軸頸偏斜對橢圓軸承性能影響的試驗研究

郭勇，袁永強

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

1　前言

在汽輪機的調(diào)試和運行中，常會遇到軸承瓦溫高的情況。軸承溫度即使是稍接近設(shè)計的報警值，也會給電廠運行帶來很大壓力。在收集了多臺機組的軸承瓦溫數(shù)據(jù)，仔細(xì)分析了瓦溫分布情況后，發(fā)現(xiàn)大部分軸承瓦溫的表現(xiàn)有兩個特點：（1）在軸承全部的溫度測點中，僅個別測點溫度高；（2）位于軸承同一截面的測點溫差很大，最大能達(dá)到40℃。圖1給出了國內(nèi)某電廠軸承瓦溫測點溫度分布。其中測點1和測點3布置對稱于軸承中心線。該軸承多臺份的實際運行的數(shù)據(jù)反映，在正常運行時測點1和測點3的溫差不大于10℃，而圖1給出的軸承兩測點溫差接近30℃。顯然這個軸承局部溫度十分不均勻，軸承運行狀態(tài)偏離了設(shè)計。

圖1　某電廠軸承瓦溫分布

分析形成該現(xiàn)象的原因，認(rèn)為是由于轉(zhuǎn)子撓曲，加工誤差，安裝偏斜等多種因素聯(lián)合作用導(dǎo)致軸承和軸頸不對齊，進而造成兩側(cè)瓦溫不均勻。

針對軸頸偏斜對軸承性能的影響，國內(nèi)研究多集中在汽車發(fā)動機用滑動軸承，并以理論計算分析居多，如文獻[1-3]。在汽輪機用滑動軸承研究方面，孫麗軍[4]等認(rèn)為汽輪機軸承在向高速重載方向發(fā)展過程中，應(yīng)十分重視轉(zhuǎn)子偏斜對軸承性能的影響，并提出了相關(guān)要求。另外，在軸承的設(shè)計階段靜特性（如流量、功耗、溫升等）常常是潤滑油系統(tǒng)設(shè)計的重要輸入條件，因此王曉紅[5]等對軸頸偏斜條件下軸承的靜特性進行了理論研究。孫軍[6]等對軸變形產(chǎn)生的軸頸傾斜對滑動軸承潤滑的影響進行了試驗研究，該研究集中于細(xì)長軸的情況。在汽輪機中，軸承尺寸較大，采用文獻[6]的方法很難實現(xiàn)對軸頸傾斜的研究。因此本文采用和文獻[7]相同的軸承試驗裝置，通過可控的加載方法實驗轉(zhuǎn)子的偏斜，進而進行偏斜對橢圓軸承性能影響的試驗研究。試驗研究的主要目標(biāo)是復(fù)現(xiàn)軸承現(xiàn)場運行狀況，并研究轉(zhuǎn)子偏斜后，橢圓軸承靜態(tài)性能的變化，為該現(xiàn)象的治理提供試驗支持。

2　軸頸偏斜軸承的油膜壓力分布

軸頸偏斜表示轉(zhuǎn)子軸線和軸承的軸線不平行的現(xiàn)象。汽輪機軸承在理想工作狀態(tài)下，軸承和轉(zhuǎn)子的中心線是平行的，如圖2（a）所示。此時在軸承任意一個軸向截面上，油膜厚度處處相等，油膜壓力分布沿軸承中心線左右對稱。軸頸偏斜后，油膜厚度在軸向成不均勻分布，促使最高油膜壓力向間隙小的方向移動，如圖2（b）所示。油膜壓力分布變化導(dǎo)致軸向兩側(cè)油膜壓力梯度變化。如圖2（b）中左側(cè)壓力梯度變大，右側(cè)變小。因此油膜壓力梯度高的局部流速更高，因此產(chǎn)生更多的熱量，最終形成溫度一側(cè)高一側(cè)低的現(xiàn)象。

圖2　軸承軸向壓力分析示意圖

直接測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的傾斜角非常困難，因此采用特征壓力差來表征轉(zhuǎn)子的傾斜程度。如圖2所示，在軸頸和軸承對齊的狀態(tài)下，油膜壓力分布沿軸承中心線左右對稱，因此距離中心線兩側(cè)相等的點A和B的油膜壓力Pa和Pb應(yīng)相等；軸頸偏斜后，軸承油膜壓力分布的對稱性改變，導(dǎo)致Pa和Pb不相等。軸頸偏斜越嚴(yán)重，則Pa和Pb的差值就越大。基于上述分析，特征壓力差用來表征轉(zhuǎn)子的偏斜程度。

3　實驗軸承及實驗臺

本文采用正置式軸承實驗臺進行研究，實驗臺的結(jié)構(gòu)如圖3所示。軸承的載荷通過兩側(cè)的加載器加載實現(xiàn)，轉(zhuǎn)子僅靠實驗軸承支撐。轉(zhuǎn)子偏斜程度依賴于兩側(cè)加載壓力的均衡程度。若施加于電機側(cè)加載器的壓力大于非電機側(cè)，則轉(zhuǎn)子會傾向于電機側(cè)。由于膜片聯(lián)軸器的限制，兩側(cè)加載壓力的差別也不能太大。在實驗中發(fā)現(xiàn)軸承特征壓力相差1 MPa以上，膜片聯(lián)軸器就發(fā)出明顯的嘯叫聲。為了實驗安全，將最大壓力差別限制在1.6 MPa以下。實驗軸承載荷由兩部分構(gòu)成，一部分為轉(zhuǎn)子的重力（約53704 N），另一部位為加載器施加在轉(zhuǎn)子上的力。

圖3　實驗臺加載結(jié)構(gòu)示意圖

實驗軸承采用上瓦開槽的橢圓軸承，如圖4所示。表1給出該軸承的主要參數(shù)。在T-T和P-P兩個截面（見圖4）上安置了溫度和壓力測點。將壓力測點放置到P-P截面(7.5°的截面)，主要為了兼顧低速下的壓力測量。溫度測點安裝在45°截面上，該截面在試驗轉(zhuǎn)速下瓦溫較高。為了方便后續(xù)的描述，將壓力測點編號為P1（電機側(cè)）、P2（非電機側(cè)）；溫度測點編號為T1（電機側(cè)）、T0、T2（非電機側(cè)），如圖 4(c)和(d)所示。

圖4　軸承溫度和壓力測點布置截面示意圖

表1　軸承主要參數(shù)表

4　實驗結(jié)果及討論

4.1　軸承載荷

2013年4月完成了相關(guān)實驗。首先將軸承穩(wěn)定運行在2800 r/min、軸承比壓加載到2.66 MPa；進油壓力0.078 MPa，進油溫度41～42℃。交替變化兩側(cè)的加載壓力，形成軸頸偏斜，軸承總載荷在試驗過程中維持2.66 MPa不變。圖5為試驗過程中，兩側(cè)加載器的壓力變化圖。結(jié)合加載器的壓力面積0.1176 m2，可以得到兩側(cè)加載力差的趨勢圖，見圖6。圖6中的加載力差為非電機側(cè)的加載力減去電機側(cè)的加載力。

圖5　兩側(cè)加載器壓力趨勢圖

圖6　兩側(cè)加載力差值趨勢圖

4.2　軸承特征壓力和溫度的變化情況

如前所述，采用P1和P2的壓力差來表征轉(zhuǎn)子偏斜的程度。圖7給出了實驗過程中，P1和P2的變化趨勢圖。對比圖6和圖7，可以看到由于實驗轉(zhuǎn)子在軸承兩側(cè)結(jié)構(gòu)的不對稱對軸承的影響。由于聯(lián)軸器對試驗轉(zhuǎn)子的限制作用，需要將電機側(cè)適當(dāng)下壓（下壓的力大致為1.65×104N）才能使瓦面上特征測點的壓力相等。以1.65×104N作為瓦面壓力的平衡位置，本次實驗兩側(cè)加載壓力最大相差0.45×104N。

實驗過程中，軸承瓦溫的變化趨勢如圖8所示。在圖中，處于圖中間的細(xì)虛線表示的溫度曲線為T0測點的溫度值。T0表示軸承中心線處的溫度。圖中粗實線和粗虛線為兩側(cè)溫度趨勢曲線。在試驗開始階段，軸承兩側(cè)溫度基本相同，為86～87℃，此時軸承兩側(cè)壓力的差值在減小。之后，軸承兩側(cè)壓力的差值反向增大，瓦溫差值也隨之增大。其中T1溫度測點和P1壓力測點位于軸承的同一側(cè)，T2溫度測點和P2壓力測點位于軸承的另一側(cè)。經(jīng)過一個變化周期后，壓力差變?yōu)?，但此時軸承溫度整體上升了。對此一個可能的解釋是由于轉(zhuǎn)子偏斜后，油膜溫度和瓦溫升高，局部巴氏合金的強度降低，加之實驗用的潤滑油清潔度較低，軸承合金表面局部可能會受到拉傷，減低了粗糙度，從而使軸承瓦溫整體上升。

圖7　特征壓力的變化趨勢圖

4.3　軸承傾斜對溫度的影響分析

圖9給出了T1和T2測點溫度隨著壓差的變化趨勢。一個比較有趣的現(xiàn)象是，在壓力差的變化過程中，瓦溫并不是沿著一條路徑變化。溫度變化和溫度的初始狀態(tài)以及壓力差的變化方向有關(guān)。如T1測點溫度在壓力變化的過程中，先降低后升高。溫度降低階段數(shù)值整體低于上升階段的數(shù)值。同樣的現(xiàn)象在T2測點中也有反映。圖9的另一個特點是，在兩側(cè)壓力差為0時，軸承兩側(cè)溫度差約為3℃。甚至比實驗開始階段壓力差1.0 MPa狀態(tài)下還高。該現(xiàn)象在圖10中表現(xiàn)更為明顯。形成這種現(xiàn)象的可能原因是：（1）溫度對壓力變化的反應(yīng)較慢，導(dǎo)致初始溫度高的階段，整個過程的溫度高。（2）軸承在運行過程中可能會發(fā)生局部磨蹭。

圖9　瓦溫隨著壓差的變化

圖10　瓦溫差隨壓差變化圖

圖10中還反應(yīng)了壓差變化2.5 MPa（從-1.5 MPa到1.0 MPa），軸承兩側(cè)瓦溫差變化約6℃。從圖10大致可以看出，這種變化是線性的。簡單推理，若軸承兩側(cè)瓦溫差30℃，則軸承兩側(cè)壓差可能高達(dá)12.5 MPa。此時很有可能是軸承的單側(cè)承載。承載側(cè)的油膜厚度很薄，進而在異常情況下會出現(xiàn)磨損。結(jié)合現(xiàn)場的運行經(jīng)驗，一般要求軸承兩側(cè)瓦溫差應(yīng)不大于25℃。

4.4　軸承傾斜對流量溫升的影響

軸頸偏斜對軸承流量和溫升的影響，見圖11。圖中流量為軸承的供油流量，溫升是潤滑油的回油溫度和進油溫度之差。顯然軸頸偏斜對軸承流量和溫升的影響很小。實驗中提供給軸承的潤滑油量比較大，達(dá)到545 L/min，軸承處于充足潤滑狀態(tài)下。因此潤滑油充足的條件下，軸頸偏斜不會導(dǎo)致軸承更多的供油需求。從另一個角度而言，軸承處于充足潤滑狀態(tài)下，軸頸偏斜后，提高軸承潤滑油的供給對解決瓦溫偏高的問題積極意義有限。

圖11　壓差對進油量和溫升的影響

5　結(jié)論

本文采用實驗的方法研究滑動軸承瓦溫單側(cè)偏高現(xiàn)象。通過實驗得到以下結(jié)論：

（1）軸頸偏斜是導(dǎo)致瓦溫兩側(cè)不一致的重要原因。當(dāng)實驗軸承在2.66 MPa工作時，實驗臺兩側(cè)加載器力相差0.45×104N時（其差別約為軸承載荷的1.2%左右），則特征壓力測點的壓差最大相差2.5 MPa，軸承兩側(cè)瓦溫差變化約6℃。因此保證軸承承載均勻是控制軸承瓦溫的關(guān)鍵。

（2）在潤滑油充足的條件下，軸頸偏斜對軸承的潤滑油流量和溫升的影響小。也就是說，軸承處于充足潤滑狀態(tài)下，提高軸承潤滑油的供給對解決瓦溫單側(cè)偏高的問題意義有限。

（3）在軸承實驗中也看到，導(dǎo)致軸承兩側(cè)瓦溫差別的原因不僅是軸頸偏斜，還可能和轉(zhuǎn)子軸承表面粗糙度有關(guān)，但需要進一步的試驗或分析驗證。

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