大型汽輪發電機組重載支持軸承自位能力及其影響因素分析

國家能源集團河北公司定州電廠 吳俊杰

1 情況簡介

大型汽輪機和發電機轉子的支持軸承通常采用可傾瓦、圓筒瓦、橢圓瓦等結構。圓筒瓦或橢圓瓦通過下瓦3～5塊軸瓦墊塊來支撐，軸瓦墊塊與支座之間的結合面為球面結構，能相對滑動，軸承具有自位能力。該類軸承負載大、穩定性好，但自位能力差，常用于質量重的低壓轉子和發電機轉子。

某火力發電公司N600-16.7/537/537汽輪機由上海汽輪機有限公司制造的亞臨界、中間再熱式、四缸四排汽、單軸、凝汽式，具有一次中間再熱、8段非調節抽汽、凝汽沖動式汽輪機、凝汽器為雙背壓、軸向布置。汽輪機的#1、#2、#3、#4瓦為可傾瓦，#5上半為圓柱形、下半為兩塊可傾瓦，#6、#7、#8軸承均為徑向圓柱形軸承，推力軸承為均衡式的推力軸承。2015年機組增容改造時將6、7、8號軸瓦重新澆筑耐高溫巴氏合金。（ZSnSb12Cu6Zn0.6Ag0.1），報警值由107℃調整至110℃，跳機值由113℃調整至130℃。并根據《機組改后汽輪發電機軸系中心調整方案溝通會》決定對對輪中心數據及軸瓦標準進行了優化，確定低低對輪下張口放大至0.34～0.35mm、圓差取0.60～0.62mm。

2號機汽輪機6號軸瓦為徑向圓筒瓦軸承，整個軸承裝有3塊墊塊，軸承體水平分成兩半。在墊塊與軸承體間裝有調整墊片，可以移動軸承位置，使轉子在汽缸內精確定位。在下半軸承體略低于水平中分面處裝有一止動銷，它伸到軸承座的一條槽內以防止軸承轉動。潤滑油通過軸承座與墊塊的通孔進入軸承，沿通道進入上半軸承體的進油槽。頂軸油在軸承體底部進入軸承，通過兩個菱形油囊均勻頂起轉子。軸承體下半前后裝有兩個熱電偶，用來測量顯示軸承烏金溫度。

汽輪機停機惰走至轉速353rpm 時，頂軸油壓18.18MPa、主機潤滑油溫38℃、潤滑油壓力0.186MPa、6號軸瓦軸承振動19.7μm、6號軸瓦軸承溫度101測點54.4℃、102測點58.5℃、6號軸瓦回油溫度41.4℃，隨后6號軸瓦軸承溫度102測點開始上升，101溫度測點無變化；汽機轉速207rpm，6號軸瓦軸承溫度101測點51.9℃，6號軸瓦軸承溫度102測點110℃報警，6號軸瓦回油溫度42.3℃；汽機轉速173rpm，頂軸油壓18.4MPa、主機潤滑油溫37.4℃、潤滑油壓力0.186MPa、6號軸瓦軸承振動15.38μm、6號軸瓦軸承溫度101測點51.6℃、6號軸瓦軸承溫度102測點134.8℃、6號軸瓦回油溫度42.1℃。

汽機轉速132rpm，頂軸油壓18.4MPa、主機潤滑油溫37.4℃、潤滑油壓力0.186MPa、6號軸瓦振動15.38μm、6號軸瓦軸承溫度101測點51.6℃、6號軸瓦軸承溫度102測點110℃、6號軸瓦回油溫度41.9℃；汽機轉速0rpm，頂軸油壓19.1MPa、主機潤滑油溫36.2℃、潤滑油壓力0.185MPa、6號軸瓦振動3.9μm、6號軸瓦軸承溫度101測點52.6℃、6號軸瓦軸承溫度102測點58.1℃、6號軸瓦回油溫度38.8℃。汽機惰走期間，軸向位移、高低壓脹差、軸封壓力、真空均正常。

6號軸瓦開始進行解體檢查，翻出軸承下半后發現電端巴氏合金部分被磨損，磨損部位長約450mm、寬約190mm，磨損位置與102溫度測點位置一致。

2 原因分析

低轉速惰走期間軸瓦烏金電端單側磨損可能原因如下：軸頸揚度發生變化，軸瓦修前、修后位置發生變化，導致軸瓦前后負荷不一致；瓦口間隙過小，導致軸承油楔形成困難；頂軸油管存在泄漏或堵塞，轉子頂起高度不足；軸頸表面光潔度不高，軸瓦研刮接觸情況不良，油膜形成不良；停機過程中，潤滑油及頂軸油壓力降低，造成軸瓦磨損；潤滑油、頂軸油中含有雜質，進入軸瓦中造成軸瓦烏金磨損；自位式圓筒型支持軸承自動調位能力差；瓦套間隙偏小，導致軸承在瓦套內實現自動調位過程中阻力大。以上涉及可能原因借助歷次檢修數據及現場檢查情況進行分析說明：

軸頸揚度變化導致軸瓦前后負荷不一致。軸承水平數據：#6軸頸揚度（mm/m）測量值0.305后揚，本次修前測量值，本次修后測量值0.26后揚?？梢钥闯?，軸頸揚度檢修修前修后數據變化不大，影響可忽略不計，所以該原因可排除；瓦口間隙過小，導致軸承油楔形成困難。由表1數據可看出，歷次瓦口間隙均在合格范圍內，該原因可以排除。

表1 瓦口間隙修前、修后測量值

頂軸油管存在泄漏或堵塞，轉子頂起高度不足：揭開上軸承箱蓋后啟動頂軸油系統已檢查頂軸油管分支，無泄漏情況，頂軸油管接頭盒管路經金屬檢測無裂紋等缺陷，頂軸油壓力正常，轉子頂起高低0.08mm 與修前數據一致，該原因排除；軸頸表面光潔度不高、軸瓦研刮接觸情況不良、油膜形成不良：通過追憶2020年檢修數據及影響資料，軸頸與烏金接觸良好、烏金無過度磨損，該原因排除。

頂軸油壓力、潤滑油壓力下降造成油膜形成不良，轉子與軸瓦烏金接觸：停機過程潤滑油壓在2400rpm 時有小幅波動，此情況為主油泵隨轉速下降出力降低，潤滑油泵頂開出口逆止門參與系統運行，對比歷次停機及1號機停機曲線，均在此轉速下有小幅波動，屬于正?，F象。頂軸油壓力在停機過程中，受軸封供汽溫度、低壓缸排汽溫度、真空等參數變化影響，18.8～17.9MPa 范圍內的小幅波動屬于正?，F象；潤滑油、頂軸油中含有雜質，進入軸瓦中造成軸瓦烏金磨損：潤滑油系統、頂軸油系統停運后，檢查清理潤滑油濾網、頂軸油濾網，未發現雜質。磨損的軸瓦烏金中也未發現其他雜質。潤滑油濾網壓差與尚自停機一致。

因此可以判斷，以上都不是此次6號軸瓦烏金磨損發生的原因。

軸瓦自動調位能力差：對比PI 系統6號軸瓦烏金101測點溫度（調端）、102測點溫度（電端），軸承溫度隨著機組深度調峰、啟停調峰發生變化，6號軸瓦前后兩側溫度差值由2℃升高至7℃，即軸瓦產生單邊受力較重的情況，軸瓦沒有及時調位。這直接導致軸瓦在低轉速惰走，油膜形成不良時溫度急劇上升。而相鄰的相同型式的重載7號軸瓦前后兩側溫度測點運行中溫差始終在2℃范圍內，幾次停機過程中軸瓦溫度無異常[1]。而且2號機6號軸承在2021年幾次停機過程中均有共性點（圖1）：102測點在停機惰走時溫度先上升后下降，與101測點最大溫差至15～16℃后下降。說明6號軸承初始處于傾斜狀態，在降轉速過程中存在自位調節過程使溫度最終一致。

圖1 102測點在停機惰走時溫度趨勢

6號軸瓦型式為自位式圓筒型支持軸承。球型墊鐵與瓦枕是軸瓦與軸承座之間的一種連接裝置，一般設備上的軸承沒有這種裝置，只有在轉子較長、為適應其旋轉出現的擾動才在軸瓦和軸承座之間增加一套能做微量調整的球形裝置，此種形式軸承的設計思路是：當轉子中心變化引起軸頸傾斜時，軸承可以隨之微量轉動、自動調位，使軸頸和軸瓦間的間隙在整個軸瓦長度內保持不變。但在實際運行過程中，由于轉子較重，軸承的自動調位能力受到的限制，容易造成軸瓦雙側溫度不一致的情況。機組在運行及轉速＞600rpm 惰走工況，油膜形成良好，軸瓦有足夠的潤滑劑冷卻，軸承溫度可控。隨著轉速降低到＜600rpm，油膜處于臨界狀體，油膜形成不穩定，軸瓦電端單側間隙過小，造成軸瓦烏金磨損、軸承溫度快速上升。

對比本次停機轉子惰走過程6號軸瓦與7號軸瓦轉子標高，7號軸瓦轉子標高隨著轉速下降轉子標高緩慢同步下降的趨勢，而6號軸瓦在733rpm 時轉子標高已發生急速下墜，說明此時油膜已形成不良。軸承自位發生傾斜，軸瓦與軸頸間沿軸向形成楔形間隙，造成部分泄壓，直接影響油膜厚度和頂軸效果。隨著轉速繼續下降，油膜厚度進一步減薄、軸瓦與軸頸干磨。

軸承套間隙偏小，導致軸承不能在瓦套內實現自動調位。對6號軸瓦修前數據測量時發現軸承套間隙偏?。嘿|量標準（mm）0.20～0.30，測量值0.22，本次測量值0.22、0.27。軸承套間隙過小，使運行當中軸承套承受較多的熱膨脹緊力，軸承在隨著轉子形態變化進行自位調解時受阻力較大，最終使軸頸與軸瓦單側間隙過小，受力不均勻，導致軸瓦單側溫度快速上升[2]。2號機組2021年停機次數較多，每次機組啟停都是重載自位軸承寬幅度的調節過程，同時每一次的深度調峰也會使6號軸承自位調節幅度擴大，頻繁的深度調峰、啟停調峰造成6號軸瓦球面墊鐵磨損、自位能力進一步減弱；而軸承套間隙偏小使6號軸瓦發生無法自位的概率增大。

3 處理方案及后續措施

軸徑打磨拋光處理。對6號軸瓦軸頸處使用金相砂紙進行打磨拋光，保持與軸瓦烏金的良好接觸；軸瓦烏金的處理。經檢查，6號軸瓦下瓦烏金磨損最為電端單側、調端烏金未磨損，軸瓦烏金磨損部位較輕、無需補焊，對磨損部位及周邊烏金進行修刮去除多余烏金。研瓦最初采用的是將軸瓦落在軸頸上，然后擺動軸瓦，吊起后檢查軸瓦烏金與軸頸的接觸點情況。刮掉接觸較重的點后再次與軸對研，直至接觸點均勻。當接觸點均勻后將軸瓦回裝到工作位置。此時軸瓦不接通頂軸油和潤滑油。盤車1～2圈后，翻出下瓦再次查看軸瓦烏金的接觸情況。再進行精研，直到在接觸角度45°內接觸均勻為止。

軸瓦墊鐵的處理。將瓦枕與軸瓦墊鐵接觸位置使用金相砂紙拋光，軸瓦墊鐵去除高點、毛刺，滑入下軸承時軸瓦墊鐵澆潤滑油增加潤滑，下軸承就位后使用塞尺測量軸承墊鐵與瓦枕間隙，0.03mm塞尺不入；套間隙調整。將6號軸瓦上半球面墊鐵拆除，去除0.05mm 墊片，增大軸承套間隙，復測軸承套間隙與預期一致；頂軸油管檢查清理。揭開軸承箱蓋，啟動頂軸油系統，檢查6號軸瓦頂軸油分支有無泄漏情況，軸頸架表，記錄轉子頂起高度與修前數據一致，頂軸油壓力正常。拆除頂軸油管，對接頭、油管進行金屬檢測，對頂軸油口清理、壓縮空氣吹掃后進行回裝，正式扣軸承箱蓋之前啟動頂軸油系統，再次檢查頂軸油管路。

頂軸油壓力調整。頂軸油系統的作用是使用高壓油頂起轉子，轉子與軸瓦之間有一定厚度的油膜，油膜保持轉子處于浮動狀態，用于減小盤車阻力。一般要求在轉子靜止狀態下，頂軸油壓調整至軸頸抬升0.05～0.10mm。在機組啟動沖車時，頂軸油的使轉子在低轉速時易于形成穩定油膜，對轉子在低速下保持軸瓦溫度穩定非常有利。軸承傾斜會影響頂軸油壓的建立。當轉速降低時油膜厚度越來越薄，此時若軸承自位不暢而有傾斜，軸瓦與軸頸間沿軸向形成楔形間隙造成部分泄壓，影響頂軸效果。直接反映軸承前后溫度測存在偏差。需要及時調整提高頂軸油壓力，確保在軸承稍有傾斜時仍能頂起轉子，建立油膜，防止軸瓦與軸頸干摩。

綜上，重載徑向圓筒瓦軸承的自位能力有多種影響因素，關鍵點在于軸承球面與球面座的加工質量、軸承安裝質量、潤滑油的清潔度、軸承座及軸承變形等。軸承自位能力變弱會引起軸承振動偏大，瓦溫升高偏載，嚴重時會出現燒瓦事故。因此，在設計上要增強汽缸及軸承座的剛度，減少變形；加工上要提高軸承球面及球面座的加工質量，保證表面粗糙度，安裝上要證軸承球面與球面座的接觸度以及潤滑油的清潔度；在機組運行中應防止排汽溫度、軸封供汽溫度以及凝汽器真空等參數的突變。通過抬軸試驗調整軸承頂軸油壓來減輕軸承自位能力差所帶來的不利影響。