660 MW亚临界汽轮机可倾瓦轴承碾瓦事故分析

杨晓伟, 李国明, 谢　澄, 马　超

(1. 同济大学 机械工程学院， 上海 210005;　2. 国电浙江北仑第一发电有限公司， 浙江宁波 315800;3. 浙江浙能北仑发电有限公司， 浙江宁波 315800)



660 MW亚临界汽轮机可倾瓦轴承碾瓦事故分析

杨晓伟1，2, 李国明2, 谢澄2, 马超3

(1. 同济大学 机械工程学院， 上海 210005;2. 国电浙江北仑第一发电有限公司， 浙江宁波 315800;3. 浙江浙能北仑发电有限公司， 浙江宁波 315800)

摘要：对660 MW亚临界汽轮机在启动或停机的低速过程中，可倾瓦轴承出现温度异常而碾瓦的原因进行了分析，从可倾瓦轴承的结构特点分析，确认由于底部瓦块承载过大、瓦块的自位能力受限，导致油膜破裂产生了碾瓦，并对该轴承及润滑油系统提出了改进措施。

关键词：汽轮机； 可倾瓦； 低速碾瓦

国电浙江北仑第一发电有限公司(以下简称北仑公司)3～5号机组为 660 MW火力发电机组，汽轮机由日本东芝公司制造，亚临界、单轴、冲动、四缸低排汽、一次中间再热、双背压凝汽式。2015年2月，3～5号机组高中压模块经通流改造后，在第一次停机过程中，3号、4号机组1号可倾瓦轴承在低速时发生碾瓦事件。笔者从可倾瓦轴承的特点，对可能导致碾瓦的原因进行了分析，提出了改进措施，满足了机组运行要求。

1可倾瓦轴承特点

可倾瓦轴承是一种传统的、成熟的产品，美国GE公司从1974年就开始采用。可倾瓦支持轴承通常由3～5个或更多个能在支点上自由倾斜的弧形瓦块组成，所以又叫活动多瓦块支持轴承，也叫摆动轴瓦式轴承。

可倾瓦与固定瓦轴承相比，具有很多优点，从理论上说，若不计瓦块的惯性、支点的摩擦阻力、油膜对瓦块的剪切阻力等，则每个瓦块作用在轴颈上的油膜力总是通过瓦块支点和轴颈中心，从而避免了产生轴颈涡流，因此具有很强的抗失稳能力，能适应较大的承载变化范围；还具有支承柔性大、吸收振动能量好、承载能力大、耗功小和适应正反方向转动等特点，并可延迟润滑油从层流向紊流转变。

该机组各轴承直径及长度参见表1。

表1　轴承的规格

轴承的比压是指轴颈的载荷除以轴承的直径和轴承的宽度。由于轴承瓦块承载的不连续性，故相同比压下，同直径的可倾瓦轴承和椭圆轴承在单位面积内承受的载荷是不同的。由于可倾瓦的接触面积小，故可倾瓦块轴承的承载能力要远高于椭圆轴承[1]。图1为不同负荷下轴承承载点。

机组在不同的运行转速时，其底部轴承的载荷是不一样的，高速比低速时要小。机组在高转速运行时，转子的位置会偏左上方，所以六瓦块轴承的可倾瓦，其底部瓦承担了约70%的载荷，下瓦油膜压力的分布见图1(a)；而在低速下，其底部瓦块承担了约90%的载荷，下瓦油膜压力的分布见图2。

为了不影响底部瓦块在高速下的动压，在瓦块的承载面，一般不开设顶轴油孔。因此在较低的转速下，过高的比压对轴承瓦块油膜的建立影响较大，容易发生低速碾瓦，特别是当机组运行后轴系的实际标高和理论计算值由于环境温度的影响会产生偏差，会加重轴承比压。因此，一般设计安全比压是小于14 kg/cm2。

2机组可倾轴瓦碾瓦记录

2012—2014年，北仑公司对3～5号机组高中压通流部分进行了改造，更换了机组中2号、3号和4号可倾瓦轴承，而1号轴瓦由于空间位置等原因未作更换。

3号机组于2013年1月改造后并网发电，2013年8月31日第一次停机过程中，转速为507 r/min时，1号轴承温度开始升高，最高至126 ℃，此时转速为128 r/min。4号机组于2014年2月7日改造完成后并网发电，2015年2月11日第一次停机过程中，转速为486 r/min时，1号轴承温度开始升高，最高至114 ℃，此时转速为246 r/min(见图3)。

检查1号轴颈，在轴承的两侧被黑色油烟覆盖。对1号轴承进行解体，发现轴瓦巴氏合金严重损坏并部分脱落，轴颈发黑；同时检查主油泵轴承，发现瓦块下方发黑，有过热迹象。

3原因分析

根据可倾瓦轴承发生碾瓦的原因，可以从轴承负荷分配、转子对中、轴承供油等方面进行分析。

3.1 轴承负荷分配

各轴承改造前后轴承比压对比见表2。改造前后1号轴承的负荷分别为1.2 MPa和1.26 MPa，与改造后4号轴承负荷接近，又小于没有发生碾瓦的3号轴承比压；同时运行中轴承金属温度数据与改造前数据是一致的，因此轴承负荷分配不是造成此次事故的原因。

表2　改造前后轴承载荷对比

3.2 转子对中问题

不同标高的轴承比压的变化见表3。在负荷变化的情况下，调整3号轴承标高，1号轴承的负荷分配变化量很小。1号轴承是独立的轴承，主要支撑转子前段，所以它对扬度曲线的调整不灵敏，由此可以认为转子对中问题不是此次碾瓦的原因。

表3　3号轴承标高不同对比压的变化

3.3 轴承供油情况

如第2节所述，从轴承温度曲线表明：轴承在停机过程中润滑油系统运行情况良好，但需排查是否可能是由于杂质造成油膜受损，导致油膜破坏而碾瓦。经过检查确认，4号机在辅助直流油泵开启前出现一个温度的小幅变化，但在对轴瓦进行检查时，轴瓦上并无杂质，而且该油系统一直稳定运行，机组的油净化装置也并无异常，因此可以排除油循环不彻底产生杂质而发生碾瓦的可能。

从上述分析中，可以排除轴承负荷分配、转子对中和轴承供油等因素而发生低速轴承碾瓦的原因。根据两次碾瓦的记录，轴承温度升高均发生在转速降至500 r/min左右时，此时润滑油温度也快速下降，导致油膜变厚，且底部瓦块的承载快速增加，底部轴承的比压也快速增加，造成此时可倾瓦块的自位能力受限，底部瓦块的承载过大，润滑油膜因破裂而丧失承载能力，从而导致轴承碾瓦。

4建议

为了避免再次发生轴承碾瓦，提出如下建议[2-3]：

(1) 更新原有轴承设计，将原有的6瓦块可倾瓦更改为5瓦块可倾瓦，上面3块下面2块，以期在低速情况下减小瓦块的承载变化，同时可以使可能存在的杂质有更大的空间被流动的润滑油带走。

(2) 重新设计可倾瓦底部与轴承环硬度和接触面积，以提高可倾瓦的自位能力。

(3) 为了减小可倾瓦轴承在低速下工作的不利影响，可对机组增装顶轴油系统。使用高压顶轴油泵将压力油送入支撑面，强迫摩擦面间形成油膜，将转子和轴承隔开，从而降低润滑油吸附膜的载荷，确保轴承可靠、稳定运行，可有效防止低速碾瓦的发生。

5结语

国电浙江北仑第一发电有限公司3号、4号机组的1号可倾瓦碾瓦的根本原因是在停机低速过程中底部瓦块承载快速上升、瓦块的自位能力受限、润滑油膜破裂而发生的低速碾瓦现象，由此提出了上述改进方案，解决了机组运行要求。

参考文献：

[1] Gluzman D. Turbine bearing wiper on coastdown: Cause analysis [C]//Vibration Institute Annual Technical Symposium. USA: American Petroleum and Energy Association, 2013.

[2] 黄传安,程光俊,宁国泉,等. 660 MW 超超临界汽轮机可倾瓦轴承损坏及处理[J]. 华中电力,2011,24(1):58-61.

[3] 郑展友,李辉,傅滨. 300 MW 汽轮机低速碾瓦的分析及处理[J]. 山西电力, 2012(4):60-62.

Cause Analysis of Tilting-pad Bearing Damage in a 660 MW Subcritical Steam Turbine

Yang Xiaowei1,2, Li Guoming2, Xie Cheng2, Ma Chao3

(1. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 210005, China; 2. Guodian Zhejiang Beilun No.1 Power Generation Co., Ltd., Ningbo 315800, Zhejiang Province, China;3. Zhejiang Zheneng Beilun Power Generation Co., Ltd., Ningbo 315800, Zhejiang Province, China)

Abstract：An analysis was conducted to both the structural features of a tilting-pad bearing and the reason of the bearing damage occurring in startup/shutdown of a 660 MW subcritical steam turbine due to abnormal temperatures, which was subsequently found to be caused by overloading at the bottom of the pad, resulting in limited self-aligning capability of the pad and broken oil film at low operation speed, thus leading to the bearing damage. Improvement measures were finally suggested for the bearing and lubricating system.

Keywords：steam turbine; tilting-pad bearing; pad grinding at low speed

收稿日期：2015-10-08

作者简介：杨晓伟(1978—)，男，在读硕士研究生，研究方向为大型火力发电厂汽轮机组轴系稳定性研究工作。E-mail: yxw6699@sohu.com

中图分类号：263.64

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0188-03