汽轮机滑动轴承低速烧瓦原因分析

王辉

(广东大唐国际潮州发电有限责任公司，广东 潮州 515723)

可倾瓦轴承也称密切尔式径向轴承，轴瓦可在支承点上自由倾斜。在油膜动压作用下，每个轴瓦均可自由调整位置，以适应转速、载荷等动态条件的变化。每块轴瓦的油膜作用力均通过轴颈中心，因此，其稳定性较好[1]，能有效避免油膜自激振荡和间隙振荡[2]，可倾轴瓦的摩擦损失较小，但制造工艺复杂，价格较昂贵。

在火力发电厂中，可倾瓦轴承多用于高中压转子支承系统，如引进的东芝和日立1 000 MW机组1#～4#高中压转子支承均采用可倾瓦轴承。在国产300，600 MW机组中应用也较多，因低压转子质量较1 000 MW机组较小，在整套支承系统中全部采用可倾瓦轴承，但轴瓦数量不同[3]。

在1 000 MW机组中可倾瓦轴承多次发生低速烧瓦事故，现针对故障原因进行分析。

1 设备结构

1.1 汽轮机支承系统

如图1所示,汽轮机采用8套支承轴承，发电机采用2套支承轴承，静态励磁，整个轴系由11套径向轴承支承。1#轴承位于前轴承座，2#，3#轴承位于中轴承座，4#轴承位于3#轴承座内。1#，2#轴承支承高压缸转子，3#，4#轴承支承中压缸转子。5#，6#，7#，8#轴承分别位于低压缸A和低压缸B之间及两端的轴承座内，用于支承低压缸A和B的转子。发电机转子由2套端盖轴承支承。推力轴承位于中轴承座内，与中压缸转子前部的推力盘匹配，承担汽轮机的轴向推力。

图1 汽轮机支承系统示意图

1.2 轴承结构

1#～4#轴承采用水平、上下、中分面、双向可倾瓦轴承，其间用螺栓和定位销连接。轴承结构如图2所示，轴承下半部分照片如图3所示 。

图2 轴承结构示意图

图3 轴承下半部分照片

可倾瓦轴承由6块(上、下半轴承各3块，均匀分布)弧形轴瓦组成，弧形轴瓦上衬有巴氏合金。上半轴承的3个轴瓦设有调整块，用于调整可倾轴瓦与转子轴颈间的间隙，转子轴颈在轴承中的运行稳定性很大程度上与此间隙值有关[4]。径向间隙设计为轴承孔径的0.13%～0.15%，最大值为孔径的0.2%，若超过0.2%，则需要更换可倾轴瓦。轴承上半部轴瓦开有油槽，下半部轴瓦上设有热电偶，以测量轴瓦温度，靠近水平中分面处的两侧装有销子，以防止轴承体转动。1#轴承设计参数见表1。

表1 1#轴承设计参数

2 故障现象

2018年2月8日，机组正常停机，转子惰走至92 r/min时，1#轴承瓦温(测温位置如图2所示)升高，最大值为124 ℃(表2)，判断轴承已磨损，故揭瓦检修。

表2 故障时机组运行参数

1#轴承解体后发现底部轴瓦有磨损痕迹，乌金经过高温后有部分脱落(图4)。

图4 轴瓦损伤照片

3 故障原因

3.1 安装原因

当发生低速烧瓦后要及时解体检查轴瓦，若磨损量较大，超过顶隙要求，必须更换磨损轴承，仅通过调整上轴瓦无法彻底解决问题。若磨损不严重，乌金面各项检查合格且无备件更换时，可将下轴瓦乌金进油边重新按图纸倒角修复，保证转子与轴承的偏心率，从而保证轴瓦进油通道畅通。

1#轴承于2016年5月经过1次检修，轴承顶部间隙略微超标，间隙一般通过压铝丝方法进行测量，铝丝所放位置与测量数据准确性密切相关，该方法误差范围较大。

通过查看检修记录发现，轴瓦回装时顶隙为0.60 mm，解体时顶隙为0.64 mm，比设计值略大。因机组之前运行较稳定，轴承温度最高80 ℃，振动也较稳定，因此，经过技术人员分析确定测量存在误差，决定不做调整。

轴承顶隙偏大是引起轴承振动，影响转子稳定性的原因之一，但此故障常在低转速下发生，与轴承工况不符。因此，可排除安装原因造成轴瓦烧损[5]。

3.2 供油中断

轴承供油中断是引起轴承烧瓦的常见原因，供油系统出现异常时会造成轴瓦冷却油量减小，不足以带走轴承产生的热量，无法保证油膜的形成，从而造成轴瓦干磨而烧损。

通过对本次停机时参数进行分析，停机过程中润滑油无中断，油压稳定无波动，且揭瓦检查发现油路畅通。因此，可排除供油中断造成烧瓦。

3.3 轴承设计加工

轴承设计选用了产品库中的成熟产品，但说明书中给定的设计比压为1.37 MPa，滑动轴承设计比压为

P=F/(dB)，

式中：F为轴承载荷, N；d为轴承内径,mm；B为轴承宽度,mm。

由表1中1#轴承设计参数可计算出轴瓦实际设计比压约为2.4 MPa，大于说明书给定的设计比压，但也在标准范围(1～3 MPa)内[6]8，故设计参数符合可倾瓦轴承设计要求。

轴承加工时严格按照图纸尺寸加工，经核验各尺寸符合图纸要求。因此，可排除轴承设计加工原因造成烧瓦。

3.4 轴瓦磨损

轴瓦磨损[6]后偏心率减小，会导致轴瓦无法形成动压油膜。高转速下，转子与轴瓦之间会形成一层油膜，转子浮向一侧，形成稳定的进油楔，转子与轴瓦摩擦产生的热量由润滑油带走[7]；低转速下，转子因油楔消失而回归轴瓦中心，稳定的油膜渐渐被破坏，产生的热量也随之减少，此时，仅有少量润滑油通过轴瓦进油边进入轴瓦底部。

在机组启动、运行、停机惰走以及盘车状态下，因杂质、润滑不良等原因均会导致轴瓦发生磨损。低转速时，转子因摩擦力作用偏向轴瓦进油边(逆转向旋转)，此时轴瓦不足以建立必要的油楔，轴承处于缺油或边界润滑条件下[8]；高转速下形成稳定油楔时，转子偏向轴瓦的出油边，但此时油膜稳定，转子与轴瓦被油膜分离，润滑良好，轴瓦几乎不存在磨损。

转子静止时，底部轴瓦的进油边间隙仅有0.05 mm。1#轴承轴瓦与转子的配合示意图如图5所示。

图5 1#轴承轴瓦与转子配合示意图

通过分析可知，机组在经过长时间运行盘车或启停机惰走时，轴瓦存在一定的磨损，检修时可通过顶隙确认轴瓦的磨损量。当磨损量达到一定程度时，轴瓦进油边间隙消失，由Xcos28°=0.05 mm(轴瓦底部与进油边夹角为28°)可求得磨损量X=0.056 mm。

此时，转子半径与最底部的轴瓦半径相等，偏心率减小至零，即转子与轴瓦完全贴合，轴瓦进油边出现锐边或棱角，低速时可切断轴瓦进油，使油膜不能顺利进入摩擦表面，转子与轴瓦形成干摩擦，温度升高导致轴瓦乌金面熔化烧损。

高转速时，由于可倾瓦具有一定的摆动角，仍可形成稳定的油膜，也是正常运行时轴瓦温度正常的主要原因。

3.5 小结

通过上述分析并结合轴瓦检修实际情况，可确定造成低速烧瓦的原因为：轴瓦在长时间使用过程中发生了磨损，使偏心率减小，导致低速时无法有效形成油膜，在缺油或边界润滑工作时发生轴瓦损坏。

4 解决方案

4.1 检修时控制措施

机组检修时，对轴瓦顶隙、进油边等进行检查，当顶隙超标或达到上限时应及时修补或更换轴承。对油挡洼窝、间隙等进行详细测量记录，在机组无轴承检查时间时，可通过此数据判断轴瓦磨损量；另外，可制作或定制专用桥规，以特定部位做为测量点，记录转子位置，间接判断轴瓦磨损量，也可做为更换轴瓦时标高依据。

在检修时对轴瓦进行技术改造，在承重轴瓦上增加顶轴油，通过顶轴油对轴瓦进行强制供油润滑。

4.2 运行中控制措施

启停机时可适当降低油温，增大润滑油黏度，提高油膜建立条件[9]；机组停机时可破坏真空停机，缩短转子低速惰走时间；运行时密切监视瓦温测点，正常高速运行时，出油边温度比最底部温度高，当轴瓦磨损到一定程度后，转子半径与轴瓦半径接近时，两测点温度会逐渐接近，此时可判断轴瓦乌金磨损达到极限。有停机检修机会时可解体检查，发现问题及时修复或更换轴承。

加强滤油，保证油脂颗粒度合格，尽量减少转子低速运行时间。

4.3 小结

修复后机组空载下运行数据见表3。由表可知，轴承运行状况良好，各转速下振动、温度均较好。机组满载下，轴承最高温度为95.8 ℃，满足最高温度不超过107 ℃的要求。

表3 修复后机组运行数据

5 结束语

针对某1 000 MW机组1#可倾瓦轴承停机时低速烧瓦问题，对轴承结构设计和轴承磨损机理进行了分析，发现造成低速烧瓦的原因是承重轴瓦经过长时间运行磨损后，轴瓦半径与轴径半径接近(偏心率为零)，且进油边形成锐角，低速时润滑油无法进入轴瓦而形成干摩擦，导致轴瓦低速烧损。在检修时应密切关注可倾瓦轴承的参数变化情况，顶隙变大时不能仅调整上轴瓦，而应及时核对单个轴瓦尺寸，修复轴瓦及进油角，保证转子与轴瓦的偏心率。