核电汽轮机轴承温度偏高原因分析及处理措施

2013-01-06黄祥君郑华兵苏志刚

发电设备 2013年1期

黄祥君，郑华兵，苏志刚

（大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳518124）

某核电百万千瓦汽轮发电机组轴系由6根转子组成，每根转子由2个轴承支承；除发电机转子后端轴承坐落在发电机外定子大端盖上外，其余11个轴承均坐落在落地式轴承箱内；1号～10号轴承为圆筒瓦轴承，11号及12号轴承为可倾瓦轴承。该汽轮机轴承在大修后启动冲转和运行期间陆续出现轴承温度偏高的问题，直接威胁机组的安全运行。笔者主要分析了汽轮机轴承温度偏高的原因，并提出了处理措施。

1 汽轮机轴承温度偏高的情况

1．1 冲转时轴承温度偏高

机组U1大修后冲转时因5号轴承温度达到报警值（95℃）而停机抢修，机组U2大修后冲转时因6号轴承温度达到停机值（100℃）而停机抢修。

1．2 日常运行时轴承温度偏高

机组U1和U2日常运行期间曾多次出现部分轴承温度明显高于其他轴承温度，甚至高于报警值的情况，机组U3和U4的同类型轴承也存在类似情况，见表1。

表1 处理前轴承温度 ℃

表1 （续）

2 轴承温度的计算结果

由于轴承温度偏高是该类型轴承的共性问题，为验证是否存在设计问题，并指导轴承温度偏高的原因分析，根据GB／T 21466．2—2008《稳态条件下流体动压径向滑动轴承圆形滑动轴承第2部分：计算过程中所用函数》，建立专门的计算程序对轴承温度进行计算［1］；还结合了轴承实际的排油温度对轴承温度的计算模型进行修正。计算结果见表2。

表2 轴承计算数据及其实际运行温度

由表2可知：润滑油流量除1号轴承偏差稍大，其余偏差均小于5%；轴承温度计算值与设计值基本一致，因此计算值可信。计算数据验证了轴承设计不存在问题，机组冲转及运行期间轴承温度偏高非设计原因。

3 轴承温度偏高原因分析

引起轴承温度偏高的常见原因有：润滑油流量不足［2］、轴承间隙小、轴承标高变化引起轴承负荷高、轴承乌金面不平滑、轴承位置不正等。

轴承供油管油流速度为1．5mm／s，满足通用设计要求；供油管尺寸符合设计要求，检查后确认无堵塞及泄漏现象；供油压力、轴承间隙、轴承进油口尺寸、油囊尺寸等符合设计要求，因此可以排除润滑油流量不足及轴承间隙小这两个原因。

3．1 轴承标高变化对轴承温度的影响

机组在冷态下进行轴系中心调整。当机组启动后从冷态变化到热态时，各轴承的标高变化可能不同，会引起各轴承负荷发生变化，从而导致各轴承温度发生相应变化［3］。

建立了轴系的力学模型，计算出因轴承标高变化量引起的轴承负荷变化量，进而计算出轴承温度的变化量，见表3。

表3 标高变化引起的轴承温度变化

从表3可以看出：从空载到满功率时轴承温度变化计算值最大约5K，实际变化量最大约4K，二者基本相符。

由表2和表3可知：加上冷、热态轴承标高变化的影响，轴承最高温度应小于90℃；但表1中机组U1 7号轴承温度达97．1℃，机组U2 5号轴承温度达94．5℃，因此轴承温度偏高仍有其他影响因素。

3．2 瓦衬变形导致轴承温度偏高

该类型轴承采用了薄瓦衬结构，巴氏合金浇注在厚度为16．5mm的钢瓦衬上，采用紧力配合来保证瓦衬与瓦体紧密接触，从而保证瓦衬内孔形状正确，轴承乌金面平滑，见图1。

图1 轴承结构图

由于采用了薄瓦衬紧力配合的结构，可能造成瓦衬的局部变形、轴承乌金面不平滑、润滑油流动不畅，甚至造成润滑油膜局部破裂，引起轴承局部温度偏高。当局部变形位于温度测点附近时，轴承温度就会偏高。

3．3 轴承左右不对中造成轴承温度偏高

该类型轴承的下半瓦体由分别位于左、右两侧和正下方的3块球面垫铁支承，上半瓦体正上方有1块球面垫铁（见图1）。

在转子所受重力的作用下，在轴承上产生的最大转动力矩M1为：

轴承上由摩擦阻力产生的阻力矩M2为：

式中：D为轴承内径，mm；G为转子所受重力，N；B为轴承宽度（设计值B＝0．5D），mm；d为轴承外径（设计值d＝1．8D），mm；μ为摩擦系数，要求μ＜0．16。

由式（1）及式（2）可见：M1＞ M2，因此轴承在轴向方向具有自定位能力。然而，在左右方向由于没有力的作用，即M1＝0，M1＜ M2，因此轴承在左右方向没有自定位能力。

轴承在左右方向不具有自定位能力而造成轴承左右不对中的问题，这是因为：一方面认为球面垫铁的轴承具有自定位能力；另一方面，侧间隙不容易测量准确，瓦衬在转子质量作用下可能出现变形，导致侧间隙变化等因素也会误导判断轴承的对中情况。

当轴承左右不对中时，轴承前后和左右的间隙发生变化，使得间隙不均匀，造成润滑油膜厚度不均匀，导致润滑不充分，甚至造成润滑油膜破裂，引起轴承温度偏高，前后温度测点温差大。在1．1节所述案例中，6号轴承前后温度测点的差值当时已超过30K。此外由表2可知：当轴承间隙变化时轴承的温度也会随之变化，也印证了上述分析是正确的。

4 处理措施及效果

4．1 消除轴承标高变化

根据表3的计算结果，在轴系找中心时将2号、5号和7号轴承标高相对于3号、4号和6号轴承标高低约0．03～0．05mm。

4．2 消除瓦衬变形

由于瓦衬变形较小，按照常规的检查方法（如内径测量、间隙测量等）不能检查出该问题，为此采取在轴承乌金表面涂上红丹粉或蓝油，与轴颈进行研磨，根据接触情况采用特制的平刮刀对乌金表面的接触高点进行修刮。修刮前后效果见图2。

图2 修刮前后温度测点附近的高点

4．3 消除轴承左右不对中

轴承左右不对中时，会造成轴承前后和左右的间隙不均匀，轴承在轴承箱内的轴向位置发生变化，轴承与轴承箱高低差发生变化，其中轴向位置的变化最明显，为此采用在中分面处测量瓦衬与瓦体的间隙，并计入轴承的间隙中；测量和调整轴承与轴承箱的高低差；测量和调整轴承与轴承箱的轴向相对位置，保证轴承位于正确位置，轴承前后和左右的间隙均匀。

采用上述措施后在机组冲转期间没有再出现轴承温度偏高的现象，满功率运行时轴承温度均控制在90℃以内，轴承之间的温度差更合理（见表4），取得了预期效果，提高了设备的安全裕度。