大型汽轮发电机组重载支持轴承自位能力及其影响因素分析

国家能源集团河北公司定州电厂 吴俊杰

1 情况简介

大型汽轮机和发电机转子的支持轴承通常采用可倾瓦、圆筒瓦、椭圆瓦等结构。圆筒瓦或椭圆瓦通过下瓦3～5块轴瓦垫块来支撑，轴瓦垫块与支座之间的结合面为球面结构，能相对滑动，轴承具有自位能力。该类轴承负载大、稳定性好，但自位能力差，常用于质量重的低压转子和发电机转子。

某火力发电公司N600-16.7/537/537汽轮机由上海汽轮机有限公司制造的亚临界、中间再热式、四缸四排汽、单轴、凝汽式，具有一次中间再热、8段非调节抽汽、凝汽冲动式汽轮机、凝汽器为双背压、轴向布置。汽轮机的#1、#2、#3、#4瓦为可倾瓦，#5上半为圆柱形、下半为两块可倾瓦，#6、#7、#8轴承均为径向圆柱形轴承，推力轴承为均衡式的推力轴承。2015年机组增容改造时将6、7、8号轴瓦重新浇筑耐高温巴氏合金。（ZSnSb12Cu6Zn0.6Ag0.1），报警值由107℃调整至110℃，跳机值由113℃调整至130℃。并根据《机组改后汽轮发电机轴系中心调整方案沟通会》决定对对轮中心数据及轴瓦标准进行了优化，确定低低对轮下张口放大至0.34～0.35mm、圆差取0.60～0.62mm。

2号机汽轮机6号轴瓦为径向圆筒瓦轴承，整个轴承装有3块垫块，轴承体水平分成两半。在垫块与轴承体间装有调整垫片，可以移动轴承位置，使转子在汽缸内精确定位。在下半轴承体略低于水平中分面处装有一止动销，它伸到轴承座的一条槽内以防止轴承转动。润滑油通过轴承座与垫块的通孔进入轴承，沿通道进入上半轴承体的进油槽。顶轴油在轴承体底部进入轴承，通过两个菱形油囊均匀顶起转子。轴承体下半前后装有两个热电偶，用来测量显示轴承乌金温度。

汽轮机停机惰走至转速353rpm 时，顶轴油压18.18MPa、主机润滑油温38℃、润滑油压力0.186MPa、6号轴瓦轴承振动19.7μm、6号轴瓦轴承温度101测点54.4℃、102测点58.5℃、6号轴瓦回油温度41.4℃，随后6号轴瓦轴承温度102测点开始上升，101温度测点无变化；汽机转速207rpm，6号轴瓦轴承温度101测点51.9℃，6号轴瓦轴承温度102测点110℃报警，6号轴瓦回油温度42.3℃；汽机转速173rpm，顶轴油压18.4MPa、主机润滑油温37.4℃、润滑油压力0.186MPa、6号轴瓦轴承振动15.38μm、6号轴瓦轴承温度101测点51.6℃、6号轴瓦轴承温度102测点134.8℃、6号轴瓦回油温度42.1℃。

汽机转速132rpm，顶轴油压18.4MPa、主机润滑油温37.4℃、润滑油压力0.186MPa、6号轴瓦振动15.38μm、6号轴瓦轴承温度101测点51.6℃、6号轴瓦轴承温度102测点110℃、6号轴瓦回油温度41.9℃；汽机转速0rpm，顶轴油压19.1MPa、主机润滑油温36.2℃、润滑油压力0.185MPa、6号轴瓦振动3.9μm、6号轴瓦轴承温度101测点52.6℃、6号轴瓦轴承温度102测点58.1℃、6号轴瓦回油温度38.8℃。汽机惰走期间，轴向位移、高低压胀差、轴封压力、真空均正常。

6号轴瓦开始进行解体检查，翻出轴承下半后发现电端巴氏合金部分被磨损，磨损部位长约450mm、宽约190mm，磨损位置与102温度测点位置一致。

2 原因分析

低转速惰走期间轴瓦乌金电端单侧磨损可能原因如下：轴颈扬度发生变化，轴瓦修前、修后位置发生变化，导致轴瓦前后负荷不一致；瓦口间隙过小，导致轴承油楔形成困难；顶轴油管存在泄漏或堵塞，转子顶起高度不足；轴颈表面光洁度不高，轴瓦研刮接触情况不良，油膜形成不良；停机过程中，润滑油及顶轴油压力降低，造成轴瓦磨损；润滑油、顶轴油中含有杂质，进入轴瓦中造成轴瓦乌金磨损；自位式圆筒型支持轴承自动调位能力差；瓦套间隙偏小，导致轴承在瓦套内实现自动调位过程中阻力大。以上涉及可能原因借助历次检修数据及现场检查情况进行分析说明：

轴颈扬度变化导致轴瓦前后负荷不一致。轴承水平数据：#6轴颈扬度（mm/m）测量值0.305后扬，本次修前测量值，本次修后测量值0.26后扬。可以看出，轴颈扬度检修修前修后数据变化不大，影响可忽略不计，所以该原因可排除；瓦口间隙过小，导致轴承油楔形成困难。由表1数据可看出，历次瓦口间隙均在合格范围内，该原因可以排除。

表1 瓦口间隙修前、修后测量值

顶轴油管存在泄漏或堵塞，转子顶起高度不足：揭开上轴承箱盖后启动顶轴油系统已检查顶轴油管分支，无泄漏情况，顶轴油管接头盒管路经金属检测无裂纹等缺陷，顶轴油压力正常，转子顶起高低0.08mm 与修前数据一致，该原因排除；轴颈表面光洁度不高、轴瓦研刮接触情况不良、油膜形成不良：通过追忆2020年检修数据及影响资料，轴颈与乌金接触良好、乌金无过度磨损，该原因排除。

顶轴油压力、润滑油压力下降造成油膜形成不良，转子与轴瓦乌金接触：停机过程润滑油压在2400rpm 时有小幅波动，此情况为主油泵随转速下降出力降低，润滑油泵顶开出口逆止门参与系统运行，对比历次停机及1号机停机曲线，均在此转速下有小幅波动，属于正常现象。顶轴油压力在停机过程中，受轴封供汽温度、低压缸排汽温度、真空等参数变化影响，18.8～17.9MPa 范围内的小幅波动属于正常现象；润滑油、顶轴油中含有杂质，进入轴瓦中造成轴瓦乌金磨损：润滑油系统、顶轴油系统停运后，检查清理润滑油滤网、顶轴油滤网，未发现杂质。磨损的轴瓦乌金中也未发现其他杂质。润滑油滤网压差与尚自停机一致。

因此可以判断，以上都不是此次6号轴瓦乌金磨损发生的原因。

轴瓦自动调位能力差：对比PI 系统6号轴瓦乌金101测点温度（调端）、102测点温度（电端），轴承温度随着机组深度调峰、启停调峰发生变化，6号轴瓦前后两侧温度差值由2℃升高至7℃，即轴瓦产生单边受力较重的情况，轴瓦没有及时调位。这直接导致轴瓦在低转速惰走，油膜形成不良时温度急剧上升。而相邻的相同型式的重载7号轴瓦前后两侧温度测点运行中温差始终在2℃范围内，几次停机过程中轴瓦温度无异常[1]。而且2号机6号轴承在2021年几次停机过程中均有共性点（图1）：102测点在停机惰走时温度先上升后下降，与101测点最大温差至15～16℃后下降。说明6号轴承初始处于倾斜状态，在降转速过程中存在自位调节过程使温度最终一致。

图1 102测点在停机惰走时温度趋势

6号轴瓦型式为自位式圆筒型支持轴承。球型垫铁与瓦枕是轴瓦与轴承座之间的一种连接装置，一般设备上的轴承没有这种装置，只有在转子较长、为适应其旋转出现的扰动才在轴瓦和轴承座之间增加一套能做微量调整的球形装置，此种形式轴承的设计思路是：当转子中心变化引起轴颈倾斜时，轴承可以随之微量转动、自动调位，使轴颈和轴瓦间的间隙在整个轴瓦长度内保持不变。但在实际运行过程中，由于转子较重，轴承的自动调位能力受到的限制，容易造成轴瓦双侧温度不一致的情况。机组在运行及转速＞600rpm 惰走工况，油膜形成良好，轴瓦有足够的润滑剂冷却，轴承温度可控。随着转速降低到＜600rpm，油膜处于临界状体，油膜形成不稳定，轴瓦电端单侧间隙过小，造成轴瓦乌金磨损、轴承温度快速上升。

对比本次停机转子惰走过程6号轴瓦与7号轴瓦转子标高，7号轴瓦转子标高随着转速下降转子标高缓慢同步下降的趋势，而6号轴瓦在733rpm 时转子标高已发生急速下坠，说明此时油膜已形成不良。轴承自位发生倾斜，轴瓦与轴颈间沿轴向形成楔形间隙，造成部分泄压，直接影响油膜厚度和顶轴效果。随着转速继续下降，油膜厚度进一步减薄、轴瓦与轴颈干磨。

轴承套间隙偏小，导致轴承不能在瓦套内实现自动调位。对6号轴瓦修前数据测量时发现轴承套间隙偏小：质量标准（mm）0.20～0.30，测量值0.22，本次测量值0.22、0.27。轴承套间隙过小，使运行当中轴承套承受较多的热膨胀紧力，轴承在随着转子形态变化进行自位调解时受阻力较大，最终使轴颈与轴瓦单侧间隙过小，受力不均匀，导致轴瓦单侧温度快速上升[2]。2号机组2021年停机次数较多，每次机组启停都是重载自位轴承宽幅度的调节过程，同时每一次的深度调峰也会使6号轴承自位调节幅度扩大，频繁的深度调峰、启停调峰造成6号轴瓦球面垫铁磨损、自位能力进一步减弱；而轴承套间隙偏小使6号轴瓦发生无法自位的概率增大。

3 处理方案及后续措施

轴径打磨抛光处理。对6号轴瓦轴颈处使用金相砂纸进行打磨抛光，保持与轴瓦乌金的良好接触；轴瓦乌金的处理。经检查，6号轴瓦下瓦乌金磨损最为电端单侧、调端乌金未磨损，轴瓦乌金磨损部位较轻、无需补焊，对磨损部位及周边乌金进行修刮去除多余乌金。研瓦最初采用的是将轴瓦落在轴颈上，然后摆动轴瓦，吊起后检查轴瓦乌金与轴颈的接触点情况。刮掉接触较重的点后再次与轴对研，直至接触点均匀。当接触点均匀后将轴瓦回装到工作位置。此时轴瓦不接通顶轴油和润滑油。盘车1～2圈后，翻出下瓦再次查看轴瓦乌金的接触情况。再进行精研，直到在接触角度45°内接触均匀为止。

轴瓦垫铁的处理。将瓦枕与轴瓦垫铁接触位置使用金相砂纸抛光，轴瓦垫铁去除高点、毛刺，滑入下轴承时轴瓦垫铁浇润滑油增加润滑，下轴承就位后使用塞尺测量轴承垫铁与瓦枕间隙，0.03mm塞尺不入；套间隙调整。将6号轴瓦上半球面垫铁拆除，去除0.05mm 垫片，增大轴承套间隙，复测轴承套间隙与预期一致；顶轴油管检查清理。揭开轴承箱盖，启动顶轴油系统，检查6号轴瓦顶轴油分支有无泄漏情况，轴颈架表，记录转子顶起高度与修前数据一致，顶轴油压力正常。拆除顶轴油管，对接头、油管进行金属检测，对顶轴油口清理、压缩空气吹扫后进行回装，正式扣轴承箱盖之前启动顶轴油系统，再次检查顶轴油管路。

顶轴油压力调整。顶轴油系统的作用是使用高压油顶起转子，转子与轴瓦之间有一定厚度的油膜，油膜保持转子处于浮动状态，用于减小盘车阻力。一般要求在转子静止状态下，顶轴油压调整至轴颈抬升0.05～0.10mm。在机组启动冲车时，顶轴油的使转子在低转速时易于形成稳定油膜，对转子在低速下保持轴瓦温度稳定非常有利。轴承倾斜会影响顶轴油压的建立。当转速降低时油膜厚度越来越薄，此时若轴承自位不畅而有倾斜，轴瓦与轴颈间沿轴向形成楔形间隙造成部分泄压，影响顶轴效果。直接反映轴承前后温度测存在偏差。需要及时调整提高顶轴油压力，确保在轴承稍有倾斜时仍能顶起转子，建立油膜，防止轴瓦与轴颈干摩。

综上，重载径向圆筒瓦轴承的自位能力有多种影响因素，关键点在于轴承球面与球面座的加工质量、轴承安装质量、润滑油的清洁度、轴承座及轴承变形等。轴承自位能力变弱会引起轴承振动偏大，瓦温升高偏载，严重时会出现烧瓦事故。因此，在设计上要增强汽缸及轴承座的刚度，减少变形；加工上要提高轴承球面及球面座的加工质量，保证表面粗糙度，安装上要证轴承球面与球面座的接触度以及润滑油的清洁度；在机组运行中应防止排汽温度、轴封供汽温度以及凝汽器真空等参数的突变。通过抬轴试验调整轴承顶轴油压来减轻轴承自位能力差所带来的不利影响。