汽轮机推力轴承球面自位能力及其影响因素分析

李昆　安海阳　赵卫军

（东方汽轮机有限公司）

摘　要：介绍了汽轮机推力轴承的结构及其球面自位能力，详细论述了推力轴承球面自位能力失效时的常规表现，并对失效原因进行了仔细分析和总结，并给出了此类故障的处理措施及防治建议。

1　推力轴承结构及其球面自位能力简介

汽轮机推力轴承是汽轮机中承受转子轴向推力并限制其轴向位移确保动静间隙的关键部件，其结构如图1所示，推力轴承通常由推力瓦块、轴瓦体及轴瓦套3个部套组合而成[1]。为了使推力瓦块与推力盘具有一定的平行度以便保证推力瓦块受力均匀，汽轮机推力轴承的轴瓦体与轴瓦套间多采用球面小间隙配合的典型结构来实现推力轴承的自位功能，而此能力一旦失效，推力瓦块随着推力盘摆动的机制因此丧失，即推力瓦块不能与转子推力盘随时保持平行，从而造成推力轴承整体受力不均，局部瓦块因为承载过重瓦块金属温度测点过高，影响机组安全运行。

图1　推力轴承结构示意图

2　推力轴承球面自位能力失效时的常规表现

推力轴承球面自位能力失效，Z直接的表现就是球面不能自由旋转出现卡涩，但一般情况下均是在机组运行阶段被发现，因此在发现的初期只能通过运行情况下各推力瓦块的金属温度来初步判断[2]，本文以某电厂推力轴承出现自位能力失效后，各推力瓦金属温度（见表1）为例，对通常情况下各推力瓦金属温度的整体表现特点加以概述。

表1　各推力瓦块金属温度测点值℃

（1）个别推力瓦块金属温度过高，如表1中2月9号推力瓦金属温度为83.6℃，此温度已接近报警温度85℃。当球面出现卡涩时，安装在轴瓦体上的推力瓦块就不能随着转子推力盘的摆动而轴向进给或退让，但是转子所承受的轴向推力必须由推力轴承来承担，由此不能退让的推力瓦块相较与不能进给的瓦块，与推力盘的间隙过小，承受的载荷过大，导致局部瓦块温度过高。

（2）推力轴承工作瓦金属温度呈现半边高半边低的趋势，从表1可以看出，推力瓦块6～9号、11号在2～6月平均温度71.1℃要高于推力瓦块1～5号在2～6月平均温度61.6℃，推力瓦布置情况详见图2。由于球面自位能力失效时，球面不能跟随转子自由摆动，轴瓦体上推力瓦块的支撑面必然与转子的推力盘呈夹角，详见图3。处于夹角开口处的3号瓦位置，由于间隙大、受力小，温度较低；处于夹角闭合处8～9号推力瓦位置，则由于间隙小、受力大，温度较高；其余位置亦与夹角所间隙呈现出一定的相关性，且此趋势在推力增大时，异常显著。

图2　推力瓦块分布示意图

图3　夹角间隙示意图

（3）推力瓦金属温度水平整体而言其平均值不高，表1中数据经计算可以得出，该电厂1～11号工作推力瓦支撑各月份平均值，即2月为66.2℃、3月为56.1℃、4月为59.7℃、5月为64.2℃。球面卡涩导致推力瓦温度升高，通常表现为整个工作面的推力瓦块半数推力瓦块温度处于高位，而其余半数推力瓦块温度相反的处于低位，半数升高的过程中，其余半数必然降低，且升高和降低呈现相关性，在总推力不变的情况下，推力瓦金属温度平均值并不高。

3　推力轴承球面自位能力失效的原因分析

3.1润滑油系统清洁度

在瓦体球面与瓦套球面的结合面之间,润滑油有利于结合面的相对滑动。但是若系统润滑油的清洁度不合格,油液中带有细小的颗粒杂质,而轴瓦球面与球面座的结合面之间的间隙又较小,这些杂质有可能进入到球面间的小间隙当中,尤其是硬质颗粒,会增加滑动面的摩擦阻力,影响轴承的自位能力,严重时还会卡涩滑动面,使轴承不能自位,影响机组的正常运行。通常情况下，润滑油系统清洁度要?达到NAS1638的7级标准,如果达不到标准,就有可能影响轴承的自位能力,增大轴承不能自位的风险[3]。

3.2球面加工精度难以保证

在推力轴承轴瓦体与轴瓦套之间采用小间隙球面配合结构，因此其加工精度要求很高,具体表现在以下几个方面：

（1）为了保证球面的匹配性，球面配合间隙较小，且瓦体及瓦套各自上、下半球面的同心度要求较高，因此，工艺上需要将瓦体或瓦套的上下半把合在一起加工，初步加工后，将瓦体及瓦套的球面配磨，这一过程周期长，且需要严格控制质量，一旦出现失误，后期不好补救，且补救措施一定程度上都有可能影响到球面自位能力。

（2）为了降低球面的转动力矩，瓦体及瓦套各自球面的光洁度要求较高；通常是要求表面粗糙度为0.8。有时球面在加工后还经常出现原材料有气孔等缺陷,需进行局部修复处理。

（3）瓦体及瓦套的球面接触要求较高；轴承生产安装时要重点检查球面的接触度，其接触面在每平方厘米上有接触点的面积应占整个球面的75%,并且均匀分布等，即机械加工后仍需适当对研或手工打磨。

（4）由于市场节奏不断加快，对轴承整个加工过程把控不规范的小型制造厂，人为放松了轴承坯料的时效性处理。个别情况下，推力轴承在瓦体、瓦套坯料应力还没有得到充分释放就投入加工生产，这就造成加工成品在加工完成后过检合格，但一段时间后由于应力的后续释放而发生变形，使得球面的Z终使用状态达不到设计要求，因此对于瓦体、瓦套这种因为球面配合而加工精度较高的坯料，应该准确把握市场预期，提前下料，并严格控制其时效性处理。

目前，在不改变球面小间隙配合这一经典结构的情况下，很难在设计源头通过更改设计结构来实现容错率较高的球面配合结构，从而降低球面的加工精度要求，因此，球面加工质量是推力轴承保证自位能力的关键所在。实际上，在不计成本的情况下，球面加工精度越高，轴承的自位能力就越强，这需要制造厂根据自身产品特性及使用情况，找到适宜的匹配度，既控制成本又保证使用性能。

3.3运行过程中瓦体或者瓦套变形

汽轮机推力轴承是汽轮机中承受转子轴向推力并限制其轴向位移确保动静间隙的关键部件，其首先要能够承受转子通过推力盘施加的推力，其次还应能承受汽轮机运行过程的热辐射，以及轴承箱箱体、轴承座变形等对自身瓦体、瓦套球面结构造成的影响，详细如下：

（1）推力轴承承受推力后，该推力将首先通过油膜压力作用在推力瓦块上，而后由推力瓦块传至瓦体，瓦体又经由球面作用在轴瓦套上，这一系列力的作用过程，瓦体或瓦套均可能发生弹性或塑性变形，影响球面的Z终配合效果。

（2）汽轮机运行过程中，因为热辐射或者周围环境温度对推力轴承进行加热，在热态情况下，推力轴承轴瓦体、轴瓦套受热膨胀发生变形，使得球面配合效果偏离了设计允许范围。

（3）汽轮机运行过程中，轴承箱因为滑销系统故障受到缸体的强大作用力，箱体变形挤压轴瓦套发生变形，导致球面配合效果偏离了设计允许范围。

在运行过程中，因为受力或受热膨胀等导致的瓦体或瓦套变形是很难消除的，这就要求在设计时要对推力轴承的受力状况及使用环境进行充分了解，并数值模拟，尽可能还原推力轴承的使用状况，在此基础上对推力轴承进行强健性设计，提高其在各种工况下的耐受性。

3.4球面接触检查必要环节的缺失

由于检修的设备所限，轴承装配时，球面接触检查只能在自然状态下进行，此时，轴承球面接触要求通常如下，详见图4。

（1）正下方90°范围内接触面积大于90%；

（2）左、右90°范围内接触面积大于50°；

（3）正上方90°范围内轻微接触或者不接触，不可有局部接触。

图4　球面接触要求示意图

由上可知，推力轴承在球面接触检查的过程中，通常侧重于下半球面，但存在如下问题：

在自重状态下，瓦体放置于瓦套中时，由于自重的作用，瓦体与瓦套在轴向上，球面的中心是在同一垂直平面上，如图5所示。

图5　球面两端间隙示意图

由于瓦体球面在直径上小于瓦套球面，因此瓦体和瓦套在轴线方向两端由于结构的原因是存在间隙且不能检查相互接触。但在实际工作中，瓦体在推力的作用下，必然向一侧偏移，这就造成工作状态下起作用的球面配合位置发生变化，而通常状态下检查的球面配合位置基本处于无用状态，如图6～7所示。

图6　通常球面接触范围示意图

图7　工作时球面接触范围示意图

从图6～7可以看出，在轴承的球面配合检查中，不仅仅是自由状态下的检查，更应该侧重于工作状态下配合部位的检查，因此，轴承在制造厂及现场球面检查修复过程中，应注意模拟轴承的工作状态，并结合自身情况设计制作适合该检查项的设备工装。

3.5现场检修过程中的人为因素

汽轮机组投运后，在其全生命周期中，机组本身要经历数次检修，由于检修人员素质参差不齐、对推力轴承球面的关键性认识不尽相同，因此在具体的检修过程可能发生如下情况，弱化或导致球面自位能力丧失。

（1）在翻检过程中造成磕碰，但没有引起足够重视，而仅是对高点进行打磨，并没有对粗糙度及过度部位进行控制；

（2）在翻检过程中，利用过大的外力顶出轴瓦体，造成瓦体或瓦套发生永久变形影响球面配合；

（3）在复查推力间隙过程，由于整个轴系重量过重，而使用较大吨位的千金顶，造成瓦体或者瓦套受力过大，造成永久变形；

（4）在球面间隙不合格的情况下，对瓦体或瓦套中分面进行机械加工来恢复球面间隙，在加工量较大的情况下，球面已经不再是球面，难以满足球面配合的要求；

（5）在球面自位能力不合适的情况，多次人工修刮球面，累积误差已经使球面偏离设计球面较远，难以实现机械加工的精度；

（6）修刮球面技术含量比较高，原则上应以Z小的去除量换来Z大的接触改善，需要较高技艺和极大耐心，盲目修刮或者经验不足极易造成球面的修刮效果不能达到预期；

4　总结

推力轴承的球面自位能力是采用小间隙球面配合这一经典结构型式的推力轴承实现瓦块均匀受载并且关键的手段，但因其先天性的结构特点，致使球面实现自位能力受到多种因素影响，存在于轴承设计、加工、安装及机组运行的各个阶段。

因此，需格外注意以下环节的把控：

（1）在设计上，要注意轴承实际使用情况的数值模拟，减少变形对球面影响，实现轴承的强健性设计；

（2）在加工上，要严格把控球面加工质量，使设计意图Z大化；

（3）在装配环节，要注意推力轴承球面接触位置的变化，使其在模拟工作状态下，仍能相对活动自如，且转动力矩达到设计要求；

（4）在机组运行中要严密关注各推力瓦块温度的变化，尤其是各个测温点温度总体呈现一半偏高而另一半又相对偏低的状况，一旦异常，尽快安排检修，有效防止恶化。

总之，只有在汽轮机机组的设计、加工、安装、调试和运行的各个阶段都对轴承自位能力引起高度重视，才能从根本上解决轴承自位能力差带来的问题。

参考文献

[1]马骏,孙敏,安海阳.汽轮机推力轴承故障原因分析与处理[J].东方汽轮机,2016,(3):11-13.

[2]潘世汉.N135MW汽轮机轴承温度异常分析与预防措[J].上海电力学院学报,2006,22（1）:9-12.

注：原文发表于《东方汽轮机》2019年第4期