mm間隙配制調整墊塊。在緊固連接螺栓時，控制瓦套變形在0.05 mm以內，解決瓦套瓦體抱死問題。

(2) 將上下半軸承瓦體兩側瓦體分割，形成獨立部件。通過調整小瓦體與原瓦體之間的調整墊片，控制軸承瓦體與軸承瓦套左右側面上下各25°圓周范圍內的接觸面積小于30%，且不得有局部硬接觸，解決球面摩擦阻力超差問題。

圖9 軸承結構優化示意圖

4 結語

通過對自位橢圓支持軸承結構及自位能力的分析，結合軸承球面配合力矩的實際測量，可以得出以下結論：

(1) 在進行該類型軸承(含類似結構推力軸承)安裝時，進行球面配合力矩測量可以很好地檢測橢圓軸承空載時的自位能力。

(2) 針對已投運機組的相同因素導致的軸承瓦溫不均情況，可以按筆者提出的改進措施進行軸承結構優化。

(3) 軸承空載時的自位能力檢測對于正常載荷下的軸承自位能力具有良好反饋作用，而對于軸承施加正常載荷下的自位能力要探索進一步的檢測方法。