燃气轮机润滑油清洁度对轴承寿命的影响分析

杨天南，吴森

(海军驻沈阳地区第二军事代表室，辽宁 沈阳 110043)

0 引言

燃气轮机作为重要的动力装备，轴承是其关键部件，轴承的可靠性及寿命严重制约着燃气轮机的可靠性及寿命。一般认为润滑油的清洁度对轴承寿命有直接影响，所以燃气轮机润滑系统的清洁度也会严重影响轴承的寿命[1]。虽然人们对润滑油中的微小异物会引起轴承损伤或者影响轴承寿命的问题有所了解，但实际上在设计或使用轴承过程中，很少定量地考虑这个问题。本文以某型燃气轮机所用润滑油清洁度对轴承寿命的影响分析为例，研究了保证润滑油清洁度的重要性，并在此基础上提出相关改进措施。

1 润滑油清洁度

润滑油的清洁度一般通过描述油中固体颗粒污染物的含量或分布进行表征。现国内燃气轮机润滑油清洁度一般执行标准GJB 420B-2015，该标准以2001年版的SAE AS4059D为依据，结合我国的发展国情，等效采用了该国际标准的分级方法。GJB 420B-2015将固体颗粒污染度分为15个等级，固体颗粒污染物粒径尺寸分为5个尺寸段，颗粒计数为大于某一规定粒径的累积计数。现在国际上通用的标准为ISO 4406，研究润滑油清洁度对轴承使用寿命的影响一般基于此标准。

2 润滑油污染物来源

润滑油中污染物的来源主要有：残留杂质、混入杂质和自生杂质。

(1)残留杂质指存在于零件上，虽经加工、清洗仍未去除的杂质，如铸件的型砂，锻件非加工面的氧化皮、毛刺，机械加工过程中切屑、工作液及润滑油中的机械杂质等。

(2)混入杂质指在装配、使用、维修过程中由于操作者和环境混入的杂质，如尘埃、有机物残渣及其他形式的杂质等。

(3)自生杂质指在燃机工作过程中各部件自身磨损产生的杂质，以及润滑油工作过程产生的焦化物等。

先进的燃气轮机制造厂商都非常重视润滑油清洁度的控制，要求从设计、生产、装配到使用做到全方位的控制，标准方法都比较齐全规范。而国内燃气轮机行业缺少零部件及装配的清洁度标准，对污染物来源、产生和影响机理以及预防等研究不足，导致清洁度控制缺少统一策划，不规范，效果不理想。

3 清洁度对轴承寿命的影响分析

某燃气轮机要求所使用的润滑油清洁度不低于GJB 420B-7级，本文将以工作环境最苛刻的燃气发生器止推球轴承为例，根据文献的研究[2]，分析润滑油清洁度降低一个等级(降低到GJB 420B-8级)对轴承使用寿命的影响。由表1和表2可知，现GJB 420B-7级相当于ISO 4406 16/13，而GJB 420B-8级相当于ISO 4406 17/14。

表1 GJB 420B-2015 固体污染度分级

注：表中尺寸分别使用ACFTD标准物质校准或光学显微镜测试，以及ISOMTD标准物质校准或扫描电镜测试,计量单位均为μm。

表2 ISO 4406清洁度分级标准

润滑油清洁度对轴承使用寿命的影响，多以系数的形式在轴承修正寿命计算公式中体现。即首先通过清洁度确定润滑状态，进而确定润滑对轴承寿命的修正系数[3]。

燃气发生器止推球轴承的滚动体直径为Φ22 mm，根据表3可以判断， ISO 4406 16/13时，对应的润滑污染系数V=1，为良好的润滑状态(见表4)；而润滑油清洁度为ISO 4406 17/14时，对应的润滑污染系数V=2，为差的润滑状态[4]。

表3 滚动轴承润滑污染系数

注：污染系数V取决于轴承/滚动体尺寸，允许点或线接触，硬质颗粒推荐过滤比。

表4 滚动轴承润滑污染评价

根据文献，燃气发生器止推球轴承的压力系数为：

fs为压力系数，Pm=4000 MPa，Po为最大赫兹应力。对于球轴承，e=3；对于滚子轴承，e=2。对于某燃气轮机，最大赫兹应力为燃气发生器止推球轴承的接触赫兹应力，大约为1600 MPa左右。

由图1可知，fs=16，V=1时，轴承使用寿命的清洁度影响系数s为1；V=2的清洁度影响系数s为0.2左右。

图1 轴承寿命清洁度影响系数与压力系数

根据设计分析，轴承L10修正寿命为25000 h。则在V=2时，考虑清洁度影响，轴承寿命约为：

25000h×0.2=5000h

可见，润滑清洁度相差一个等级，轴承使用寿命大大降低，仅为原来的20%。

4 结论及建议

由分析可知，润滑油清洁度对轴承的使用寿命影响显著。因此建议燃气轮机在使用过程中一定要加强润滑油的管理，保证其清洁度等级[5]。而提高润滑油清洁度的建议措施如下：

(1)机加后清洗及防护

燃机零件或组件在机加后必须进行清洗，且应根据零件材料和结构的不同，选用不同的清洗工艺。在生产过程中注意包装防护，防止由于防护不当造成的零件磕碰伤、锈蚀、多余物、表面污染等二次污染问题。

(2)零部件装配前清洗

燃机各零部件装配前应进行清洗，确实保证装配清洁度要求。改进清洗溶剂选择、机件积炭清理、清洗后干燥等清洗技术。

(3)装配后整机冲洗

为了清除装配过程中产生的污染颗粒以及残留的污染，装配后应进行整机清洗。冲洗时清洁度等级要比使用时高一或两个等级[3]。

(4)封严系统合理设计

为了防止封严部件磨损产生的污染物随封严气进入轴承腔混入润滑油中，应该设计合理的封严间隙，选择合适的封严涂层。必要时,需要对轴承腔的封严气进行过滤，即在引气系统中添加过滤装置。

(5)润滑系统过滤能力提升

使用过程中产生的污染物及残留物需要通过润滑油滤进行过滤，可以通过提高整机润滑系统的过滤能力(包括纳物能力、过滤精度及过滤比)，保证过滤效果，提高系统的清洁度。

(6)油品质量监控

加强润滑油污染度监控，防止润滑油品质的劣化，定期化验。如润滑油不能满足清洁度要求应进行更换。