汽轮机轴承金属温度偏高原因分析

阮圣奇，胡中强，刘庆刚，张 辉

（1．安徽省电力科学研究院，合肥230022； 2．华能巢湖发电有限公司，巢湖238000）

1 可倾瓦轴承工作原理及特性

某汽轮机一个轴承为可倾瓦轴承，与固定式支撑轴承相比，稳定性高，具有降低转子不平衡响应、抑制不稳定振动能力和良好的阻尼特性，摩擦功耗小，运转平稳，制造安装及性能受轴颈几何形状影响小，并可随载荷变化自动调整其状态等优点，因此被广泛应用于旋转机械中。

可倾瓦轴承是由3至6块瓦组成，其中任何一个瓦块都可以绕其背部的球面销做微小摆动，形成收敛的油楔以适应轴承载荷的变化。瓦块与轴颈形成的油楔可以在运行参数（负荷、速度、润滑油黏度等）改变的情况下自动调整为合适的形状，使每个瓦块上产生的油膜力都能通过背部的支点和轴颈中心，保持外载荷交于一点，不会产生一个使轴颈涡动的切向分力，因此可倾瓦又称为可变式多油楔轴承［1］。

2 轴承金属温度偏高原因

2．1 温度测点误报

电厂的事故分析首先要确认各测点的测定值是否准确，在确认不是测点误报后才能进一步分析问题发生的原因。

轴承金属温度测点因安装在轴承内，不易取出，难以观察损坏情况。但轴承金属温度的高低对汽轮机的正常运行非常重要，因此在轴承金属温度测点处一般均安装了双支热电偶。如果轴承金属温度发生变化，则相应的双支热电偶温度数值应该同向变化，并且相差很小，所以从双支热电偶的2个测定值就能判断是否属于温度测点误报。

2．2 润滑油温升高

润滑油在轴承中的作用除了形成油楔外，还同时用于轴承冷却，即润滑油在循环过程中不断带走轴承摩擦所产生的热量，从而保持轴承温度稳定［2］，因而润滑油温度的升高会在一定程度上减弱润滑油冷却作用，使得轴承金属温度升高。而润滑油温度的升高会显著降低润滑油黏度，降低轴承中润滑油油楔刚度和厚度，导致油膜承载力减小，最终可能会发生油楔破裂。一旦油楔发生破裂，将产生所谓的混合摩擦，轴承金属温度立刻上升，严重时会发生咬合现象。

2．3 润滑油油质差

如果润滑油中混有杂质就可能影响油膜的正常形成，而且杂质颗粒还会划伤金属表面，发生所谓的磨粒磨损，而磨粒磨损是滑动轴承最常见的失效形式。在动压轴承中，线状伤痕往往会引起润滑油泄漏，破坏油膜，降低轴承承载能力。杂质对轴承的影响取决于杂质颗粒的大小。

2．4 轴承载荷变化

润滑油温升由近似公式计算［3］：

式中：Δt为润滑油温升，K；W 为轴承载荷，N；f为摩擦系数；u为轴颈圆周速度，m／s；cp为润滑油比热，J／（kg·K）；ρ为润滑油密度，kg／m3；Q 为润滑油油量，m3／s。

在f、u、Q等因素确定的情况下，Δt与W 成正比，因此W 的变化会反映在润滑油温的变化Δt上，而轴承金属温升与润滑油温升成正比，因此W 的增大会导致轴承金属温度上升。

2．5 球面销或垫片卡涩

可倾瓦轴承背部有一个球面销，装配时会配上相应的垫片。设置球面销目的是为了应对轴承运行条件的变化，通过调整油楔让轴承具有自动对中功能，增强轴承的稳定性［4］。

如果球面销或垫片出现问题，可倾瓦会卡涩，将造成轴承下半部可倾瓦载荷分配不均匀、局部载荷偏高、润滑油油楔厚度降低等，导致轴承和轴颈混合摩擦，轴承金属温度升高。

2．6 顶轴油系统故障

汽轮机启动过程中因转速未达到一定数值，无法形成压力油楔，轴承尚不能支承轴颈，因而规定在转速低于1 200r／min时必须开启顶轴油泵以托起轴颈。同样汽轮机停机后，若转速低于1 200r／min，必须自动开启顶轴油泵，以防轴颈和轴承间的直接摩擦。

为节省投资，部分电厂因高中压（合）缸相比低压缸较轻，其顶轴油系统未设置高中压缸轴承的顶轴油，运行过程中均相继出现低速碾瓦现象，而对高中压缸进行顶轴油改造后都不再出现此现象。

由上述分析可知：顶轴油对保护轴承非常重要，由顶轴油导致的轴承金属温度升高一般都出现在汽轮机启、停机过程中。

2．7 汽轮机临界转速

汽轮机处在过临界转速（一般都是一阶临界转速，因为二阶临界转速已经超过3 000r／min以上）时会导致振动显著增大。如果此时轴承润滑油楔建立不好，有可能会因振动增大而导致磨瓦。

3 事故分析

该汽轮机在夏季背压、630MW负荷试验和630MW负荷、72h运行试验后，其4号轴瓦开始出现轴承金属温度偏高现象，并在轴承金属温度超过105℃时停机。停机前后各参数变化趋势见图1和图2。

图1 汽轮机转速曲线

图2 4号轴承金属温度曲线

由图2可知：汽轮机停机前4号可倾瓦轴承温度已经很高，在停机过程中又发生了一次异常温升。

停机后检查发现：下部的两块瓦块已经磨损，且两侧磨损程度不同，磨损程度较大的一侧对应的顶轴油管断裂，从断裂口可以明显看出有旧伤和新裂痕。

因此可认定4号轴承金属温度偏高主要原因是：

（1）机组振动导致顶轴油接管产生裂口。正常运行中润滑油建立的压力油楔受到顶轴油的影响而引起润滑油泄漏，降低了油楔的刚度和稳定性，因而造成轴颈和轴瓦的摩擦，使轴承金属温度上升。但是在这种状态下，由于下瓦的油楔没有被完全破坏，只是在一定程度上增大了下瓦的承载力，因而可以继续保持轴瓦温度稳定。

（2）夏季工况、630MW负荷试验是在汽轮机凝汽器平均压力为11．8kPa的条件下进行的，而这时高、低压凝汽器的压力相差较大。因4号轴瓦对应的是高压凝汽器，而在夏季工况下低压缸轴承承载发生很大变化，4号轴承载荷增大；且由于夏季工况进汽量非常大，因而恶化了4号轴瓦的工作条件。再经过630MW负荷、72h的运行试验后，4号轴瓦油楔进一步被破坏，造成轴瓦基本处于混合摩擦状态，从而导致轴承温度上升。

（3）汽轮机停机后，轴承温度出现第一次小幅上升，首先推测这与轴系的一阶临界转速有关，但经查阅有关资料得知，启动过程中高、中压缸和低压缸的一阶临界转速分别在1 600r／min和1 500r／min左右；停机过程中临界转速虽发生变化，但与启动过程相比偏离不大（不超过100r／min），而且停机后的第一次温升出现时转速在2 000r／min以上，因此排除一阶临界转速对轴承金属温度升高的影响。

由图1及图2对照可知：轴承温度和转速几乎是同时发生变化，因此可以判定第一次温升应是停机后4号轴承的载荷瞬时发生变化所致。

（4）汽轮机停机后，转速400r／min左右时轴承温度出现第二次快速大幅度上升，后又快速回落。根据4号轴承一个顶轴油管断裂的现象，可推断造成低速碾瓦的原因是下瓦顶轴油故障，无法建立压力膜而导致磨瓦（即低速碾瓦现象）。但由于4号轴承另外一个顶轴油和其他轴承的顶轴油系统正常工作，且低速碾瓦时间较短，因而4号轴瓦未出现较大磨损。

4 结语

在更换4号轴瓦并修复顶轴油管后重新启动汽轮机，4号轴承金属温度、润滑油进回油温度和轴承振动均恢复正常。由此可知：该汽轮机4号轴承金属温度偏高的主要原因是连接轴瓦的顶轴油管有裂口，导致油楔刚度和稳定性降低，经过夏季工况及高负荷运行后情况进一步恶化，并最终导致顶轴油管断裂和低速碾瓦现象。

轴承工作状态对于汽轮机运行非常重要，因而对轴承的检修工艺应该重视。机组正常运行中也应时刻注意轴承和润滑油温度，以利机组的安全稳定运行。

［1］乔孝纯，牛锡传，芈振南，等．机械零件［M］．1版．西安：西安交通大学出版社，1986．

［2］胡代舜．大型汽轮机事故及预防［J］．电力安全技术，1999（2）：22－26．

［3］黄树红．发电设备状态检修与诊断方法［M］．北京：中国电力出版社，2008．

［4］郭延秋．大型火电机组检修实用技术丛书汽轮机分册［M］．北京：中国电力出版社，2003．