李昆　安海陽(yáng)　趙衛(wèi)軍

（東方汽輪機(jī)有限公司）

摘　要：介紹了汽輪機(jī)推力軸承的結(jié)構(gòu)及其球面自位能力，詳細(xì)論述了推力軸承球面自位能力失效時(shí)的常規(guī)表現(xiàn)，并對(duì)失效原因進(jìn)行了仔細(xì)分析和總結(jié)，并給出了此類(lèi)故障的處理措施及防治建議。

1　推力軸承結(jié)構(gòu)及其球面自位能力簡(jiǎn)介

汽輪機(jī)推力軸承是汽輪機(jī)中承受轉(zhuǎn)子軸向推力并限制其軸向位移確保動(dòng)靜間隙的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，推力軸承通常由推力瓦塊、軸瓦體及軸瓦套3個(gè)部套組合而成[1]。為了使推力瓦塊與推力盤(pán)具有一定的平行度以便保證推力瓦塊受力均勻，汽輪機(jī)推力軸承的軸瓦體與軸瓦套間多采用球面小間隙配合的典型結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)推力軸承的自位功能，而此能力一旦失效，推力瓦塊隨著推力盤(pán)擺動(dòng)的機(jī)制因此喪失，即推力瓦塊不能與轉(zhuǎn)子推力盤(pán)隨時(shí)保持平行，從而造成推力軸承整體受力不均，局部瓦塊因?yàn)槌休d過(guò)重瓦塊金屬溫度測(cè)點(diǎn)過(guò)高，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

圖1　推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2　推力軸承球面自位能力失效時(shí)的常規(guī)表現(xiàn)

推力軸承球面自位能力失效，Z直接的表現(xiàn)就是球面不能自由旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)卡澀，但一般情況下均是在機(jī)組運(yùn)行階段被發(fā)現(xiàn)，因此在發(fā)現(xiàn)的初期只能通過(guò)運(yùn)行情況下各推力瓦塊的金屬溫度來(lái)初步判斷[2]，本文以某電廠推力軸承出現(xiàn)自位能力失效后，各推力瓦金屬溫度（見(jiàn)表1）為例，對(duì)通常情況下各推力瓦金屬溫度的整體表現(xiàn)特點(diǎn)加以概述。

表1　各推力瓦塊金屬溫度測(cè)點(diǎn)值℃

（1）個(gè)別推力瓦塊金屬溫度過(guò)高，如表1中2月9號(hào)推力瓦金屬溫度為83.6℃，此溫度已接近報(bào)警溫度85℃。當(dāng)球面出現(xiàn)卡澀時(shí)，安裝在軸瓦體上的推力瓦塊就不能隨著轉(zhuǎn)子推力盤(pán)的擺動(dòng)而軸向進(jìn)給或退讓?zhuān)寝D(zhuǎn)子所承受的軸向推力必須由推力軸承來(lái)承擔(dān)，由此不能退讓的推力瓦塊相較與不能進(jìn)給的瓦塊，與推力盤(pán)的間隙過(guò)小，承受的載荷過(guò)大，導(dǎo)致局部瓦塊溫度過(guò)高。

（2）推力軸承工作瓦金屬溫度呈現(xiàn)半邊高半邊低的趨勢(shì)，從表1可以看出，推力瓦塊6～9號(hào)、11號(hào)在2～6月平均溫度71.1℃要高于推力瓦塊1～5號(hào)在2～6月平均溫度61.6℃，推力瓦布置情況詳見(jiàn)圖2。由于球面自位能力失效時(shí)，球面不能跟隨轉(zhuǎn)子自由擺動(dòng)，軸瓦體上推力瓦塊的支撐面必然與轉(zhuǎn)子的推力盤(pán)呈夾角，詳見(jiàn)圖3。處于夾角開(kāi)口處的3號(hào)瓦位置，由于間隙大、受力小，溫度較低；處于夾角閉合處8～9號(hào)推力瓦位置，則由于間隙小、受力大，溫度較高；其余位置亦與夾角所間隙呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，且此趨勢(shì)在推力增大時(shí)，異常顯著。

圖2　推力瓦塊分布示意圖

圖3　夾角間隙示意圖

（3）推力瓦金屬溫度水平整體而言其平均值不高，表1中數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可以得出，該電廠1～11號(hào)工作推力瓦支撐各月份平均值，即2月為66.2℃、3月為56.1℃、4月為59.7℃、5月為64.2℃。球面卡澀導(dǎo)致推力瓦溫度升高，通常表現(xiàn)為整個(gè)工作面的推力瓦塊半數(shù)推力瓦塊溫度處于高位，而其余半數(shù)推力瓦塊溫度相反的處于低位，半數(shù)升高的過(guò)程中，其余半數(shù)必然降低，且升高和降低呈現(xiàn)相關(guān)性，在總推力不變的情況下，推力瓦金屬溫度平均值并不高。

3　推力軸承球面自位能力失效的原因分析

3.1潤(rùn)滑油系統(tǒng)清潔度

在瓦體球面與瓦套球面的結(jié)合面之間,潤(rùn)滑油有利于結(jié)合面的相對(duì)滑動(dòng)。但是若系統(tǒng)潤(rùn)滑油的清潔度不合格,油液中帶有細(xì)小的顆粒雜質(zhì),而軸瓦球面與球面座的結(jié)合面之間的間隙又較小,這些雜質(zhì)有可能進(jìn)入到球面間的小間隙當(dāng)中,尤其是硬質(zhì)顆粒,會(huì)增加滑動(dòng)面的摩擦阻力,影響軸承的自位能力,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)卡澀滑動(dòng)面,使軸承不能自位,影響機(jī)組的正常運(yùn)行。通常情況下，潤(rùn)滑油系統(tǒng)清潔度要?達(dá)到NAS1638的7級(jí)標(biāo)準(zhǔn),如果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),就有可能影響軸承的自位能力,增大軸承不能自位的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

3.2球面加工精度難以保證

在推力軸承軸瓦體與軸瓦套之間采用小間隙球面配合結(jié)構(gòu)，因此其加工精度要求很高,具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）為了保證球面的匹配性，球面配合間隙較小，且瓦體及瓦套各自上、下半球面的同心度要求較高，因此，工藝上需要將瓦體或瓦套的上下半把合在一起加工，初步加工后，將瓦體及瓦套的球面配磨，這一過(guò)程周期長(zhǎng)，且需要嚴(yán)格控制質(zhì)量，一旦出現(xiàn)失誤，后期不好補(bǔ)救，且補(bǔ)救措施一定程度上都有可能影響到球面自位能力。

（2）為了降低球面的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，瓦體及瓦套各自球面的光潔度要求較高；通常是要求表面粗糙度為0.8。有時(shí)球面在加工后還經(jīng)常出現(xiàn)原材料有氣孔等缺陷,需進(jìn)行局部修復(fù)處理。

（3）瓦體及瓦套的球面接觸要求較高；軸承生產(chǎn)安裝時(shí)要重點(diǎn)檢查球面的接觸度，其接觸面在每平方厘米上有接觸點(diǎn)的面積應(yīng)占整個(gè)球面的75%,并且均勻分布等，即機(jī)械加工后仍需適當(dāng)對(duì)研或手工打磨。

（4）由于市場(chǎng)節(jié)奏不斷加快，對(duì)軸承整個(gè)加工過(guò)程把控不規(guī)范的小型制造廠，人為放松了軸承坯料的時(shí)效性處理。個(gè)別情況下，推力軸承在瓦體、瓦套坯料應(yīng)力還沒(méi)有得到充分釋放就投入加工生產(chǎn)，這就造成加工成品在加工完成后過(guò)檢合格，但一段時(shí)間后由于應(yīng)力的后續(xù)釋放而發(fā)生變形，使得球面的Z終使用狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)于瓦體、瓦套這種因?yàn)榍蛎媾浜隙庸ぞ容^高的坯料，應(yīng)該準(zhǔn)確把握市場(chǎng)預(yù)期，提前下料，并嚴(yán)格控制其時(shí)效性處理。

目前，在不改變球面小間隙配合這一經(jīng)典結(jié)構(gòu)的情況下，很難在設(shè)計(jì)源頭通過(guò)更改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)率較高的球面配合結(jié)構(gòu)，從而降低球面的加工精度要求，因此，球面加工質(zhì)量是推力軸承保證自位能力的關(guān)鍵所在。實(shí)際上，在不計(jì)成本的情況下，球面加工精度越高，軸承的自位能力就越強(qiáng)，這需要制造廠根據(jù)自身產(chǎn)品特性及使用情況，找到適宜的匹配度，既控制成本又保證使用性能。

3.3運(yùn)行過(guò)程中瓦體或者瓦套變形

汽輪機(jī)推力軸承是汽輪機(jī)中承受轉(zhuǎn)子軸向推力并限制其軸向位移確保動(dòng)靜間隙的關(guān)鍵部件，其首先要能夠承受轉(zhuǎn)子通過(guò)推力盤(pán)施加的推力，其次還應(yīng)能承受汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程的熱輻射，以及軸承箱箱體、軸承座變形等對(duì)自身瓦體、瓦套球面結(jié)構(gòu)造成的影響，詳細(xì)如下：

（1）推力軸承承受推力后，該推力將首先通過(guò)油膜壓力作用在推力瓦塊上，而后由推力瓦塊傳至瓦體，瓦體又經(jīng)由球面作用在軸瓦套上，這一系列力的作用過(guò)程，瓦體或瓦套均可能發(fā)生彈性或塑性變形，影響球面的Z終配合效果。

（2）汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)闊彷椛浠蛘咧車(chē)h(huán)境溫度對(duì)推力軸承進(jìn)行加熱，在熱態(tài)情況下，推力軸承軸瓦體、軸瓦套受熱膨脹發(fā)生變形，使得球面配合效果偏離了設(shè)計(jì)允許范圍。

（3）汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，軸承箱因?yàn)榛N(xiāo)系統(tǒng)故障受到缸體的強(qiáng)大作用力，箱體變形擠壓軸瓦套發(fā)生變形，導(dǎo)致球面配合效果偏離了設(shè)計(jì)允許范圍。

在運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)槭芰蚴軣崤蛎浀葘?dǎo)致的瓦體或瓦套變形是很難消除的，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)推力軸承的受力狀況及使用環(huán)境進(jìn)行充分了解，并數(shù)值模擬，盡可能還原推力軸承的使用狀況，在此基礎(chǔ)上對(duì)推力軸承進(jìn)行強(qiáng)健性設(shè)計(jì)，提高其在各種工況下的耐受性。

3.4球面接觸檢查必要環(huán)節(jié)的缺失

由于檢修的設(shè)備所限，軸承裝配時(shí)，球面接觸檢查只能在自然狀態(tài)下進(jìn)行，此時(shí)，軸承球面接觸要求通常如下，詳見(jiàn)圖4。

（1）正下方90°范圍內(nèi)接觸面積大于90%；

（2）左、右90°范圍內(nèi)接觸面積大于50°；

（3）正上方90°范圍內(nèi)輕微接觸或者不接觸，不可有局部接觸。

圖4　球面接觸要求示意圖

由上可知，推力軸承在球面接觸檢查的過(guò)程中，通常側(cè)重于下半球面，但存在如下問(wèn)題：

在自重狀態(tài)下，瓦體放置于瓦套中時(shí)，由于自重的作用，瓦體與瓦套在軸向上，球面的中心是在同一垂直平面上，如圖5所示。

圖5　球面兩端間隙示意圖

由于瓦體球面在直徑上小于瓦套球面，因此瓦體和瓦套在軸線方向兩端由于結(jié)構(gòu)的原因是存在間隙且不能檢查相互接觸。但在實(shí)際工作中，瓦體在推力的作用下，必然向一側(cè)偏移，這就造成工作狀態(tài)下起作用的球面配合位置發(fā)生變化，而通常狀態(tài)下檢查的球面配合位置基本處于無(wú)用狀態(tài)，如圖6～7所示。

圖6　通常球面接觸范圍示意圖

圖7　工作時(shí)球面接觸范圍示意圖

從圖6～7可以看出，在軸承的球面配合檢查中，不僅僅是自由狀態(tài)下的檢查，更應(yīng)該側(cè)重于工作狀態(tài)下配合部位的檢查，因此，軸承在制造廠及現(xiàn)場(chǎng)球面檢查修復(fù)過(guò)程中，應(yīng)注意模擬軸承的工作狀態(tài)，并結(jié)合自身情況設(shè)計(jì)制作適合該檢查項(xiàng)的設(shè)備工裝。

3.5現(xiàn)場(chǎng)檢修過(guò)程中的人為因素

汽輪機(jī)組投運(yùn)后，在其全生命周期中，機(jī)組本身要經(jīng)歷數(shù)次檢修，由于檢修人員素質(zhì)參差不齊、對(duì)推力軸承球面的關(guān)鍵性認(rèn)識(shí)不盡相同，因此在具體的檢修過(guò)程可能發(fā)生如下情況，弱化或?qū)е虑蛎孀晕荒芰适А?/p>

（1）在翻檢過(guò)程中造成磕碰，但沒(méi)有引起足夠重視，而僅是對(duì)高點(diǎn)進(jìn)行打磨，并沒(méi)有對(duì)粗糙度及過(guò)度部位進(jìn)行控制；

（2）在翻檢過(guò)程中，利用過(guò)大的外力頂出軸瓦體，造成瓦體或瓦套發(fā)生永久變形影響球面配合；

（3）在復(fù)查推力間隙過(guò)程，由于整個(gè)軸系重量過(guò)重，而使用較大噸位的千金頂，造成瓦體或者瓦套受力過(guò)大，造成永久變形；

（4）在球面間隙不合格的情況下，對(duì)瓦體或瓦套中分面進(jìn)行機(jī)械加工來(lái)恢復(fù)球面間隙，在加工量較大的情況下，球面已經(jīng)不再是球面，難以滿(mǎn)足球面配合的要求；

（5）在球面自位能力不合適的情況，多次人工修刮球面，累積誤差已經(jīng)使球面偏離設(shè)計(jì)球面較遠(yuǎn)，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的精度；

（6）修刮球面技術(shù)含量比較高，原則上應(yīng)以Z小的去除量換來(lái)Z大的接觸改善，需要較高技藝和極大耐心，盲目修刮或者經(jīng)驗(yàn)不足極易造成球面的修刮效果不能達(dá)到預(yù)期；

4　總結(jié)

推力軸承的球面自位能力是采用小間隙球面配合這一經(jīng)典結(jié)構(gòu)型式的推力軸承實(shí)現(xiàn)瓦塊均勻受載并且關(guān)鍵的手段，但因其先天性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，致使球面實(shí)現(xiàn)自位能力受到多種因素影響，存在于軸承設(shè)計(jì)、加工、安裝及機(jī)組運(yùn)行的各個(gè)階段。

因此，需格外注意以下環(huán)節(jié)的把控：

（1）在設(shè)計(jì)上，要注意軸承實(shí)際使用情況的數(shù)值模擬，減少變形對(duì)球面影響，實(shí)現(xiàn)軸承的強(qiáng)健性設(shè)計(jì)；

（2）在加工上，要嚴(yán)格把控球面加工質(zhì)量，使設(shè)計(jì)意圖Z大化；

（3）在裝配環(huán)節(jié)，要注意推力軸承球面接觸位置的變化，使其在模擬工作狀態(tài)下，仍能相對(duì)活動(dòng)自如，且轉(zhuǎn)動(dòng)力矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

（4）在機(jī)組運(yùn)行中要嚴(yán)密關(guān)注各推力瓦塊溫度的變化，尤其是各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度總體呈現(xiàn)一半偏高而另一半又相對(duì)偏低的狀況，一旦異常，盡快安排檢修，有效防止惡化。

總之，只有在汽輪機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)、加工、安裝、調(diào)試和運(yùn)行的各個(gè)階段都對(duì)軸承自位能力引起高度重視，才能從根本上解決軸承自位能力差帶來(lái)的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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注：原文發(fā)表于《東方汽輪機(jī)》2019年第4期