白雅賀，任會(huì)增，劉志平，

（北京電力設(shè)備總廠 特種工業(yè)汽輪機(jī)廠，北京 102401）

0 概 述

給水泵汽輪機(jī)的推力軸承主要是承受汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中的軸向推力、維持小汽機(jī)通流部分和靜止部件的軸向位置。因此，推力軸承的正常工作是小汽機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的先決條件之一。推力軸承瓦塊的工作溫度是推力軸承的重要參數(shù)之一。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，如果瓦塊的溫度過高，則運(yùn)行負(fù)荷的裕量相對(duì)過小，加速了推力瓦塊的磨損，引起潤滑油質(zhì)的老化，嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致推力瓦塊的燒毀，造成小汽機(jī)的重大損壞事故。

常用的汽機(jī)推力軸承為斜—平面組合的扇形固定瓦推力軸承和扇形可傾瓦推力軸承。比較這2種推力軸承后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工況變動(dòng)時(shí)，組合的扇形固定瓦推力軸承的工作狀態(tài)不如扇形可傾瓦推力軸承。但扇形固定瓦的結(jié)構(gòu)簡單，安裝與制造容易，運(yùn)行過程中各軸向間隙保持得更好，并且承載能力比同尺寸球鉸支承的可傾瓦軸承高10% ～17%，是中、小型設(shè)備中常用的一類液體動(dòng)壓軸承 。因此，扇形固定瓦常用于工況基本穩(wěn)定，且不頻繁在載荷下啟停車或有靜壓頂起裝置的中、小型設(shè)備上，將比采用可傾瓦推力軸承的制造成本低，軸承尺寸小，精度更高，運(yùn)行壽命長，可靠性高。

1 設(shè)備概況及推力軸承存在的問題

某公司的給水泵汽輪機(jī)采用TGQ10／6－1型單缸沖動(dòng)冷凝式汽輪機(jī)。軸承為固定瓦推力軸承，進(jìn)油方式為侵入式，推力軸承和前徑向軸承共同置于一個(gè)軸承體內(nèi)，組成聯(lián)合軸承。推力盤與轉(zhuǎn)子為一體加工而成，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸間的相對(duì)死點(diǎn)就在推力盤處，在推力軸承工作面和非工作面上鎢金處都設(shè)有超溫報(bào)警顯示。通過調(diào)整推力瓦和前軸承瓦座間的墊片厚度，可以滿足轉(zhuǎn)子、噴嘴、各級(jí)隔板間的軸向間隙。

斜—平面組合扇形推力軸承的斜面有一定傾斜角度，由于底部斜面間隙大于上部間隙，這樣設(shè)置可在運(yùn)行中減少外側(cè)邊緣甩出的油量，同時(shí)增加油膜的剛度。經(jīng)實(shí)測(cè)，這種設(shè)計(jì)更改，在隨后的運(yùn)行過程中取得了良好的效果。

某機(jī)組最大負(fù)荷為630MW時(shí)，即最大推力為50kN（均考慮現(xiàn)場(chǎng)帶來不確定因素余量）情況下，推力瓦溫度的最高點(diǎn)為88℃。當(dāng)機(jī)組帶額定負(fù)荷600MW，推力為40kN左右時(shí)，推力瓦溫度的最高點(diǎn)也在80℃以上。溫度的變化曲線，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)前推力瓦的溫度曲線

推力瓦烏金面采用巴士合金，材質(zhì)為ZSnSb11Cu6，對(duì)于銅—錫合金最高理論許用溫度為150～160℃，而瓦塊本身（材質(zhì)為合金）最高理論許用溫度為120℃。實(shí)際采用的最高許用溫度一般比理論最高值低20%左右，所以最高能在95℃的工況中運(yùn)行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸瓦長期在85℃左右的工況中運(yùn)行，將加速潤滑油的老化和變質(zhì)。綜合考慮軸承的材質(zhì)和油質(zhì)的關(guān)系，通常把潤滑油報(bào)警值設(shè)為75℃，停機(jī)值設(shè)為85℃。

2 軸瓦溫度過高的原因

2.1 對(duì)推力瓦和油系統(tǒng)的檢查

某年，利用機(jī)組臨檢的機(jī)會(huì)，對(duì)小汽機(jī)推力瓦進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)推力瓦烏金的磨損不大，推力瓦墊片沒有瓢偏和磨損現(xiàn)象，測(cè)量推力瓦的間隙為0.20 mm，潤滑油過濾器的狀態(tài)正常。清掃前箱和軸承，并更換過濾器濾芯后回裝?；匮b后，瓦溫沒有明顯下降趨勢(shì)，最高溫度仍為85℃左右。

2.2 軸向推力過大

多級(jí)軸流式汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，在蒸汽的作用下，轉(zhuǎn)子有從高壓端向低壓端移動(dòng)的趨勢(shì)，產(chǎn)生了軸向推力。由于機(jī)組常需超負(fù)荷運(yùn)行，最高負(fù)荷達(dá)630 MW，所以，產(chǎn)生的軸向推力較大，對(duì)于沖轉(zhuǎn)式汽輪機(jī)的軸向推力常為40～60kN。為了平衡這些軸向推力，除了依靠推力軸承，還有整個(gè)轉(zhuǎn)子自身對(duì)軸向推力的平衡。一般情況下，轉(zhuǎn)子軸向推力的組成：（1）作用于各級(jí)動(dòng)葉片上的軸向力。（2）葉輪兩側(cè)的壓力差產(chǎn)生的軸向力。（3）軸封凸肩前后壓差所引起的軸向力。該機(jī)組采用了齒形軸封，當(dāng)葉根處漏汽時(shí)，通過葉輪平衡孔的蒸汽流量大于隔板軸封漏汽流量，軸向推力增大；當(dāng)檢修工藝和質(zhì)量達(dá)不到要求時(shí)，軸封間隙超標(biāo)，軸封漏汽量增大，同樣會(huì)引起軸向推力增大。（4）轉(zhuǎn)子凸肩上的軸向力。因此，軸向推力過大也可能是由于動(dòng)、靜葉片結(jié)垢和葉片變形較嚴(yán)重及軸封凸肩前后壓差增大所致。

2.3 推力瓦余量不足

TGQ10／6－1型單缸沖動(dòng)冷凝式汽輪機(jī)的推力瓦為固定式，設(shè)計(jì)時(shí)，軸向推力設(shè)為50kN，軸上布置有10塊扇形瓦塊，采用侵入式進(jìn)油方式。瓦塊設(shè)計(jì)有一定的楔形角度，使得瓦塊工作面和推力盤之間形成楔形間隙，推力盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)潤滑油移動(dòng)，潤滑油從楔形空間的寬口進(jìn)入，從窄口流出，由于流進(jìn)的油量多于流出的油量，潤滑油在楔形空間內(nèi)受到推力盤的擠壓，壓力逐漸提高，當(dāng)這個(gè)壓力提高到足以平衡轉(zhuǎn)子的軸向推力時(shí)，在瓦塊和推力盤工作面間形成了油膜，建立了油膜液體摩擦。

當(dāng)該機(jī)組負(fù)荷和推力超過常規(guī)時(shí)，推力盤的擠壓力增大，在進(jìn)油量不變的情況下，相應(yīng)形成的油膜厚度減小，并且在回油口沒有改變的情況下，進(jìn)入瓦塊楔形間隙的潤滑油，一部分由瓦塊出口邊流出，另一部分與環(huán)形腔室的潤滑油混合后，又進(jìn)入后續(xù)瓦塊的楔形間隙。由于潤滑油循環(huán)使用，使得環(huán)形腔室內(nèi)油溫升高，冷卻能力下降。如果安裝軸瓦的偏差較大，也會(huì)造成某些瓦塊的油膜厚度減少，而使其它瓦塊的油膜厚度增加，這些因素最終將導(dǎo)致推力瓦的工作溫度過高。

由于推力瓦是按600MW負(fù)荷設(shè)計(jì)，軸向推力最大值設(shè)定為50kN，但該機(jī)組的最高負(fù)荷達(dá)630 MW，所以相應(yīng)的推力瓦塊楔形角、回油口相對(duì)設(shè)計(jì)的余量不盡合理，從而影響了油膜厚度、剛度和回油量。

2.4 潤滑油供油不足

如果供回油管道堵塞或者油量分配不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致潤滑油量減少和不被充分利用，潤滑油不能帶走由推力瓦摩擦產(chǎn)生的熱量，致使瓦溫的升高。所以，必須對(duì)推力瓦進(jìn)、回油管道進(jìn)行檢查，防止因?yàn)檫M(jìn)、回油管道被鐵銹等異物堵塞，引起推力瓦供油不足。

由于該聯(lián)合軸承供油采用1根油管供給，基本平分給工作面推力瓦、非工作面推力瓦和徑向軸承。潤滑油的分配方式，如圖2所示。

圖2 推力瓦瓦枕進(jìn)油口

正常運(yùn)行時(shí)，在汽流的作用下，推力盤和工作面推力瓦間隙會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非工作面一側(cè)，所以油量需求也相對(duì)較少，在管路和油泵布置不變的情況下，合理分配油量，發(fā)揮潤滑油的最大作用也是關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

3 處理方法

3.1 檢查油質(zhì)和管道

由于小汽機(jī)的軸封漏汽、潤滑油管道的銹蝕殘?jiān)⒏鞣N油漆膠類、墊片和耐油膠圈老化脫落的部分雜質(zhì)，都會(huì)造成潤滑油的品質(zhì)下降，所以經(jīng)常需要濾油，定期檢查油質(zhì)狀況。潤滑油在靜止?fàn)顟B(tài)下，雜質(zhì)及油中的水分會(huì)沉積在油箱的底部，因此油箱排靜油后可以有效去除雜質(zhì)及水分。為了徹底清除油箱中的雜質(zhì)及水分，在檢修時(shí)，對(duì)小汽機(jī)油箱進(jìn)行了排油，排油后發(fā)現(xiàn)油箱底部有大量黏稠性物質(zhì)，還有各種油漆膠類和耐油膠圈老化脫落的部分雜質(zhì)。清除各處鐵銹及雜質(zhì)后.采用潔凈的面團(tuán)徹底清理了油箱及軸承箱內(nèi)部。用濾油機(jī)將小汽機(jī)回油管道中的殘油抽出，徹底清除油中雜質(zhì)，防止混油現(xiàn)象的發(fā)生。更換了小汽機(jī)的潤滑油，將原來的潤滑油抽出，加入儲(chǔ)油箱，經(jīng)過濾合格后，作為備用油。

3.2 推力軸承設(shè)計(jì)改進(jìn)理論

由于使軸向推力增大的因素很多，所以只能針對(duì)推力瓦進(jìn)行重新核算設(shè)計(jì)，并優(yōu)化瓦枕的分配油方式。

（1）計(jì)算的邊界條件

計(jì)算通常需考慮壓力產(chǎn)生的實(shí)際邊界條件，對(duì)有限寬度滑動(dòng)表面的雷諾微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，在公式中忽略潤滑劑重力，設(shè)定潤滑油在層流狀態(tài)下不可壓縮，且在黏度等效的條件下進(jìn)行計(jì)算：

邊界條件為：P1（x＝0，z）＝P2（x，z＝0±0.5B）＝P3（x＝L，z）＝0

（2）能量方程

（3）黏度方程

（4）密度方程

以上各式中：x、z分別為徑向和周向坐標(biāo)；P為壓強(qiáng)；C為比熱；h為油膜厚度；P、T分別為油密度和溫度；η為油動(dòng)力黏度；ω為軸承角速度。

公式求解：（1）、（2）、（4）式方程無量綱化，（3）公式中A為常量，T的單位為℃。并用有限差分法將各方程轉(zhuǎn)化為線性方程組。然后借助超松馳迭代法聯(lián)立求解該方程組。針對(duì)B／L＝3，以及在特定黏溫關(guān)系的情況下進(jìn)行運(yùn)算，需指出的是，在不同邊界條件下，計(jì)算結(jié)果亦不同。

（5）雷諾數(shù)

（6）作用在軸承的推力核算

計(jì)算軸向推力為53kN，隨后的設(shè)計(jì)均增加1.13%的余量，推力按60kN進(jìn)行計(jì)算。

（7）根據(jù)推力等效溫度和瓦塊計(jì)算油膜厚度并核算

由此計(jì)算出油膜厚度為0.0645mm。滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在1.5倍安全系數(shù)下的要求。

（8）計(jì)算軸承所需潤滑油量

計(jì)算結(jié)果約為150L／min。

計(jì)算結(jié)果約為70L／min。

（9）計(jì)算油管理論供油量

由于油泵供油量最大為347L／min，管路直徑大小完全滿足油量供給，而油泵供油量為小汽機(jī)和給水泵共用，所以前軸承的供油量約為200L／min。

4 改進(jìn)措施

（1）參數(shù)β／h選取是否合適，對(duì)固定瓦軸承性能影響頗大，選取β／h≤2時(shí)，將導(dǎo)致固定瓦軸承的工作溫度過高，功耗增大。根據(jù)公式（5），校核雷諾數(shù)和黏度關(guān)系，一般選取β／h為3較合適，當(dāng)油膜厚度很小時(shí)，取上述β值會(huì)導(dǎo)致加工困難，β／h可以適當(dāng)取大值。

該機(jī)組的小汽機(jī)β值與hc比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3，β＝0.1mm，所以，按計(jì)算所得，將內(nèi)側(cè)β改為0.184 mm，外側(cè)按傾斜角度比例1∶1.8進(jìn)行修改。

（2）由于所需油量為150L／min，供給油量為200L／min，而推力瓦非工作面推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作面，所需求的油量不是很大，所以將非工作面進(jìn)油口直徑由?10mm改為?6mm，這樣工作面推力瓦進(jìn)油量相應(yīng)增加14%左右，完全能滿足非工作面的供油量。

（3）軸承運(yùn)行初時(shí)，瓦塊與推力盤之間的潤滑膜尚未建立，為保證啟動(dòng)性能，支撐平臺(tái)的建議值（0.1～0.3）L，一般取0.2L，所以建議值為12mm，現(xiàn)設(shè)計(jì)值為7mm，也在選取范圍之內(nèi)，而且固定瓦推力軸承啟動(dòng)平均比壓Pp為0.7MPa左右；瓦塊理論最高承受平均壓比Pp可以達(dá)到7MPa，但欲使瓦塊和推力盤之間保持適當(dāng)?shù)臐櫥ず穸?，避免軸承溫度過高，最大瞬時(shí)比壓應(yīng)不大于4MPa，該機(jī)組的支撐平臺(tái)能滿足這些要求，且支持面過大會(huì)造成油膜厚度的減少，所以不需要更改。

（4）為了減少瓦塊出口邊流出的潤滑油與環(huán)形腔室內(nèi)潤滑油的混合量，把原來的回油槽由5mm改為7mm，增加潤滑油的循環(huán)。

5 改進(jìn)效果

經(jīng)過改進(jìn)后，機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)良好，效果很明顯。當(dāng)機(jī)組最大負(fù)荷為630MW時(shí)，最大軸向推力達(dá)到50kN，而推力瓦溫度的最高點(diǎn)不會(huì)超過70℃。當(dāng)機(jī)組額定負(fù)荷為600MW時(shí)，軸向推力為40kN左右，推力瓦溫度的最高點(diǎn)僅為66℃，完全能保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。改進(jìn)后推力瓦的溫度變化曲線，如圖4所示。

6 結(jié) 語

通過對(duì)給水泵汽輪機(jī)推力瓦的改進(jìn)設(shè)計(jì)，取得了很多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

（1）適當(dāng)增加固定推力瓦斜面β值，可有效增加高轉(zhuǎn)速下的油膜厚度，增加潤滑油的循環(huán)速度，冷卻潤滑油的效果明顯，且減少功耗。在低轉(zhuǎn)速工況下，甩油油量相對(duì)較低，所以，在低轉(zhuǎn)速下的瓦溫與改進(jìn)之前相比，瓦溫略有提高，但軸瓦工作溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，更有利于整體設(shè)備的安全運(yùn)行。

圖4 改進(jìn)后推力瓦的溫度曲線

（2）工作面推力瓦用油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非工作面推力瓦用油量，所以，在總油量固定不變的情況下，按比例2∶1分配進(jìn)油量，保證整體機(jī)組的用油量的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

（3）瓦塊與瓦塊之間的出油邊，宜相互連接，并應(yīng)在瓦塊上部設(shè)回油槽，保證回油量小于進(jìn)油量?；赜筒蹖挾扰c深度應(yīng)當(dāng)適中，油口過大，導(dǎo)致潤滑油量增加，且潤滑油膜厚度會(huì)相應(yīng)減??；油口過小，會(huì)造成潤滑油的熱油被利用的過多，導(dǎo)致推力瓦溫度升高。所以，推力瓦塊回油口大小的選擇也很重要。

（4）機(jī)組剛啟動(dòng)時(shí)，瓦塊與推力盤之間的潤滑油膜尚未建立，為了保證啟動(dòng)性能及保護(hù)推力瓦，推力瓦應(yīng)保持有一定的支撐，支撐面的寬度由推力瓦的各個(gè)瓦塊長度所決定，而且支撐長度不宜設(shè)計(jì)得過大。