660 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組可傾瓦軸承溫度異常分析

唐 峰，寧玉開(kāi)，韓 江，黃康照

（山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

某電廠660 MW 超臨界抽汽機(jī)組汽輪機(jī)是一次中間再熱、單軸、反動(dòng)式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)型號(hào)為60WT23E-138，采用水-氫-氫冷卻方式、額定轉(zhuǎn)速為3 600 r／min、頻率60 Hz 的發(fā)電機(jī)。機(jī)組抽汽主要為海水淡化提供所需的蒸汽。在機(jī)組啟動(dòng)的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端可傾瓦軸承出現(xiàn)溫度異常的現(xiàn)象。

1 機(jī)組軸承布置方式及其特點(diǎn)

汽輪發(fā)電機(jī)組采用單支點(diǎn)軸承布置方式的設(shè)計(jì)［1］如圖1 所示。其中，汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為兩個(gè)軸承支撐，汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為只有一端有軸承支撐、汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子未設(shè)計(jì)軸承支撐，機(jī)組共有5 根轉(zhuǎn)子6 個(gè)軸承組成。采用單支點(diǎn)軸承布置可準(zhǔn)確定義軸承負(fù)載，較高的負(fù)載可防止油膜震蕩、不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)低，在相同的軸承負(fù)載下，軸承的直徑較大對(duì)扭應(yīng)力有較大的安全系數(shù)，對(duì)中容易。

圖1 單軸承支承軸示意

1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)軸承采用袋式軸承［2］，軸瓦采用密閉設(shè)計(jì)由軸瓦上下半組成，內(nèi)部有烏金內(nèi)襯，柱形定位銷固定上下塊，并由螺栓緊固。軸瓦位于軸承箱之中。軸瓦由調(diào)節(jié)塊卡住定位。如軸瓦高度上下可通過(guò)增加或減少墊片的方式調(diào)節(jié)。上部的調(diào)節(jié)塊裝備有圓柱銷，用來(lái)保護(hù)軸瓦，防止軸瓦轉(zhuǎn)動(dòng)。潤(rùn)滑油從軸承座橫向通過(guò)進(jìn)油孔以楔緊式進(jìn)入軸承箱，此進(jìn)油孔位于結(jié)合面處。從進(jìn)油孔進(jìn)入后以繞行軸系方式從兩端進(jìn)入軸瓦下軸瓦，還設(shè)置了頂軸油囊，進(jìn)油量可通過(guò)閥門(mén)控制調(diào)節(jié)，來(lái)控制大軸頂起高度。雙支熱電偶用來(lái)測(cè)量軸瓦下半部分溫度。這種軸承軸瓦自調(diào)性較好，承載能力大，加工方便。

5 號(hào)和6 號(hào)軸承采用五瓦可傾瓦軸承，該軸承減輕了發(fā)電機(jī)上的螺旋振動(dòng)，螺旋振動(dòng)也叫Newkirk效應(yīng)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)在各種類型的渦輪機(jī)械上，是由摩擦產(chǎn)生的軸表面上的振動(dòng)誘發(fā)熱點(diǎn)導(dǎo)致的。經(jīng)測(cè)量，發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承上的相對(duì)軸振動(dòng)接近跳閘水平。發(fā)電機(jī)依靠球窩樞軸可傾瓦軸承，成功地消除了振動(dòng)，并將臨界速度調(diào)整到額定速度以上，這種軸承可嵌入現(xiàn)有的徑向空間，從而成為一種嵌入式替代產(chǎn)品，不必改動(dòng)底座。在性能方面，新型軸承被要求具有最大剛度系數(shù)，特別是在直接耦合的水平面。在原來(lái)的固定尺寸軸承的空間限制內(nèi)，新的設(shè)計(jì)需要產(chǎn)生可接受的負(fù)載支撐力和進(jìn)油口流速，提供雙重絕緣能力，以防止軸電流通過(guò)軸承接地。球窩樞軸可傾瓦設(shè)計(jì)對(duì)于由大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備中機(jī)械負(fù)載或熱效應(yīng)所導(dǎo)致的軸錯(cuò)位具有高度的適應(yīng)能力。球窩樞軸設(shè)計(jì)可消除通常與傳統(tǒng)樞軸有關(guān)的樞軸磨損，因此不必對(duì)軸承進(jìn)行保養(yǎng)。潤(rùn)滑油從軸承座橫向通過(guò)潤(rùn)滑油噴嘴方式進(jìn)入軸承，兩塊下軸瓦還設(shè)置了頂軸油囊，如圖2 所示。

2 5 號(hào)軸承溫度異常情況

汽輪發(fā)電機(jī)組正式啟動(dòng)前，需要對(duì)氫氣冷卻系統(tǒng)進(jìn)行吹掃清洗［3］，在氫氣冷卻器入口加裝臨時(shí)清洗濾網(wǎng)，系統(tǒng)充入潔凈的空氣，機(jī)組從盤(pán)車轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速的80%左右維持轉(zhuǎn)速10～15 min，然后打閘，轉(zhuǎn)速降至500 r／min 左右再次掛閘沖轉(zhuǎn)，連續(xù)進(jìn)行吹掃5 次，吹掃清洗完成后拆除臨時(shí)濾網(wǎng)，如圖3所示。

在發(fā)電機(jī)首次進(jìn)行吹掃的過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升至3 240 r／min 時(shí)，交流潤(rùn)滑油泵和交流頂軸油泵聯(lián)鎖停止，油泵聯(lián)停后機(jī)組各軸承溫度均有上升，五號(hào)瓦溫度最高升至118 ℃（軸承溫度高報(bào)警值115 ℃，跳閘值120 ℃），第1 次吹掃完成后調(diào)整系統(tǒng)潤(rùn)滑油系統(tǒng)壓力，機(jī)組采用ISO VG 46 潤(rùn)滑油，將潤(rùn)滑油系統(tǒng)壓力由0.17 MPa 調(diào)整為0.21 MPa，繼續(xù)進(jìn)行發(fā)電機(jī)空氣吹掃。五號(hào)軸承溫度仍然過(guò)高維持在報(bào)警值附近。

圖2 5 號(hào)軸承外型

圖3 發(fā)電機(jī)空氣吹掃流程

發(fā)電機(jī)吹掃恢復(fù)、氣體置換完成并將5 號(hào)軸承進(jìn)口節(jié)流孔板拆除后，機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至3 300 r／min 時(shí)，機(jī)組由于5 號(hào)軸承金屬溫度高保護(hù)跳閘，轉(zhuǎn)速降至500 r／min 以下，再次掛閘沖轉(zhuǎn)機(jī)組轉(zhuǎn)速升至3 100 r／min 時(shí)，機(jī)組再次由于5 號(hào)軸承金屬溫度高保護(hù)跳閘。

3 5 號(hào)軸承溫度偏高的原因分析

3.1 軸承溫度偏高原因分析

1）軸承溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量不正確，熱電阻的阻值和絕緣不合格［4］。

2）軸承的潤(rùn)滑油流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，潤(rùn)滑油管路在軸承箱內(nèi)出現(xiàn)泄露，導(dǎo)致潤(rùn)滑油進(jìn)入軸瓦實(shí)際流量偏少，進(jìn)而觀察到軸承的回油溫度在正常范圍以內(nèi)，而出現(xiàn)軸瓦的溫度高的情況。

3）軸承底部?jī)蓧K軸瓦烏金面脫胎、損傷，進(jìn)而破壞了軸瓦油膜的穩(wěn)定性，導(dǎo)致了軸瓦溫度的異常升高。

4）油質(zhì)中存在顆粒造成軸瓦表面受損［5］。在進(jìn)行機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)前，按照要求已對(duì)潤(rùn)滑油油質(zhì)進(jìn)行了化驗(yàn)，油質(zhì)化驗(yàn)等級(jí)為NAS 6 級(jí)，在機(jī)組跳閘后對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑油進(jìn)行了再次取樣并化驗(yàn)，油質(zhì)滿足廠家和規(guī)范要求，因此油質(zhì)中存在顆粒對(duì)軸瓦表面造成受損的可能性被排除。

5）機(jī)組潤(rùn)滑油運(yùn)行油溫升高，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中潤(rùn)滑油不僅在各軸承中形成潤(rùn)滑油膜，同時(shí)還起到對(duì)機(jī)組各軸承的冷卻作用，即機(jī)組潤(rùn)滑油在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)循環(huán)帶走各軸承由于摩擦所產(chǎn)生的熱量，從而保證各軸承的運(yùn)行溫度在設(shè)計(jì)要求范圍以內(nèi)，所以潤(rùn)滑油運(yùn)行溫度的升高會(huì)影響潤(rùn)滑油對(duì)軸承的冷卻作用，進(jìn)而造成機(jī)組各軸承溫度的上升。通過(guò)查詢潤(rùn)滑油系統(tǒng)運(yùn)行歷史記錄，潤(rùn)滑油溫度穩(wěn)定在45℃，排除了潤(rùn)滑油溫度對(duì)軸承溫度高的影響。

6）軸承箱內(nèi)頂軸油管路出現(xiàn)泄漏，在轉(zhuǎn)速升高的過(guò)程中，無(wú)法形成有效地壓力油楔，造成軸承金屬溫度高。

7）軸承不能形成潤(rùn)滑油膜，使轉(zhuǎn)子與軸承之間的摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致軸承溫度過(guò)高。

3.2 5 號(hào)軸承溫度偏高的主要原因

當(dāng)汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子平均溫度低于150 ℃，具備停運(yùn)盤(pán)車條件，隨即停運(yùn)盤(pán)車、頂軸油及潤(rùn)滑油系統(tǒng)，對(duì)5 號(hào)軸承進(jìn)行解體檢查。

軸徑和各軸瓦表面均正常，無(wú)磨損及刮痕等。

對(duì)軸承箱內(nèi)的頂軸油管路和潤(rùn)滑油管路進(jìn)行檢查，頂軸油和潤(rùn)滑油管路完整無(wú)泄漏，排除了頂軸油和潤(rùn)滑油管路泄漏對(duì)五號(hào)軸承溫度高的影響。

對(duì)軸承各安裝參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

針對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，驗(yàn)證了熱電偶的電纜類型符合設(shè)計(jì)要求，檢查了接線盒的電纜接線正確，通過(guò)熱水和涼水對(duì)熱電偶進(jìn)行了驗(yàn)證并確認(rèn)熱電偶工作正常，熱電偶的阻值和絕緣符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)分析機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)并對(duì)軸承進(jìn)行研究后確定5 號(hào)軸承的軸承潤(rùn)滑油膜不夠，使轉(zhuǎn)子與軸承之間的摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致軸承溫度過(guò)高。

4 改進(jìn)措施及處理效果

對(duì)設(shè)置了頂軸油囊兩下瓦塊的進(jìn)油油楔的進(jìn)行打磨加工，增加油楔的進(jìn)油面積，五號(hào)軸承結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 5 號(hào)軸承結(jié)構(gòu)及油楔加工尺寸

將底部?jī)蓚€(gè)軸瓦進(jìn)油的潤(rùn)滑油噴嘴軸向表面兩側(cè)各加工1 mm。將底部3 個(gè)潤(rùn)滑油噴嘴中間孔直徑從3.6 mm 增加到4.5 mm，如圖5 所示。對(duì)底部?jī)蓚€(gè)軸瓦的頂軸油囊邊緣的半徑增加1 mm，如圖6所示。

圖5 潤(rùn)滑油噴嘴中間孔直徑增大

圖6 頂軸油囊邊緣的半徑增加1 mm

調(diào)整5 號(hào)軸承的頂軸油進(jìn)油量由6 L／min 至12 L／min，在軸承恢復(fù)完成后，啟動(dòng)潤(rùn)滑油和頂軸油系統(tǒng)，檢查確認(rèn)各軸承的頂起高度都在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)（最小0.3 mm）。

對(duì)底部?jī)蓚€(gè)軸瓦進(jìn)行滲透檢測(cè)，通過(guò)滲透檢測(cè)主要是檢測(cè)底部?jī)奢S瓦是否存在烏金復(fù)合層邊緣開(kāi)口性脫層缺陷，通過(guò)檢測(cè)排除了這一可能對(duì)軸瓦造成的影響。

在各項(xiàng)處理措施完成并系統(tǒng)恢復(fù)后，機(jī)組再次啟動(dòng)后5 號(hào)軸承的溫度維持在97 ℃左右，滿足廠家要求的低于報(bào)警值10 ℃的正常運(yùn)行要求（報(bào)警值115 ℃，跳閘值120 ℃），潤(rùn)滑油進(jìn)回油溫度、振動(dòng)均在正常運(yùn)行范圍以內(nèi)，保證了機(jī)組的正常運(yùn)行要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度高的原因進(jìn)行分析，得出5 號(hào)軸承不能形成足夠潤(rùn)滑油膜，使轉(zhuǎn)子與軸承之間的摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致軸承溫度偏高，通過(guò)增加軸承油楔的進(jìn)油面積、增大潤(rùn)滑油噴嘴中間孔直徑、擴(kuò)大軸瓦的頂軸油囊面積等改進(jìn)措施對(duì)軸承進(jìn)行改造增加軸承的潤(rùn)滑油膜，5 號(hào)軸承溫度偏高問(wèn)題得到解決。對(duì)同類型機(jī)組的調(diào)試和檢修工作具有一定的參考價(jià)值。