何國(guó)安,張衛(wèi)軍,王延博,張學(xué)延

(西安熱工研究院有限公司,西安710032)

徑向滑動(dòng)軸承作為汽輪發(fā)電機(jī)組的支承部件,承受著轉(zhuǎn)子本身的重量及其所產(chǎn)生的各種激振力,其性能參數(shù)直接影響整個(gè)軸系的動(dòng)力學(xué)行為.隨著汽輪發(fā)電機(jī)組向高參數(shù)和大容量的方向發(fā)展,支承滑動(dòng)軸承的工況也日益惡化,人們對(duì)軸承性能的研究及其可靠性分析更加重視與關(guān)注.

在過(guò)去幾十年里,國(guó)內(nèi)外汽輪發(fā)電機(jī)組曾多次發(fā)生油膜失穩(wěn)或油膜振蕩的情況,并由此引發(fā)事故,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,因此,徑向滑動(dòng)軸承的性能計(jì)算與分析一直受到高度重視,許多學(xué)者對(duì)各種計(jì)算軟件和分析方法[1-5]進(jìn)行了研究.但目前在設(shè)計(jì)和選型過(guò)程中,軸承都是作為一個(gè)模型或零部件進(jìn)行性能計(jì)算和試驗(yàn)的,無(wú)法精確考慮到其他影響.實(shí)際上,軸承作為支承部件,與汽輪發(fā)電機(jī)組這個(gè)龐雜系統(tǒng)的其他單元是相互耦合和關(guān)聯(lián)的,再加上后續(xù)的制造、安裝、運(yùn)行和維修給軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)尤其是動(dòng)力學(xué)參數(shù)所帶來(lái)的變化,以及環(huán)境所施加的影響,導(dǎo)致許多支承軸承盡管在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)了反復(fù)校核計(jì)算和試驗(yàn),但安裝到實(shí)際機(jī)組上卻往往不能安全與穩(wěn)定地運(yùn)行.因此,現(xiàn)場(chǎng)常常需要采取臨時(shí)和簡(jiǎn)單可靠的措施對(duì)軸承的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行調(diào)整,以確保設(shè)備的安全運(yùn)行.但是,該操作目前尚未有一套比較成熟和完整的理論或方法來(lái)指導(dǎo).當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)軸承故障時(shí),相關(guān)操作人員一般只能憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化軸承運(yùn)行環(huán)境,有時(shí)需要多次嘗試和試驗(yàn)才能達(dá)到滿意的效果,往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi).針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)常見的軸承故障,筆者采用數(shù)值計(jì)算方法系統(tǒng)地分析了軸承運(yùn)行環(huán)境的變化對(duì)其性能的影響,并給出了工程實(shí)例,為現(xiàn)場(chǎng)軸承的運(yùn)行和檢修提供參考.

1 軸承的運(yùn)行環(huán)境

軸承運(yùn)行環(huán)境主要包括轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、支承的載荷、潤(rùn)滑油的進(jìn)油溫度、壓力及流量等,對(duì)不同機(jī)組或在不同工況下,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軸承運(yùn)行環(huán)境的要求都不一樣.對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組,其轉(zhuǎn)速和軸承潤(rùn)滑油型號(hào)是一定的,通常能改變的就是軸承的進(jìn)油溫度和流量,以及通過(guò)調(diào)整標(biāo)高來(lái)改變軸承載荷.因此,針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組支承軸承的常見故障(軸承穩(wěn)定性裕度不足和軸承溫度超標(biāo)),通常采用對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)和軸系標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整與控制的方法來(lái)改善和優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)軸承的運(yùn)行環(huán)境.

2 軸系標(biāo)高對(duì)軸承性能的影響

大型汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系支承在多個(gè)滑動(dòng)軸承上,屬于靜不定連續(xù)梁?jiǎn)栴},這種結(jié)構(gòu)的載荷分配主要受各軸承安裝標(biāo)高的影響.現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生由于軸系標(biāo)高不當(dāng),導(dǎo)致某些軸承載荷過(guò)輕,進(jìn)而造成其穩(wěn)定性裕度不足,引起低頻振動(dòng);而另一些軸承的載荷過(guò)重,導(dǎo)致其潤(rùn)滑油溫過(guò)高,甚至發(fā)生燒瓦.但并非所有軸承穩(wěn)定性裕度不足或軸承溫度偏高的問(wèn)題一定是軸系安裝標(biāo)高不當(dāng)引起的,而且軸系各軸承標(biāo)高的變化對(duì)軸系載荷分配的影響程度有很大差別.

2.1 數(shù)值分析結(jié)果

現(xiàn)以某引進(jìn)西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的300 M W 機(jī)組為例(軸系見圖1,相關(guān)軸系參數(shù)見表1),采用傳遞矩陣法分析各軸承標(biāo)高變化對(duì)載荷分配的影響.從表2的計(jì)算結(jié)果可看出:①由于各軸承對(duì)支撐載荷的貢獻(xiàn)率不一樣,導(dǎo)致各軸承標(biāo)高的變化對(duì)軸系動(dòng)力學(xué)特性的影響程度也不同,因此,現(xiàn)場(chǎng)常常出現(xiàn)某些機(jī)組的某一軸承安裝標(biāo)高存在較大偏差,其軸系振動(dòng)卻正常,而某些機(jī)組的某一軸承標(biāo)高稍有偏差,其軸系振動(dòng)就出現(xiàn)明顯改變;②端部軸承標(biāo)高變化對(duì)載荷分配的影響很小,而中間軸承標(biāo)高變化對(duì)載荷分配的影響相對(duì)較大,事實(shí)上,許多大型機(jī)組受進(jìn)汽方式或補(bǔ)汽門開啟等影響,如1 號(hào)軸承出現(xiàn)穩(wěn)定性裕度不足,但筆者查找了大量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)得知:目前還沒有通過(guò)軸系標(biāo)高調(diào)整來(lái)解決此類故障的案例,大多只能在一定程度上緩解該振動(dòng)故障;③當(dāng)聯(lián)軸器兩側(cè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量相差越大時(shí),較小轉(zhuǎn)子的支撐軸承載荷受標(biāo)高的影響就越明顯.

2.2 案例

某電廠1 號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司和哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司制造的引進(jìn)型300 MW 機(jī)組,采用N300-16.7/537/537 型亞臨界、中間再熱、單軸、兩缸、兩排汽凝汽式汽輪機(jī),配以QFSN-300-2 型汽輪發(fā)電機(jī).自該機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)發(fā)現(xiàn):在200 MW 穩(wěn)定負(fù)荷工況下,當(dāng)進(jìn)汽方式由單閥切換為順序閥后,1 號(hào)軸承處相對(duì)軸振迅速攀升,其中1Y 相對(duì)軸振幅值上升至135 μm 左右(圖2).從振動(dòng)的頻率成分可看出,引起1 號(hào)軸承處相對(duì)軸振波動(dòng)的原因是轉(zhuǎn)子在汽流擾動(dòng)力的作用下發(fā)生失穩(wěn)而產(chǎn)生半頻振動(dòng)引起的.在2008年4—5月的機(jī)組大修中,在軸系設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)上,曾把1號(hào)軸承座標(biāo)高抬高了0.05 mm ,檢修后啟動(dòng)發(fā)現(xiàn),1號(hào)軸承的穩(wěn)定性沒有得到明顯改善.

表1 引進(jìn)型300 MW機(jī)組的軸系相關(guān)參數(shù)Tab.1 The shaft system parameters of imported 300 MW unit

圖1 軸系示意圖Fig.1 Unit' s shafting diagram

表2 引進(jìn)型300 MW機(jī)組各軸承載荷與標(biāo)高的關(guān)系Tab.2 Relation between bearing load and elevation of imported 300 MW unit

圖2 1Y 相對(duì)軸振趨勢(shì)Fig.2 The trend of relative shaft vibration for 1Y

因此,考慮到1 號(hào)軸承標(biāo)高的調(diào)整對(duì)軸系載荷分配的影響有限,目前許多大型機(jī)組的1 號(hào)軸承受運(yùn)行方式等影響而導(dǎo)致失穩(wěn)時(shí),一般均通過(guò)對(duì)軸承進(jìn)行修刮或改型方法進(jìn)行徹底解決.例如GE 公司生產(chǎn)的某PG9315FA 型燃?xì)廨啓C(jī)新機(jī)啟動(dòng)后發(fā)現(xiàn),1 號(hào)軸承穩(wěn)定性裕度不足,多次對(duì)其標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整,其中1 號(hào)軸承的標(biāo)高最大抬高了0.13 mm,但其低頻振動(dòng)仍然較大,最后將下瓦兩邊各減少20 mm 的軸瓦工作面寬度,才徹底解決低頻振動(dòng)問(wèn)題.

3 潤(rùn)滑油系統(tǒng)對(duì)軸承性能的影響

潤(rùn)滑油系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制在很大程度上決定了軸承的運(yùn)行環(huán)境,但是對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的支承軸承進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行或檢修時(shí)能調(diào)整或便于調(diào)整的供油參數(shù)只有進(jìn)油溫度和流量.因此,分析潤(rùn)滑油的進(jìn)油溫度和流量對(duì)軸承工作溫度和穩(wěn)定性的影響具有重要的工程意義.

本文采用有限元法求解Reynolds 方程,應(yīng)用Reynolds 邊界條件進(jìn)行計(jì)算,并分析了在不同軸承比壓下,潤(rùn)滑油的進(jìn)油溫度和流量對(duì)軸承工作溫度和穩(wěn)定性的影響,結(jié)果示于圖3.需特別說(shuō)明的是:目前對(duì)固定瓦徑向滑動(dòng)軸承穩(wěn)定性判別時(shí),先根據(jù)軸承特性的4 個(gè)剛度系數(shù)K 和4 個(gè)阻尼系數(shù)C 求得反映油膜綜合剛度的相對(duì)值(相當(dāng)剛度Keg)、反映油膜中渦動(dòng)因素對(duì)阻尼因素的相對(duì)比例關(guān)系(渦動(dòng)比γ2st),然后采用油膜的相當(dāng)剛度與渦動(dòng)比的商值(臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速Ωst)來(lái)表征軸承的穩(wěn)定性,其計(jì)算方法為:

式中:Kxx、Kyy為一般剛度系數(shù);Kxy、Kyx為交叉剛度系數(shù);Cxx、Cyy為一般阻尼系數(shù);Cxy、Cyx為交叉阻尼系數(shù).

圖3(a)給出了在不同進(jìn)油溫度T0下,不同軸承比壓pm對(duì)應(yīng)的渦動(dòng)比γ2st值.從目前大型汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承設(shè)計(jì)比壓看,其渦動(dòng)比γ2st大多趨于0,使的微小計(jì)算誤差將易導(dǎo)致臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速Ωst的大幅波動(dòng),無(wú)法定量表征軸承的穩(wěn)定性好壞.因此,采用相當(dāng)剛度Keq來(lái)表征軸承穩(wěn)定性,對(duì)判定目前大型汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承穩(wěn)定性更為準(zhǔn)確與合理.

3.1 數(shù)值分析結(jié)果

以某橢圓軸承(直徑為420 mm ,長(zhǎng)徑比為0.7,橢圓度為0.5,側(cè)隙比為2.02‰)為例,分析了在不同軸承比壓下,潤(rùn)滑油的進(jìn)油溫度T0對(duì)軸承相當(dāng)剛度Keq、流量Q 和溫升ΔT 的影響,計(jì)算結(jié)果如圖3(b)～圖3(d)所示.從圖3可看出:①進(jìn)油溫度越高,軸承的穩(wěn)定性越好,且比壓大的軸承穩(wěn)定性受進(jìn)油溫度影響更為明顯;②進(jìn)油溫度越高,潤(rùn)滑油流量越大,但比壓大的軸承潤(rùn)滑流量受進(jìn)油溫度影響相對(duì)較小;③當(dāng)潤(rùn)滑油流量足夠時(shí),進(jìn)油溫度越高,潤(rùn)滑油溫升越小,但由于潤(rùn)滑油流量不同,不同比壓的軸承溫升差別不大,因此當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)軸承出現(xiàn)回油溫度突然升高時(shí),往往不是軸承載荷過(guò)重,而是由于潤(rùn)滑油流量不足所造成的.

圖3 軸承性能參數(shù)隨進(jìn)油溫度變化的曲線Fig.3 Journal bearing' s performance parameters vs.inlet oil tem perature

3.2 案例

某電廠3 號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組為中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力公司生產(chǎn)的50 M W 空冷機(jī)組,汽輪機(jī)為C50-8.82/0.294型高壓、單缸、單抽汽、凝汽式汽輪機(jī),配以QF-60-2 型發(fā)電機(jī).該機(jī)組自2007年8月大修后,3號(hào)軸承(發(fā)電機(jī)前軸承)穩(wěn)定性裕度不足,出現(xiàn)較大的低頻振動(dòng).由于檢修工期有限,因此決定把潤(rùn)滑油溫度從37 ℃提高到42 ℃,結(jié)果表明:隨著潤(rùn)滑油溫度的升高,軸承的半頻振動(dòng)大幅降低,使其振動(dòng)基本達(dá)到合格水平(圖4).

某電廠2 號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組為東方汽輪機(jī)有限公司和東方電機(jī)有限公司制造的600 M W 機(jī)組,采用N600-16.7/538/538-1 型亞臨界、中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī),配以DH-600-G 型水氫氫冷卻方式的發(fā)電機(jī).2009年7月,該機(jī)組大修后首次啟動(dòng)至2 000 r/min 時(shí),6 號(hào)軸承(低壓B 轉(zhuǎn)子的后軸承)的瓦溫偏高,隨后手動(dòng)緊急停機(jī),但6 號(hào)軸承瓦溫仍繼續(xù)攀升,當(dāng)轉(zhuǎn)速降至1 610 r/min 時(shí),該軸承瓦溫達(dá)到最高(圖5).隨后,對(duì)其進(jìn)行翻瓦檢查,6 號(hào)軸承的下瓦中部發(fā)黑,大修記錄表明:6 號(hào)軸承標(biāo)高比大修前低了0.05 mm ,但基于軸承比壓對(duì)軸承溫度影響有限的考慮,因此決定檢查潤(rùn)滑油系統(tǒng),最后將6 號(hào)軸承的節(jié)油孔板由φ38.9 mm(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定φ39 mm ±0.1 mm)擴(kuò)大到φ39.1 mm,將8 號(hào)軸承的節(jié)油孔板由φ25 mm(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定φ23 mm)減小到φ23 mm ,重新啟動(dòng)后,軸系各軸瓦溫度恢復(fù)正常.

圖4 不同進(jìn)油溫度下的軸承振動(dòng)變化趨勢(shì)Fig.4 The vibration trend of bearing vibration under different inlet oil temperatures

圖5 汽輪機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的軸承溫度變化曲線Fig.5 Variation of the bearing temperature during startup of the turbo-generator unit

4 結(jié) 論

(1)軸承標(biāo)高變化會(huì)改變軸系的載荷分配,但由于軸系中各軸承對(duì)支撐載荷的貢獻(xiàn)率不一樣,導(dǎo)

致各軸承標(biāo)高的變化對(duì)軸系動(dòng)力學(xué)特性的影響程度也不同.

(2)從目前大型汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承設(shè)計(jì)比壓看,其渦動(dòng)比大多趨于0,因而造成渦動(dòng)比的微小計(jì)算誤差,這將導(dǎo)致臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的大幅波動(dòng),因此采用相當(dāng)剛度評(píng)判實(shí)際機(jī)組軸承穩(wěn)定性更為準(zhǔn)確.

(3)軸承穩(wěn)定性裕度隨進(jìn)油溫度的升高而增大,且重載軸承的穩(wěn)定性受進(jìn)油溫度影響也更為明顯.

(4)當(dāng)潤(rùn)滑油流量足夠時(shí),不同比壓的軸承溫升差別較小.因此,現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)軸承溫度突然升高時(shí),往往不是軸承載荷過(guò)重,而是由于潤(rùn)滑油流量不足所造成的.

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