曹文俊

（寶武集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司， 廣東 韶關(guān) 512123）

TRT是利用高爐爐頂煤氣的余壓余熱，把煤氣導入透平膨脹機，使壓力能和熱能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的一種能量回收裝置[1]。滑動軸承因其結(jié)構(gòu)簡單，載重大、使用壽命長等優(yōu)點在大型旋轉(zhuǎn)機組中有著廣泛的應用。大型滑動軸承軸瓦襯層材質(zhì)一般為低熔點的軟質(zhì)合金。溫度是滑動軸承運行的一個重要參數(shù)，過高的溫度一方面加速了潤滑油的老化，另一方面使軸瓦瓦面材質(zhì)軟化而導致軸承失效，嚴重時甚至發(fā)生燒瓦，從而引起設備事故?？刂戚S承溫度是保證軸承正常穩(wěn)定運行的關(guān)鍵之一，大型機組中軸承溫度一般設置報警值、停機值。因該滑動軸承推力瓦塊工作面為巴氏合金，其熔點較低，為了保證軸承的正常工作，軸承的最高溫度不能超過其熔點，工程實際上會設置軸承溫度報警值、停機值。寶武集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司（以下簡稱韶鋼）8號TRT機組于2008年投產(chǎn)，2013年以來頻繁發(fā)生推力瓦溫度高故障，嚴重影響機組的安全運行。

1 滑動止推軸承工作原理

TRT轉(zhuǎn)子運行時主要受到的軸向力有：高爐煤氣作用在透平機轉(zhuǎn)子動葉上的作用力、發(fā)電機電磁力、轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量在軸向的分力等，這些力的合力通常被稱為殘余軸向力。止推軸承的作用是平衡機組軸向殘余力，限制轉(zhuǎn)子軸向移動，防止靜止部件與轉(zhuǎn)子部件直接接觸發(fā)生碰撞。韶鋼8號TRT止推軸承為金斯蓓蕾式可傾瓦，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)利用了杠桿平衡塊原理，每塊瓦受力比較均勻。

2 滑動軸承熱傳導分析

圖1 TRT止推軸承為金斯蓓蕾式可傾瓦圖

正常工作時，止推軸承軸瓦與推力盤之間形成一層動壓油膜，油膜將推力瓦與推力盤隔開。軸承的發(fā)熱來源于潤滑油的剪切效應以及潤滑油與軸頸的摩擦。油膜中的熱量，除了潤滑油帶走一部分外，其余熱量將直接傳遞給軸承和軸頸，再經(jīng)過轉(zhuǎn)子和軸承座傳遞給周圍的其他介質(zhì)。當發(fā)熱量和散熱量相當時，溫度場穩(wěn)定下來，即達到熱平衡，此時軸承溫度保持某個恒定值。一旦某個因素發(fā)生改變，比如機組負荷加大，轉(zhuǎn)子軸向力增加使得止推瓦與推力盤間油膜壓力增大，摩擦加劇，發(fā)熱量增加，則原先的熱平衡被打破，新的平衡被重新建立。

3 軸承溫升的影響因素

從軸承熱傳導過程不難得出軸承的溫升與軸承運轉(zhuǎn)過程中進入軸承的熱量和流出軸承的熱量有關(guān)。進入軸承的熱量主要來源于供油管路流入潤滑油和軸承運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量，流出的熱量一部分被潤滑油帶走，一部分通過傳導、對流和輻射等方式傳給周圍環(huán)境。軸承的溫升主要取決于軸承本身發(fā)熱量以及潤滑油帶走熱量差值的大小，發(fā)熱量越大、熱量流失越少，則軸承溫升越高。

3.1 潤滑油流量對軸承瓦溫的影響

可傾瓦滑動止推軸承潤滑油溫升公式[2]：

式中：ΔT為潤滑與溫升，Pμ為摩擦功耗，cp為比定壓熱容，ρ為潤滑油密度，q為潤滑油流量，潤滑油的溫升與潤滑油流量成反比。因此增大潤滑油的流量，可以減少潤滑油溫升。實際上，滑動軸承中潤滑油除了形成流體潤滑油膜的作用外，還有一個重要作用是帶走軸承運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。進入軸承中的潤滑油流量越小，其帶走軸承的熱量越小，因此軸瓦溫升也就越高。潤滑油流量偏小的原因有：

1）潤滑系統(tǒng)設計流量不足。系統(tǒng)設計時，潤滑系統(tǒng)潤滑泵選型偏小，流量不足。潤滑油流量可以滿足滑動軸承形成動壓油膜所需的流量，但沒有更多的潤滑油帶走軸承產(chǎn)生的熱量，會導致軸承溫升高。嚴重時不能形成穩(wěn)定的油膜，滑動軸承失效。如果潤滑油流量選擇過小，以至于不能滿足滑動軸承動壓流體潤滑油膜形成的條件，則軸承軸瓦與推力盤之間發(fā)生金屬直接摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，軸承瓦襯金屬熔化，軸承失效。

2）潤滑油流量分配不合理。一般地，一套TRT裝置設計一個潤滑系統(tǒng)，供透平機、發(fā)電機徑向、軸向止推等多個軸承部位使用。不同部位所需的潤滑油流量不同，如果分配不合理就可能發(fā)生某個軸承潤滑油流量不足，溫升超高的現(xiàn)象。

3）潤滑系統(tǒng)泵出口濾芯堵塞。設備因磨損產(chǎn)生的磨屑以及設備檢修、維護過程中帶入潤滑系統(tǒng)的固體污染物堵塞濾芯，導致供油流量減小。

3.2 止推軸承摩擦功耗對軸承溫度的影響

由滑動軸承摩擦功耗計算公式[2]：

式中：Pu*為摩擦功耗系數(shù)；Z為瓦塊數(shù)；B為軸承寬度（瓦塊沿徑向的尺寸）；η為潤滑油黏度；v為平均線速度。軸承一旦設計好，Z和B值則已確定，潤滑油黏度基本保持不變，而線速度v與可見摩擦功耗主要同軸承所受的摩擦力F有關(guān)。

3.2.1 摩擦系數(shù)對軸承溫度的影響

滑動軸承中的摩擦形式有流體摩擦、半流體摩擦和邊界摩擦三種。流體潤滑時軸與軸承被一層致密的油膜完全隔開，軸與軸承的表面之間不發(fā)生直接接觸，此時摩擦系數(shù)很小，摩擦與發(fā)熱很小。流體潤滑對軸承的工作最為有利。半流體潤滑時，致密的油膜被破壞，軸與軸承表面小范圍直接接觸，此時摩擦系數(shù)較大，軸承中的發(fā)熱較大，對于高速運轉(zhuǎn)的軸承，可能發(fā)生軸承過熱或損壞。邊界摩擦時，軸與軸承表面大范圍直接接觸甚至完全接觸，此時摩擦系數(shù)最大，軸承容易發(fā)生過熱、軸瓦巴氏合金襯層熔化而燒瓦。

3.2.2 軸承載荷對軸瓦溫度的影響

TRT工作時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在3 000 r/min，與電網(wǎng)保持同步，也即V值基本恒定，因此摩擦功耗主要取決于軸瓦所承受的載荷。作用于止推軸承的力越大，止推軸承油膜間的壓力也越高，油膜越薄。膜厚的下降會增大潤滑劑內(nèi)部的切應變率，從而導致溫度的升高[3]。

1）透平機轉(zhuǎn)子軸向力分析（見圖2）。TRT機組運行時其軸向主要受到煤氣因壓力差作用與轉(zhuǎn)子葉片上的指向排氣側(cè)的力F氣，發(fā)電機轉(zhuǎn)子電磁力F電，機組轉(zhuǎn)子自重產(chǎn)生的軸向分量G軸以及通過氣封泄漏的氣體作用于平衡活塞上的軸向力F平，這些軸向力的合力通常稱為殘余軸向力，由止推軸承來平衡。正常工作時，滑動止推軸承處于流體潤滑狀態(tài)，推力瓦與轉(zhuǎn)子上的推力盤在被一層薄薄的壓力油膜隔開，彼此之間不發(fā)生直接摩擦。設止推軸承對轉(zhuǎn)子的軸向力為F止，則有F平+F氣+F電+G軸=-F止，負號代表方向相反?；瑒虞S承作用在轉(zhuǎn)子上的力F止最終平衡了軸向殘余力，將運轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子軸向竄動控制在一定安全范圍內(nèi)。

圖2 TRT軸系簡圖

2）高爐頂壓波動對轉(zhuǎn)子軸向力的影響。高爐煤氣頂壓在布料過程中存在波動大的現(xiàn)象，頂壓升高，則作用于TRT透平機轉(zhuǎn)子上作用力F氣增大，機組軸向殘余力也會增大，由轉(zhuǎn)子軸向力平衡方程可知，止推軸承載荷F平增大，摩擦功耗增大。

3）平衡套對轉(zhuǎn)子軸向力的影響。該型TRT機組為了減少軸向殘余力，在機組進、排氣端設置一平衡管，平衡管將進氣軸端泄漏的煤氣連通排氣側(cè)，減少該部分煤氣作用于轉(zhuǎn)子平衡套端面上而產(chǎn)生軸向力。進氣側(cè)軸端泄漏的煤氣如不能及時的排至排氣端，則會在轉(zhuǎn)子兩端產(chǎn)生壓差；或者平衡套從轉(zhuǎn)子上脫出，進氣側(cè)轉(zhuǎn)子端面煤氣作用有效面積增大。以上兩種情形均導致轉(zhuǎn)子軸向力增加，推動轉(zhuǎn)子向排氣側(cè)移動，止推軸承軸向固定，隨著轉(zhuǎn)子軸向移動，推力盤與主推力瓦之間的間隙,油膜變薄，潤滑油內(nèi)部的切應變率增大，產(chǎn)生的熱量增加，軸瓦溫度升高。8號TRT曾因高爐煤氣溫度超高，發(fā)生平衡套因熱膨脹從轉(zhuǎn)子上脫落的現(xiàn)象（平衡套通過熱裝與轉(zhuǎn)子過盈配合），如圖3所示。

圖3 平衡套

圖4 透平機轉(zhuǎn)子自重軸向分力

4）揚度對轉(zhuǎn)子軸向力的影響。為了保證大型機組軸系是一條光滑的曲線，檢修時需對轉(zhuǎn)子揚度進行調(diào)整。轉(zhuǎn)子兩端軸承座的高度差以及轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量的分布決定了轉(zhuǎn)子曲線的形態(tài)。轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量的作用，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個軸向的分力，如圖4所示。與水平方向傾斜角θ越大則軸向分力越大。

5）發(fā)電機磁力中心調(diào)整對透平轉(zhuǎn)子軸向力的影響。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝時以機械中心為基準，而運轉(zhuǎn)時其轉(zhuǎn)子將定位于磁場中心，機械中心可能與磁場中心不一致，電氣啟動后發(fā)生軸向竄動，對TRT機組轉(zhuǎn)子軸系產(chǎn)生一個軸向分力F電，方向和大小均對止推軸承承載有一定的影響。

3.2.3 推力瓦塊刮修對軸承瓦溫的影響

推力瓦塊瓦面刮研過度，導致實際形成有效油膜的接觸面積減小，油膜間壓力增大；研瓦精度不足，導致部分瓦面與推力盤接觸磨擦，產(chǎn)生的熱量增大。熱量導致潤滑油黏度變小，油膜變薄，推力瓦與推力盤間油膜間隙變小，進一步加大磨損，甚至燒瓦。如圖5、圖6所示，在某次檢修中，檢修人員將推力瓦塊進油側(cè)瓦口進行了刮研，結(jié)果在開機帶負荷不到幾分鐘就發(fā)生了燒瓦事故。事故主要原因為瓦口修得過深、面積過大導致推力瓦與推力盤接觸有效面積減少，即使在軸向力不變的情況下，止推瓦與推力盤間油膜壓力增大，油膜厚度變小，導致推力盤與推力瓦表面高點直接接觸，摩擦加劇，局部溫度迅速上升。一方面高溫使軸瓦襯層合金變軟，承載能力下降，另一方面高溫造成進入摩擦副的潤滑油黏度下降，油膜厚度變小，進一步加劇了金屬表面摩擦。瓦口刮修過度，加大了潤滑油的泄漏，實際流進入動壓油膜承載區(qū)的有效流量大幅減小，未經(jīng)油膜承載區(qū)的潤滑油不能進行充分的熱交換，因此帶走的熱量也小。

圖5 準備進行刮修的軸瓦

圖6 損壞的軸瓦

3.2.4 推力盤推力面平直度和光潔度對軸承瓦溫的影響

動壓油膜很薄，如果推力瓦表面和推力盤表面粗糙度不能滿足最小油膜厚度要求，推力盤表面高點與推力瓦表面高點直接接觸，發(fā)生金屬間的摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，軸承溫度會升高，嚴重時會發(fā)生燒瓦現(xiàn)象。設計時，最小油膜厚度hmin必須滿足：

式中：Rz1、Rz2分別為軸頸和軸承的表面粗糙度。

4 抑制措施

4.1 維持止推軸承形成穩(wěn)定的流體潤滑的條件

1）日常維護主要是油溫、油壓、油量、油品清潔度，保證軸承安全穩(wěn)定運行對潤滑油的要求。

2）定期檢查，修復推力盤表面，使其粗糙度、平直度滿足要求。

3）瓦塊的刮修不宜過度，要有利于潤滑油的進入，減少潤滑油的泄漏。

4.2 適當加大主推力瓦潤滑油流量

對現(xiàn)有潤滑管路進行處理，在不影響機組其他軸承潤滑油量的基礎上，適當減少進入止推力瓦潤滑油量，同時加大進入主推力軸承潤滑油量。在研究8號TRT主推瓦溫高原因時發(fā)現(xiàn)副推力瓦溫度很低，與推力軸承潤滑油回油溫度一致。透平機組推力瓦主推與副推潤滑油通道對稱布置，管道直徑一樣。實際在正常工作時因透平轉(zhuǎn)子進氣端氣體壓力高，轉(zhuǎn)子向排氣側(cè)靠近，副推力瓦與推力盤之間間隙大，基本形成不了動壓油膜，實際上在平衡軸向力方面不起作用。因此在止推瓦潤滑管路上做了處理，適當減少了進入副推力瓦潤滑油流量，同時加大主推力瓦進油量。經(jīng)多次試驗，在保證機組其他部位潤滑條件基本不變的情況下，通過流量調(diào)整，主推力瓦溫度降低了約8℃。

4.3 對TRT機組轉(zhuǎn)子揚度重新調(diào)整

調(diào)整前透平機進氣側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為1.3 mm/m，透平機排氣側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為0.07 mm/m，發(fā)電機傳動側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為0.05 mm/m，發(fā)電機自由側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為0.56 mm/m，很明顯，透平機轉(zhuǎn)子向排氣車傾斜較大。調(diào)整后透平機進氣側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為0.46 mm/m，透平機排氣側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為0.14 mm/m，發(fā)電機傳動側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為0.10 mm/m，發(fā)電機自由側(cè)轉(zhuǎn)子軸頸揚度為0.54 mm/m。通過調(diào)整，減少了透平機轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量的軸向分量，從而減小了止推軸承的承載力。

將發(fā)電機定子向透平機方向移動，減少因發(fā)電機帶載荷時磁力中心調(diào)整導致的發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸向縮回而產(chǎn)生的拉透平機轉(zhuǎn)子對透平機轉(zhuǎn)子軸向位移的影響。

5 效果

通過技術(shù)攻關(guān)，采取以上措施后，止推軸承主推力瓦溫度從之前的90℃左右降至目前的74℃左右。即使在高爐頂壓處于峰值時，其溫度也未超過80℃，機組的運行穩(wěn)定性得到很大的提升。

6 結(jié)論

1）主推瓦溫度與潤滑油的流量有關(guān)，進入滑動軸承軸瓦的潤滑油有效流量越大，其帶走的軸承熱量也多，軸承溫升就越低。

2）在轉(zhuǎn)速一定的條件下，推力瓦溫度與軸向負載有關(guān)，軸向負載大，推力瓦溫高。通過減小機組轉(zhuǎn)子軸向殘余力，有利于降低軸瓦溫升。

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