轴颈偏斜对椭圆轴承性能影响的试验研究

郭勇，袁永强

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

1　前言

在汽轮机的调试和运行中，常会遇到轴承瓦温高的情况。轴承温度即使是稍接近设计的报警值，也会给电厂运行带来很大压力。在收集了多台机组的轴承瓦温数据，仔细分析了瓦温分布情况后，发现大部分轴承瓦温的表现有两个特点：（1）在轴承全部的温度测点中，仅个别测点温度高；（2）位于轴承同一截面的测点温差很大，最大能达到40℃。图1给出了国内某电厂轴承瓦温测点温度分布。其中测点1和测点3布置对称于轴承中心线。该轴承多台份的实际运行的数据反映，在正常运行时测点1和测点3的温差不大于10℃，而图1给出的轴承两测点温差接近30℃。显然这个轴承局部温度十分不均匀，轴承运行状态偏离了设计。

图1　某电厂轴承瓦温分布

分析形成该现象的原因，认为是由于转子挠曲，加工误差，安装偏斜等多种因素联合作用导致轴承和轴颈不对齐，进而造成两侧瓦温不均匀。

针对轴颈偏斜对轴承性能的影响，国内研究多集中在汽车发动机用滑动轴承，并以理论计算分析居多，如文献[1-3]。在汽轮机用滑动轴承研究方面，孙丽军[4]等认为汽轮机轴承在向高速重载方向发展过程中，应十分重视转子偏斜对轴承性能的影响，并提出了相关要求。另外，在轴承的设计阶段静特性（如流量、功耗、温升等）常常是润滑油系统设计的重要输入条件，因此王晓红[5]等对轴颈偏斜条件下轴承的静特性进行了理论研究。孙军[6]等对轴变形产生的轴颈倾斜对滑动轴承润滑的影响进行了试验研究，该研究集中于细长轴的情况。在汽轮机中，轴承尺寸较大，采用文献[6]的方法很难实现对轴颈倾斜的研究。因此本文采用和文献[7]相同的轴承试验装置，通过可控的加载方法实验转子的偏斜，进而进行偏斜对椭圆轴承性能影响的试验研究。试验研究的主要目标是复现轴承现场运行状况，并研究转子偏斜后，椭圆轴承静态性能的变化，为该现象的治理提供试验支持。

2　轴颈偏斜轴承的油膜压力分布

轴颈偏斜表示转子轴线和轴承的轴线不平行的现象。汽轮机轴承在理想工作状态下，轴承和转子的中心线是平行的，如图2（a）所示。此时在轴承任意一个轴向截面上，油膜厚度处处相等，油膜压力分布沿轴承中心线左右对称。轴颈偏斜后，油膜厚度在轴向成不均匀分布，促使最高油膜压力向间隙小的方向移动，如图2（b）所示。油膜压力分布变化导致轴向两侧油膜压力梯度变化。如图2（b）中左侧压力梯度变大，右侧变小。因此油膜压力梯度高的局部流速更高，因此产生更多的热量，最终形成温度一侧高一侧低的现象。

图2　轴承轴向压力分析示意图

直接测量旋转转子的倾斜角非常困难，因此采用特征压力差来表征转子的倾斜程度。如图2所示，在轴颈和轴承对齐的状态下，油膜压力分布沿轴承中心线左右对称，因此距离中心线两侧相等的点A和B的油膜压力Pa和Pb应相等；轴颈偏斜后，轴承油膜压力分布的对称性改变，导致Pa和Pb不相等。轴颈偏斜越严重，则Pa和Pb的差值就越大。基于上述分析，特征压力差用来表征转子的偏斜程度。

3　实验轴承及实验台

本文采用正置式轴承实验台进行研究，实验台的结构如图3所示。轴承的载荷通过两侧的加载器加载实现，转子仅靠实验轴承支撑。转子偏斜程度依赖于两侧加载压力的均衡程度。若施加于电机侧加载器的压力大于非电机侧，则转子会倾向于电机侧。由于膜片联轴器的限制，两侧加载压力的差别也不能太大。在实验中发现轴承特征压力相差1 MPa以上，膜片联轴器就发出明显的啸叫声。为了实验安全，将最大压力差别限制在1.6 MPa以下。实验轴承载荷由两部分构成，一部分为转子的重力（约53704 N），另一部位为加载器施加在转子上的力。

图3　实验台加载结构示意图

实验轴承采用上瓦开槽的椭圆轴承，如图4所示。表1给出该轴承的主要参数。在T-T和P-P两个截面（见图4）上安置了温度和压力测点。将压力测点放置到P-P截面(7.5°的截面)，主要为了兼顾低速下的压力测量。温度测点安装在45°截面上，该截面在试验转速下瓦温较高。为了方便后续的描述，将压力测点编号为P1（电机侧）、P2（非电机侧）；温度测点编号为T1（电机侧）、T0、T2（非电机侧），如图 4(c)和(d)所示。

图4　轴承温度和压力测点布置截面示意图

表1　轴承主要参数表

4　实验结果及讨论

4.1　轴承载荷

2013年4月完成了相关实验。首先将轴承稳定运行在2800 r/min、轴承比压加载到2.66 MPa；进油压力0.078 MPa，进油温度41～42℃。交替变化两侧的加载压力，形成轴颈偏斜，轴承总载荷在试验过程中维持2.66 MPa不变。图5为试验过程中，两侧加载器的压力变化图。结合加载器的压力面积0.1176 m2，可以得到两侧加载力差的趋势图，见图6。图6中的加载力差为非电机侧的加载力减去电机侧的加载力。

图5　两侧加载器压力趋势图

图6　两侧加载力差值趋势图

4.2　轴承特征压力和温度的变化情况

如前所述，采用P1和P2的压力差来表征转子偏斜的程度。图7给出了实验过程中，P1和P2的变化趋势图。对比图6和图7，可以看到由于实验转子在轴承两侧结构的不对称对轴承的影响。由于联轴器对试验转子的限制作用，需要将电机侧适当下压（下压的力大致为1.65×104N）才能使瓦面上特征测点的压力相等。以1.65×104N作为瓦面压力的平衡位置，本次实验两侧加载压力最大相差0.45×104N。

实验过程中，轴承瓦温的变化趋势如图8所示。在图中，处于图中间的细虚线表示的温度曲线为T0测点的温度值。T0表示轴承中心线处的温度。图中粗实线和粗虚线为两侧温度趋势曲线。在试验开始阶段，轴承两侧温度基本相同，为86～87℃，此时轴承两侧压力的差值在减小。之后，轴承两侧压力的差值反向增大，瓦温差值也随之增大。其中T1温度测点和P1压力测点位于轴承的同一侧，T2温度测点和P2压力测点位于轴承的另一侧。经过一个变化周期后，压力差变为0，但此时轴承温度整体上升了。对此一个可能的解释是由于转子偏斜后，油膜温度和瓦温升高，局部巴氏合金的强度降低，加之实验用的润滑油清洁度较低，轴承合金表面局部可能会受到拉伤，减低了粗糙度，从而使轴承瓦温整体上升。

图7　特征压力的变化趋势图

4.3　轴承倾斜对温度的影响分析

图9给出了T1和T2测点温度随着压差的变化趋势。一个比较有趣的现象是，在压力差的变化过程中，瓦温并不是沿着一条路径变化。温度变化和温度的初始状态以及压力差的变化方向有关。如T1测点温度在压力变化的过程中，先降低后升高。温度降低阶段数值整体低于上升阶段的数值。同样的现象在T2测点中也有反映。图9的另一个特点是，在两侧压力差为0时，轴承两侧温度差约为3℃。甚至比实验开始阶段压力差1.0 MPa状态下还高。该现象在图10中表现更为明显。形成这种现象的可能原因是：（1）温度对压力变化的反应较慢，导致初始温度高的阶段，整个过程的温度高。（2）轴承在运行过程中可能会发生局部磨蹭。

图9　瓦温随着压差的变化

图10　瓦温差随压差变化图

图10中还反应了压差变化2.5 MPa（从-1.5 MPa到1.0 MPa），轴承两侧瓦温差变化约6℃。从图10大致可以看出，这种变化是线性的。简单推理，若轴承两侧瓦温差30℃，则轴承两侧压差可能高达12.5 MPa。此时很有可能是轴承的单侧承载。承载侧的油膜厚度很薄，进而在异常情况下会出现磨损。结合现场的运行经验，一般要求轴承两侧瓦温差应不大于25℃。

4.4　轴承倾斜对流量温升的影响

轴颈偏斜对轴承流量和温升的影响，见图11。图中流量为轴承的供油流量，温升是润滑油的回油温度和进油温度之差。显然轴颈偏斜对轴承流量和温升的影响很小。实验中提供给轴承的润滑油量比较大，达到545 L/min，轴承处于充足润滑状态下。因此润滑油充足的条件下，轴颈偏斜不会导致轴承更多的供油需求。从另一个角度而言，轴承处于充足润滑状态下，轴颈偏斜后，提高轴承润滑油的供给对解决瓦温偏高的问题积极意义有限。

图11　压差对进油量和温升的影响

5　结论

本文采用实验的方法研究滑动轴承瓦温单侧偏高现象。通过实验得到以下结论：

（1）轴颈偏斜是导致瓦温两侧不一致的重要原因。当实验轴承在2.66 MPa工作时，实验台两侧加载器力相差0.45×104N时（其差别约为轴承载荷的1.2%左右），则特征压力测点的压差最大相差2.5 MPa，轴承两侧瓦温差变化约6℃。因此保证轴承承载均匀是控制轴承瓦温的关键。

（2）在润滑油充足的条件下，轴颈偏斜对轴承的润滑油流量和温升的影响小。也就是说，轴承处于充足润滑状态下，提高轴承润滑油的供给对解决瓦温单侧偏高的问题意义有限。

（3）在轴承实验中也看到，导致轴承两侧瓦温差别的原因不仅是轴颈偏斜，还可能和转子轴承表面粗糙度有关，但需要进一步的试验或分析验证。

[1]柳江林,孙军,桂长林,等.轴颈倾斜轴承的热流体动力润滑分析[J].润滑与密封，2007,32(9):60-63.

[2]伟黎,汪久根,洪玉芳,等.考虑轴颈偏斜的多瓦径向滑动轴承热流体动力润滑分析[J].润滑与密封.2012,37(11):1-4.

[3]张振山,戴旭东,张执南,等.轴颈倾斜的径向轴承热弹性流体动力润滑分析[J].上海交通大学学报,2013,47(9):1347-1352.

[4]孙丽军,欧阳武,郭勇,等.高速重载轴承的性能计算与设计准则[C].全国转子动力学学术讨论会，2014.

[5]王晓红,周大元,石玉权，等.轴颈偏斜对径向滑动轴承静态性能的影响[J].热能动力工程，2008，23（1）：83-87.

[6]孙军,桂长林,李志远，等.轴变形产生的轴颈倾斜对滑动轴承润滑影响的试验研究[J].机械工程学报，2006，42(7)：159-163.

[7]Guo Yong,Zhao Weijun,Yang Ling,etc.Experimental study on lubrication performance of slide bearing with groove on all pads[J].Advanced Material Reserch,2011,(199-200):659-669.