轴承运行环境对其性能的影响

何国安,张卫军,王延博,张学延

(西安热工研究院有限公司,西安710032)

径向滑动轴承作为汽轮发电机组的支承部件,承受着转子本身的重量及其所产生的各种激振力,其性能参数直接影响整个轴系的动力学行为.随着汽轮发电机组向高参数和大容量的方向发展,支承滑动轴承的工况也日益恶化,人们对轴承性能的研究及其可靠性分析更加重视与关注.

在过去几十年里,国内外汽轮发电机组曾多次发生油膜失稳或油膜振荡的情况,并由此引发事故,造成巨大的经济损失,因此,径向滑动轴承的性能计算与分析一直受到高度重视,许多学者对各种计算软件和分析方法[1-5]进行了研究.但目前在设计和选型过程中,轴承都是作为一个模型或零部件进行性能计算和试验的,无法精确考虑到其他影响.实际上,轴承作为支承部件,与汽轮发电机组这个庞杂系统的其他单元是相互耦合和关联的,再加上后续的制造、安装、运行和维修给轴承结构参数尤其是动力学参数所带来的变化,以及环境所施加的影响,导致许多支承轴承尽管在设计和制造过程中经过了反复校核计算和试验,但安装到实际机组上却往往不能安全与稳定地运行.因此,现场常常需要采取临时和简单可靠的措施对轴承的运行环境进行调整,以确保设备的安全运行.但是,该操作目前尚未有一套比较成熟和完整的理论或方法来指导.当现场出现轴承故障时,相关操作人员一般只能凭借经验来优化轴承运行环境,有时需要多次尝试和试验才能达到满意的效果,往往造成巨大的经济损失和资源浪费.针对现场常见的轴承故障,笔者采用数值计算方法系统地分析了轴承运行环境的变化对其性能的影响,并给出了工程实例,为现场轴承的运行和检修提供参考.

1 轴承的运行环境

轴承运行环境主要包括转子的转速、支承的载荷、润滑油的进油温度、压力及流量等,对不同机组或在不同工况下,现场对轴承运行环境的要求都不一样.对汽轮发电机组,其转速和轴承润滑油型号是一定的,通常能改变的就是轴承的进油温度和流量,以及通过调整标高来改变轴承载荷.因此,针对汽轮发电机组支承轴承的常见故障(轴承稳定性裕度不足和轴承温度超标),通常采用对润滑油系统和轴系标高进行调整与控制的方法来改善和优化现场轴承的运行环境.

2 轴系标高对轴承性能的影响

大型汽轮发电机组的轴系支承在多个滑动轴承上,属于静不定连续梁问题,这种结构的载荷分配主要受各轴承安装标高的影响.现场经常发生由于轴系标高不当,导致某些轴承载荷过轻,进而造成其稳定性裕度不足,引起低频振动;而另一些轴承的载荷过重,导致其润滑油温过高,甚至发生烧瓦.但并非所有轴承稳定性裕度不足或轴承温度偏高的问题一定是轴系安装标高不当引起的,而且轴系各轴承标高的变化对轴系载荷分配的影响程度有很大差别.

2.1 数值分析结果

现以某引进西屋公司技术生产的300 M W 机组为例(轴系见图1,相关轴系参数见表1),采用传递矩阵法分析各轴承标高变化对载荷分配的影响.从表2的计算结果可看出:①由于各轴承对支撑载荷的贡献率不一样,导致各轴承标高的变化对轴系动力学特性的影响程度也不同,因此,现场常常出现某些机组的某一轴承安装标高存在较大偏差,其轴系振动却正常,而某些机组的某一轴承标高稍有偏差,其轴系振动就出现明显改变;②端部轴承标高变化对载荷分配的影响很小,而中间轴承标高变化对载荷分配的影响相对较大,事实上,许多大型机组受进汽方式或补汽门开启等影响,如1 号轴承出现稳定性裕度不足,但笔者查找了大量的国内外相关文献得知:目前还没有通过轴系标高调整来解决此类故障的案例,大多只能在一定程度上缓解该振动故障;③当联轴器两侧转子质量相差越大时,较小转子的支撑轴承载荷受标高的影响就越明显.

2.2 案例

某电厂1 号汽轮发电机组为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司和哈尔滨电机厂有限责任公司制造的引进型300 MW 机组,采用N300-16.7/537/537 型亚临界、中间再热、单轴、两缸、两排汽凝汽式汽轮机,配以QFSN-300-2 型汽轮发电机.自该机组投产以来发现:在200 MW 稳定负荷工况下,当进汽方式由单阀切换为顺序阀后,1 号轴承处相对轴振迅速攀升,其中1Y 相对轴振幅值上升至135 μm 左右(图2).从振动的频率成分可看出,引起1 号轴承处相对轴振波动的原因是转子在汽流扰动力的作用下发生失稳而产生半频振动引起的.在2008年4—5月的机组大修中,在轴系设计标高的基础上,曾把1号轴承座标高抬高了0.05 mm ,检修后启动发现,1号轴承的稳定性没有得到明显改善.

表1 引进型300 MW机组的轴系相关参数Tab.1 The shaft system parameters of imported 300 MW unit

图1 轴系示意图Fig.1 Unit' s shafting diagram

表2 引进型300 MW机组各轴承载荷与标高的关系Tab.2 Relation between bearing load and elevation of imported 300 MW unit

图2 1Y 相对轴振趋势Fig.2 The trend of relative shaft vibration for 1Y

因此,考虑到1 号轴承标高的调整对轴系载荷分配的影响有限,目前许多大型机组的1 号轴承受运行方式等影响而导致失稳时,一般均通过对轴承进行修刮或改型方法进行彻底解决.例如GE 公司生产的某PG9315FA 型燃气轮机新机启动后发现,1 号轴承稳定性裕度不足,多次对其标高进行调整,其中1 号轴承的标高最大抬高了0.13 mm,但其低频振动仍然较大,最后将下瓦两边各减少20 mm 的轴瓦工作面宽度,才彻底解决低频振动问题.

3 润滑油系统对轴承性能的影响

润滑油系统的调节和控制在很大程度上决定了轴承的运行环境,但是对汽轮发电机组的支承轴承进行现场运行或检修时能调整或便于调整的供油参数只有进油温度和流量.因此,分析润滑油的进油温度和流量对轴承工作温度和稳定性的影响具有重要的工程意义.

本文采用有限元法求解Reynolds 方程,应用Reynolds 边界条件进行计算,并分析了在不同轴承比压下,润滑油的进油温度和流量对轴承工作温度和稳定性的影响,结果示于图3.需特别说明的是:目前对固定瓦径向滑动轴承稳定性判别时,先根据轴承特性的4 个刚度系数K 和4 个阻尼系数C 求得反映油膜综合刚度的相对值(相当刚度Keg)、反映油膜中涡动因素对阻尼因素的相对比例关系(涡动比γ2st),然后采用油膜的相当刚度与涡动比的商值(临界失稳转速Ωst)来表征轴承的稳定性,其计算方法为:

式中:Kxx、Kyy为一般刚度系数;Kxy、Kyx为交叉刚度系数;Cxx、Cyy为一般阻尼系数;Cxy、Cyx为交叉阻尼系数.

图3(a)给出了在不同进油温度T0下,不同轴承比压pm对应的涡动比γ2st值.从目前大型汽轮发电机组的轴承设计比压看,其涡动比γ2st大多趋于0,使的微小计算误差将易导致临界失稳转速Ωst的大幅波动,无法定量表征轴承的稳定性好坏.因此,采用相当刚度Keq来表征轴承稳定性,对判定目前大型汽轮发电机组的轴承稳定性更为准确与合理.

3.1 数值分析结果

以某椭圆轴承(直径为420 mm ,长径比为0.7,椭圆度为0.5,侧隙比为2.02‰)为例,分析了在不同轴承比压下,润滑油的进油温度T0对轴承相当刚度Keq、流量Q 和温升ΔT 的影响,计算结果如图3(b)～图3(d)所示.从图3可看出:①进油温度越高,轴承的稳定性越好,且比压大的轴承稳定性受进油温度影响更为明显;②进油温度越高,润滑油流量越大,但比压大的轴承润滑流量受进油温度影响相对较小;③当润滑油流量足够时,进油温度越高,润滑油温升越小,但由于润滑油流量不同,不同比压的轴承温升差别不大,因此当现场轴承出现回油温度突然升高时,往往不是轴承载荷过重,而是由于润滑油流量不足所造成的.

图3 轴承性能参数随进油温度变化的曲线Fig.3 Journal bearing' s performance parameters vs.inlet oil tem perature

3.2 案例

某电厂3 号汽轮发电机组为中国长江动力公司生产的50 M W 空冷机组,汽轮机为C50-8.82/0.294型高压、单缸、单抽汽、凝汽式汽轮机,配以QF-60-2 型发电机.该机组自2007年8月大修后,3号轴承(发电机前轴承)稳定性裕度不足,出现较大的低频振动.由于检修工期有限,因此决定把润滑油温度从37 ℃提高到42 ℃,结果表明:随着润滑油温度的升高,轴承的半频振动大幅降低,使其振动基本达到合格水平(图4).

某电厂2 号汽轮发电机组为东方汽轮机有限公司和东方电机有限公司制造的600 M W 机组,采用N600-16.7/538/538-1 型亚临界、中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、凝汽式汽轮机,配以DH-600-G 型水氢氢冷却方式的发电机.2009年7月,该机组大修后首次启动至2 000 r/min 时,6 号轴承(低压B 转子的后轴承)的瓦温偏高,随后手动紧急停机,但6 号轴承瓦温仍继续攀升,当转速降至1 610 r/min 时,该轴承瓦温达到最高(图5).随后,对其进行翻瓦检查,6 号轴承的下瓦中部发黑,大修记录表明:6 号轴承标高比大修前低了0.05 mm ,但基于轴承比压对轴承温度影响有限的考虑,因此决定检查润滑油系统,最后将6 号轴承的节油孔板由φ38.9 mm(标准规定φ39 mm ±0.1 mm)扩大到φ39.1 mm,将8 号轴承的节油孔板由φ25 mm(标准规定φ23 mm)减小到φ23 mm ,重新启动后,轴系各轴瓦温度恢复正常.

图4 不同进油温度下的轴承振动变化趋势Fig.4 The vibration trend of bearing vibration under different inlet oil temperatures

图5 汽轮机组启动过程中的轴承温度变化曲线Fig.5 Variation of the bearing temperature during startup of the turbo-generator unit

4 结 论

(1)轴承标高变化会改变轴系的载荷分配,但由于轴系中各轴承对支撑载荷的贡献率不一样,导

致各轴承标高的变化对轴系动力学特性的影响程度也不同.

(2)从目前大型汽轮发电机组的轴承设计比压看,其涡动比大多趋于0,因而造成涡动比的微小计算误差,这将导致临界失稳转速的大幅波动,因此采用相当刚度评判实际机组轴承稳定性更为准确.

(3)轴承稳定性裕度随进油温度的升高而增大,且重载轴承的稳定性受进油温度影响也更为明显.

(4)当润滑油流量足够时,不同比压的轴承温升差别较小.因此,现场出现轴承温度突然升高时,往往不是轴承载荷过重,而是由于润滑油流量不足所造成的.

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