汽輪機組橢圓軸承穩(wěn)定性優(yōu)化改造

李錫明，楊曉鋒

（杭州中能汽輪動力有限公司，杭州 310018）

某臺驅(qū)動用汽輪機組，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，前、后軸承都采用的是橢圓軸承。在啟動升速至臨界轉(zhuǎn)速過程中，轉(zhuǎn)子振動平穩(wěn)，前、后軸承處軸振均在15 μm 以下；快速通過臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子振幅上升到100 μm 左右；通過臨界轉(zhuǎn)速后，振幅下降到15 μm 左右，但在轉(zhuǎn)速上升到4 600 r/min 后，后軸承處軸振逐漸增大，且增大的趨勢越來越快，振幅最大時達到25 μm 左右。經(jīng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，后軸承振動快速增大時，通頻振動中除基頻振動外，還包含低頻振動分量，且低頻振動幅值已超過基頻，低頻振動頻率近似為基頻的0.5 倍，振動頻譜如圖1 所示；后經(jīng)潤滑油溫試驗發(fā)現(xiàn)，進油溫度由40 ℃升高至45 ℃后，低頻振動出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速有所提高，幅值也有所減小。綜合以上兩點，推斷后軸承處發(fā)生了油膜渦動[1]。

圖1 轉(zhuǎn)子振動頻譜圖Fig.1 Vibration spectrum of rotor

油膜渦動是滑動軸承油膜激發(fā)的自激振動，渦動頻率總是近似等于轉(zhuǎn)軸頻率的一半，也稱為半速渦動。當工作轉(zhuǎn)速近似等于兩倍臨界轉(zhuǎn)速時，油膜渦動頻率與臨界轉(zhuǎn)速重合，發(fā)生共振，油膜渦動的振幅會迅速增加，且機組很難通過沖轉(zhuǎn)方式跨過這一區(qū)域，因此十分危險，此時的油膜渦動稱為油膜振蕩。該機組工作轉(zhuǎn)速在兩倍臨界轉(zhuǎn)速之下，基本不會出現(xiàn)油膜振蕩，且直到升速至工作轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的振幅都未超過相關(guān)標準，但出現(xiàn)油膜渦動即意味著該工況下系統(tǒng)失去了動力穩(wěn)定性，運轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)[2]。為保證機組的長期安全穩(wěn)定運行，決定對后軸承的穩(wěn)定性進行重新校核，如果穩(wěn)定性不滿足要求，需要對其結(jié)構(gòu)進行改造，提高穩(wěn)定性。

1 穩(wěn)定性校核

校核穩(wěn)定性有多種方法，本文采用計算失穩(wěn)轉(zhuǎn)速來判斷穩(wěn)定性。失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的計算公式如下[3]：

式中 KXX、KXY、KYX、KYY——滑動軸承剛度系數(shù)； BXX、BXY、BYX、BYY——滑動軸承阻尼系數(shù)；

Keq、γst2——油膜相當剛度、界限渦動比；

ωk——轉(zhuǎn)子剛支一階固有頻率；

mR——轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配到該軸承上的質(zhì)量；

μ——潤滑油黏度；

L——軸瓦寬度；

ψ——相對側(cè)隙。

計算時，如先算出Keq＜0，即為絕對不穩(wěn)，不能計算失穩(wěn)轉(zhuǎn)速；如Keq＞0 而γst2＜0，則一般為絕對穩(wěn)定，即在任何轉(zhuǎn)速下都穩(wěn)定；如Keq＞0，γst2＞0，則可計算失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。

依據(jù)上述公式及理論計算該機組后軸承的穩(wěn)定性，軸承的相關(guān)參數(shù)列于表1，計算結(jié)果列于表2。

表1 軸承參數(shù)Table 1 Bearing parameters

表2 穩(wěn)定性校核結(jié)果Table 2 Stability check results

關(guān)于失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的判定標準，文獻[3]中提到，為了保證安全運轉(zhuǎn)，宜使失穩(wěn)轉(zhuǎn)速高于工作轉(zhuǎn)速的1.6倍；文獻[4]中提到，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速高于工作轉(zhuǎn)速的1.25倍時，機組就具有足夠的穩(wěn)定性裕度。從計算結(jié)果可以看出，該機組后軸承的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速低于工作轉(zhuǎn)速，即在達到工作轉(zhuǎn)速之前，轉(zhuǎn)子已經(jīng)開始出現(xiàn)油膜渦動，表明后軸承的穩(wěn)定性較差，達不到標準要求。

2 改造措施

由軸承潤滑理論可知，軸承穩(wěn)定性受軸頸在軸承中旋轉(zhuǎn)時偏心率的影響很大，軸頸偏心率越大，軸承穩(wěn)定性越好，反之，穩(wěn)定性越差。如果要消除油膜渦動，就要采取相應(yīng)措施增大偏心率，提高軸承穩(wěn)定性[5]。通常采取的措施包括：截短軸承寬度，調(diào)整提高軸承載荷，提高油溫或采用黏度更低的潤滑油，減小軸承頂隙增大側(cè)隙等。

根據(jù)上述理論，結(jié)合該機組軸承實際結(jié)構(gòu)，對該軸承采取以下改造措施：

（1）填平上瓦周向油槽

在原有結(jié)構(gòu)中，軸承上瓦開有較寬的周向潤滑油槽，如圖2a 所示。上瓦開槽雖然能增加潤滑油流量， 可及時帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，但同時也大大削弱了上瓦產(chǎn)生的油膜力，會降低軸承穩(wěn)定性。對此處理措施為，將軸承上瓦周向油槽重新澆鑄軸承合金，填平周向油槽，如圖2b 所示。

圖2 軸承結(jié)構(gòu)改造前后對比Fig.2 Comparison of bearing structure before and after modification

（2）減小下瓦寬徑比

經(jīng)計算，后軸承單位面積所承受的載荷，即比壓較小，為0.5 MPa。比壓較小時，軸承工作在輕載工況，軸頸在軸承中的偏心率較小，易發(fā)生油膜渦動。對此處理措施為，在下瓦兩邊加工出凸臺，凸臺寬度為15 mm，凸臺直徑比軸瓦內(nèi)徑大10 mm，如圖2b所示，這樣可減小寬徑比，增大軸瓦比壓。

（3）增大橢圓度

橢圓度增大后，上軸瓦副油楔內(nèi)作用在轉(zhuǎn)子上向下的油膜力分量加大，軸頸在軸承中的偏心率加大，穩(wěn)定性提高。為此對軸瓦兩側(cè)靠近中分面的位置進行刮磨，保持頂隙不變的情況下，增大軸承側(cè)隙，將橢圓度增大至0.6。

（4）提高進油溫度

將潤滑油進油溫度由40 ℃提高為45 ℃。提高潤滑油進油溫度，可降低潤滑油黏度，加大軸頸在軸承中的偏心率，從而提高穩(wěn)定性。

3 改造后效果

（1）改造后的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速

結(jié)合改造后的軸承參數(shù)，重新計算失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，校核軸承穩(wěn)定性，計算結(jié)果列于表3。

表3 改造后穩(wěn)定性校核結(jié)果Table 3 Stability check results after modification

從表2 和表3 可以看出，經(jīng)過改造后，后軸承的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速已遠遠高出1.6 倍工作轉(zhuǎn)速，滿足穩(wěn)定性裕度要求。

（2）改造后運行效果

利用機組消缺的機會，將后軸承拆出，按上述措施進行加工后重新安裝。各項消缺工作完成后，該機組按程序啟動，順利投入運行，在整個升速過程中，跨臨界轉(zhuǎn)速階段，前、后軸承處軸振最高達到100 μm 左右，其余轉(zhuǎn)速軸振均在20 μm 以內(nèi)，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，額定轉(zhuǎn)速時后軸承處軸振幅在15 μm 左右，振動頻率主要為基頻，半頻分量已基本消失，改造措施效果明顯，相應(yīng)頻譜如圖3 所示。

4 結(jié)論

圖3 改造后的轉(zhuǎn)子振動頻譜圖Fig.3 Vibration spectrum of rotor after modification

當汽輪機組在試運行過程中出現(xiàn)油膜渦動，導(dǎo)致振動偏大時，需采取措施提高軸承穩(wěn)定性，但由于工期、成本所限，往往無法更換穩(wěn)定性更好的軸承或重新設(shè)計軸承，對現(xiàn)有軸承進行改造，就成為一種方便且行之有效的方法。改造措施得當，可有效增加軸承的穩(wěn)定性裕度。實用的改造措施包括填平上瓦周向油槽、減小軸瓦寬度、增大軸承側(cè)隙、提高潤滑油溫度等。

本機組經(jīng)上述改造措施后，在整個升速過程中，再未出現(xiàn)過油膜渦動，運行平穩(wěn)，改造所取得的效果非常明顯。