燃氣輪機潤滑油清潔度對軸承壽命的影響分析

楊天南，吳森

(海軍駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043)

0 引言

燃氣輪機作為重要的動力裝備，軸承是其關(guān)鍵部件，軸承的可靠性及壽命嚴重制約著燃氣輪機的可靠性及壽命。一般認為潤滑油的清潔度對軸承壽命有直接影響，所以燃氣輪機潤滑系統(tǒng)的清潔度也會嚴重影響軸承的壽命[1]。雖然人們對潤滑油中的微小異物會引起軸承損傷或者影響軸承壽命的問題有所了解，但實際上在設(shè)計或使用軸承過程中，很少定量地考慮這個問題。本文以某型燃氣輪機所用潤滑油清潔度對軸承壽命的影響分析為例，研究了保證潤滑油清潔度的重要性，并在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)改進措施。

1 潤滑油清潔度

潤滑油的清潔度一般通過描述油中固體顆粒污染物的含量或分布進行表征。現(xiàn)國內(nèi)燃氣輪機潤滑油清潔度一般執(zhí)行標準GJB 420B-2015，該標準以2001年版的SAE AS4059D為依據(jù)，結(jié)合我國的發(fā)展國情，等效采用了該國際標準的分級方法。GJB 420B-2015將固體顆粒污染度分為15個等級，固體顆粒污染物粒徑尺寸分為5個尺寸段，顆粒計數(shù)為大于某一規(guī)定粒徑的累積計數(shù)?，F(xiàn)在國際上通用的標準為ISO 4406，研究潤滑油清潔度對軸承使用壽命的影響一般基于此標準。

2 潤滑油污染物來源

潤滑油中污染物的來源主要有：殘留雜質(zhì)、混入雜質(zhì)和自生雜質(zhì)。

(1)殘留雜質(zhì)指存在于零件上，雖經(jīng)加工、清洗仍未去除的雜質(zhì)，如鑄件的型砂，鍛件非加工面的氧化皮、毛刺，機械加工過程中切屑、工作液及潤滑油中的機械雜質(zhì)等。

(2)混入雜質(zhì)指在裝配、使用、維修過程中由于操作者和環(huán)境混入的雜質(zhì)，如塵埃、有機物殘渣及其他形式的雜質(zhì)等。

(3)自生雜質(zhì)指在燃機工作過程中各部件自身磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)，以及潤滑油工作過程產(chǎn)生的焦化物等。

先進的燃氣輪機制造廠商都非常重視潤滑油清潔度的控制，要求從設(shè)計、生產(chǎn)、裝配到使用做到全方位的控制，標準方法都比較齊全規(guī)范。而國內(nèi)燃氣輪機行業(yè)缺少零部件及裝配的清潔度標準，對污染物來源、產(chǎn)生和影響機理以及預(yù)防等研究不足，導致清潔度控制缺少統(tǒng)一策劃，不規(guī)范，效果不理想。

3 清潔度對軸承壽命的影響分析

某燃氣輪機要求所使用的潤滑油清潔度不低于GJB 420B-7級，本文將以工作環(huán)境最苛刻的燃氣發(fā)生器止推球軸承為例，根據(jù)文獻的研究[2]，分析潤滑油清潔度降低一個等級(降低到GJB 420B-8級)對軸承使用壽命的影響。由表1和表2可知，現(xiàn)GJB 420B-7級相當于ISO 4406 16/13，而GJB 420B-8級相當于ISO 4406 17/14。

表1 GJB 420B-2015 固體污染度分級

注：表中尺寸分別使用ACFTD標準物質(zhì)校準或光學顯微鏡測試，以及ISOMTD標準物質(zhì)校準或掃描電鏡測試,計量單位均為μm。

表2 ISO 4406清潔度分級標準

潤滑油清潔度對軸承使用壽命的影響，多以系數(shù)的形式在軸承修正壽命計算公式中體現(xiàn)。即首先通過清潔度確定潤滑狀態(tài)，進而確定潤滑對軸承壽命的修正系數(shù)[3]。

燃氣發(fā)生器止推球軸承的滾動體直徑為Φ22 mm，根據(jù)表3可以判斷， ISO 4406 16/13時，對應(yīng)的潤滑污染系數(shù)V=1，為良好的潤滑狀態(tài)(見表4)；而潤滑油清潔度為ISO 4406 17/14時，對應(yīng)的潤滑污染系數(shù)V=2，為差的潤滑狀態(tài)[4]。

表3 滾動軸承潤滑污染系數(shù)

注：污染系數(shù)V取決于軸承/滾動體尺寸，允許點或線接觸，硬質(zhì)顆粒推薦過濾比。

表4 滾動軸承潤滑污染評價

根據(jù)文獻，燃氣發(fā)生器止推球軸承的壓力系數(shù)為：

fs為壓力系數(shù)，Pm=4000 MPa，Po為最大赫茲應(yīng)力。對于球軸承，e=3；對于滾子軸承，e=2。對于某燃氣輪機，最大赫茲應(yīng)力為燃氣發(fā)生器止推球軸承的接觸赫茲應(yīng)力，大約為1600 MPa左右。

由圖1可知，fs=16，V=1時，軸承使用壽命的清潔度影響系數(shù)s為1；V=2的清潔度影響系數(shù)s為0.2左右。

圖1 軸承壽命清潔度影響系數(shù)與壓力系數(shù)

根據(jù)設(shè)計分析，軸承L10修正壽命為25000 h。則在V=2時，考慮清潔度影響，軸承壽命約為：

25000h×0.2=5000h

可見，潤滑清潔度相差一個等級，軸承使用壽命大大降低，僅為原來的20%。

4 結(jié)論及建議

由分析可知，潤滑油清潔度對軸承的使用壽命影響顯著。因此建議燃氣輪機在使用過程中一定要加強潤滑油的管理，保證其清潔度等級[5]。而提高潤滑油清潔度的建議措施如下：

(1)機加后清洗及防護

燃機零件或組件在機加后必須進行清洗，且應(yīng)根據(jù)零件材料和結(jié)構(gòu)的不同，選用不同的清洗工藝。在生產(chǎn)過程中注意包裝防護，防止由于防護不當造成的零件磕碰傷、銹蝕、多余物、表面污染等二次污染問題。

(2)零部件裝配前清洗

燃機各零部件裝配前應(yīng)進行清洗，確實保證裝配清潔度要求。改進清洗溶劑選擇、機件積炭清理、清洗后干燥等清洗技術(shù)。

(3)裝配后整機沖洗

為了清除裝配過程中產(chǎn)生的污染顆粒以及殘留的污染，裝配后應(yīng)進行整機清洗。沖洗時清潔度等級要比使用時高一或兩個等級[3]。

(4)封嚴系統(tǒng)合理設(shè)計

為了防止封嚴部件磨損產(chǎn)生的污染物隨封嚴氣進入軸承腔混入潤滑油中，應(yīng)該設(shè)計合理的封嚴間隙，選擇合適的封嚴涂層。必要時,需要對軸承腔的封嚴氣進行過濾，即在引氣系統(tǒng)中添加過濾裝置。

(5)潤滑系統(tǒng)過濾能力提升

使用過程中產(chǎn)生的污染物及殘留物需要通過潤滑油濾進行過濾，可以通過提高整機潤滑系統(tǒng)的過濾能力(包括納物能力、過濾精度及過濾比)，保證過濾效果，提高系統(tǒng)的清潔度。

(6)油品質(zhì)量監(jiān)控

加強潤滑油污染度監(jiān)控，防止?jié)櫥推焚|(zhì)的劣化，定期化驗。如潤滑油不能滿足清潔度要求應(yīng)進行更換。