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辽宁清河发电有限责任公司采用西屋技术对5号汽轮机(K-200-130-3型)低压通流部分进行了改造。改造内容是：更换低压缸的转子、隔板、轴承及缸内的支撑部件等。改造投运后，低压缸效率提高了5%，机组运行的总体效果良好。但4号轴承(低压缸前轴承)、5号轴承(低压缸后轴承)的工作温度较高，治理前轴承具体参数见表1。
从表1不难看出轴承温度随冷油器供油温度升高而升高。西屋公司的技术要求中指出，瓦温≥95℃报警，当瓦温≥102℃时机组跳闸。为了不使机组跳闸，采取了限制冷油器出口温度的办法以维持机组运行。然而规程规定冷油器出口温度应控制在38～45℃，若出口温度过低，易引起轴系的油膜振荡。该措施不能确保机组的长期可靠运行，原因还在于夏季环境温度高，一旦冷油器换热效果变差，就很可能造成烧瓦事故。 低压通流部分改造后的多次轴承解体均发现4，5号轴承下轴瓦及其轴颈表面均磨损较重，尤其是5号轴承下轴瓦的接触角部位乌金呈深黑色且被碾压成乌金皮，最厚处约80μm，且有明显的“过热”现象。同时轴颈已形成无数周向沟痕，沟痕深浅在2～50μm。 1 轴承温度高原因 1.1 转子重量的影响 原转子静负荷情况下，两轴承的比压是1.43MPa。由于新转子比原转子重7.6t，但其与原转子的轴颈及轴瓦宽度尺寸一致，这样新转子使轴承单位面积上的计算静负荷增加了0.3MPa。轴承的比压增加了，导致液体摩擦热增加。这是轴承温度升高的原因之一。 1.2 顶轴油泵的影响 (1) 顶轴油泵油压低的影响 西屋标准要求顶轴油泵出口压力为15 MPa，泵铭牌上的出口压力也为15 MPa，而实际运行顶轴油泵的出口压力最大只8 MPa，原因是美国产的顶轴油泵电机频率为60 Hz，用我国频率为50 Hz的电力，自然其出口压力就达不到铭牌出力，在此情况下做顶轴试验，仅仅能将5号轴承轴颈顶起3μm。然而当盘车投入后，泵出口压力降为7.2 MPa，可以推测盘车状态下，5号轴承轴颈顶起值<3μm，这时投入盘车，轴承则处于接近于干磨的混合磨擦状态，使轴瓦乌金在摩擦作用下因温度升高而软化，在压应力下产生挤压变形。挤压变形的乌金首先将顶轴油孔堵塞，然后将乌金挤压成薄片，由旋转的轴颈带至和聚集在出油边油间隙处，逐渐在下轴瓦接触角及其出油边油间隙上形成一层乌金皮。金属试验证明该种轴承易起皮的原因是乌金塑性大、硬度低。轴瓦的接触角及其出油边油间隙上形成乌金皮后，使瓦体接触角区域乌金表面粗糙度增加，因此局部油膜极易被破坏，这就形成了局部的混合摩擦状态。一方面使轴瓦乌金逐渐磨损，一方面由于过热而硬化的乌金粗糙表面使主轴颈逐渐被划磨出沟痕。主轴颈被磨出沟痕后，其承载能力显著下降，使混合摩擦加剧，形成恶性循环。这是导致轴承温度升高的主要原因之一。 (2) 顶轴油泵起停方式的影响 根据法尔茨的混合摩擦向液体摩擦过渡的经验公式可知：油膜的厚度与轴的相对角速度成正比，与轴承的平均压强成反比。因此在其它条件不变的情况下，汽轮机主轴转速越低，油膜厚度越薄。油膜越薄就越容易被破坏，而导致轴承处在混合摩擦状态。 根据这一结论，改造后把在启机过程中停止顶轴油泵运行和在停机过程中启动顶轴油泵运行的时机定在主轴转速500 r/min时是不合适的。这是由于500 r/min油膜厚度较薄，若油温升高、油质劣化或轴承载荷增加等因素都很易造成油膜的局部破坏，导致轴承处于混合摩擦状态，从而使轴承温度升高。这是导致轴承温度升高的另一主要原因。 2 治理对策 2.1 轴承处理 (1) 降低乌金的真实比压 为降低真实比压，可采取将轴颈与轴瓦接触角由60°增加到75°的方法，这使轴瓦真实比压约下降0.61 MPa，以减小单位面积的摩擦热，降低轴瓦温度。 (2) 使轴瓦间隙符合标准要求 其目的是保持供油压力和润滑油量，以确保轴瓦的充分润滑并及时带走摩擦热。 (3) 处理顶轴油池直角边缘 将加工顶轴油池时与乌金表面形成的直角边缘倒钝，以防止一旦油膜被破坏后直角边缘磨轴和易从此处开始将乌金碾起。 (4) 适当开大来油节流孔 来油节流孔由φ30 mm增大到φ32 mm，以增加轴承供油量并及时将摩擦热带走。 2.2 改变顶轴油泵的运行方式 (1) 可临时采取2台顶轴油泵并列运行的方式，这使泵的出口压力稍有增加，试验证明出口最大压力可达8.8 MPa，投入盘车后其出口压力不小于8.0 MPa，确保5号轴承轴颈被顶起不小于3μm。 (2) 把主轴转速1 000 r/min定为启机过程停止顶轴油泵运行和停机过程启动顶轴油泵运行的时机。这一转速下形成的油膜要比500 r/min下的厚得多，因此其抗破坏能力较强，这一转速理论上应该是液体摩擦状态，此时启停顶轴油泵就应该不会发生混合摩擦现象。 3 治理后效果 在冷油器供油温度38℃时，5号轴承瓦温是82℃，这一温度比报警温度低13℃，比打闸停机温度低20℃，这样的温度可确保机组长期安全运行。治理后轴承温度参数见表2。
从表2可以看出，治理后的效果良好。 4 遗留问题及进一步治理方案 4.1 遗留问题 (1) 顶轴油泵电机运行频率比铭牌要求低10 Hz，使顶轴油泵达不到铭牌出力，因而不能将4，5号轴承轴颈充分顶起，使转子低转速时轴承处于混合摩擦状态。 (2) 4，5号轴承轴颈沟痕 以上治理对策并没有完全根除该机4，5号轴承温度高的问题，主要原因是主轴颈被磨损后，其表面的沟痕还没有被完全处理掉，因此，轴颈表面粗糙度高仍是破坏油膜的潜在原因，所以说该机4，5号轴承运行中仍处在接近液体摩擦的轻微混合摩擦状态。 4.2 治理方案 (1) 顶轴油泵电机加装变频装置 将顶轴油泵电机加装变频装置，使顶轴油泵电机运行频率变为60 Hz，从而使顶轴油泵达到铭牌出力，以保证5号轴承轴颈将被顶起不小于6μm，使轴承处于液体摩擦状态。 (2) 采用高科技手段进行轴颈处理 对4，5号轴承的轴颈采用高科技手段进行治理，如激光喷焊、等离子技术等修复轴颈，以达到原设计尺寸和粗糙度要求。这是因为改善轴颈表面质量对于轴承的承载能力和延缓混合摩擦发生是十分有利的。
表1 治理前4，5号轴承与油器供油温度关系 
从表1不难看出轴承温度随冷油器供油温度升高而升高。西屋公司的技术要求中指出，瓦温≥95℃报警，当瓦温≥102℃时机组跳闸。为了不使机组跳闸，采取了限制冷油器出口温度的办法以维持机组运行。然而规程规定冷油器出口温度应控制在38～45℃，若出口温度过低，易引起轴系的油膜振荡。该措施不能确保机组的长期可靠运行，原因还在于夏季环境温度高，一旦冷油器换热效果变差，就很可能造成烧瓦事故。 低压通流部分改造后的多次轴承解体均发现4，5号轴承下轴瓦及其轴颈表面均磨损较重，尤其是5号轴承下轴瓦的接触角部位乌金呈深黑色且被碾压成乌金皮，最厚处约80μm，且有明显的“过热”现象。同时轴颈已形成无数周向沟痕，沟痕深浅在2～50μm。 1 轴承温度高原因 1.1 转子重量的影响 原转子静负荷情况下，两轴承的比压是1.43MPa。由于新转子比原转子重7.6t，但其与原转子的轴颈及轴瓦宽度尺寸一致，这样新转子使轴承单位面积上的计算静负荷增加了0.3MPa。轴承的比压增加了，导致液体摩擦热增加。这是轴承温度升高的原因之一。 1.2 顶轴油泵的影响 (1) 顶轴油泵油压低的影响 西屋标准要求顶轴油泵出口压力为15 MPa，泵铭牌上的出口压力也为15 MPa，而实际运行顶轴油泵的出口压力最大只8 MPa，原因是美国产的顶轴油泵电机频率为60 Hz，用我国频率为50 Hz的电力，自然其出口压力就达不到铭牌出力，在此情况下做顶轴试验，仅仅能将5号轴承轴颈顶起3μm。然而当盘车投入后，泵出口压力降为7.2 MPa，可以推测盘车状态下，5号轴承轴颈顶起值<3μm，这时投入盘车，轴承则处于接近于干磨的混合磨擦状态，使轴瓦乌金在摩擦作用下因温度升高而软化，在压应力下产生挤压变形。挤压变形的乌金首先将顶轴油孔堵塞，然后将乌金挤压成薄片，由旋转的轴颈带至和聚集在出油边油间隙处，逐渐在下轴瓦接触角及其出油边油间隙上形成一层乌金皮。金属试验证明该种轴承易起皮的原因是乌金塑性大、硬度低。轴瓦的接触角及其出油边油间隙上形成乌金皮后，使瓦体接触角区域乌金表面粗糙度增加，因此局部油膜极易被破坏，这就形成了局部的混合摩擦状态。一方面使轴瓦乌金逐渐磨损，一方面由于过热而硬化的乌金粗糙表面使主轴颈逐渐被划磨出沟痕。主轴颈被磨出沟痕后，其承载能力显著下降，使混合摩擦加剧，形成恶性循环。这是导致轴承温度升高的主要原因之一。 (2) 顶轴油泵起停方式的影响 根据法尔茨的混合摩擦向液体摩擦过渡的经验公式可知：油膜的厚度与轴的相对角速度成正比，与轴承的平均压强成反比。因此在其它条件不变的情况下，汽轮机主轴转速越低，油膜厚度越薄。油膜越薄就越容易被破坏，而导致轴承处在混合摩擦状态。 根据这一结论，改造后把在启机过程中停止顶轴油泵运行和在停机过程中启动顶轴油泵运行的时机定在主轴转速500 r/min时是不合适的。这是由于500 r/min油膜厚度较薄，若油温升高、油质劣化或轴承载荷增加等因素都很易造成油膜的局部破坏，导致轴承处于混合摩擦状态，从而使轴承温度升高。这是导致轴承温度升高的另一主要原因。 2 治理对策 2.1 轴承处理 (1) 降低乌金的真实比压 为降低真实比压，可采取将轴颈与轴瓦接触角由60°增加到75°的方法，这使轴瓦真实比压约下降0.61 MPa，以减小单位面积的摩擦热，降低轴瓦温度。 (2) 使轴瓦间隙符合标准要求 其目的是保持供油压力和润滑油量，以确保轴瓦的充分润滑并及时带走摩擦热。 (3) 处理顶轴油池直角边缘 将加工顶轴油池时与乌金表面形成的直角边缘倒钝，以防止一旦油膜被破坏后直角边缘磨轴和易从此处开始将乌金碾起。 (4) 适当开大来油节流孔 来油节流孔由φ30 mm增大到φ32 mm，以增加轴承供油量并及时将摩擦热带走。 2.2 改变顶轴油泵的运行方式 (1) 可临时采取2台顶轴油泵并列运行的方式，这使泵的出口压力稍有增加，试验证明出口最大压力可达8.8 MPa，投入盘车后其出口压力不小于8.0 MPa，确保5号轴承轴颈被顶起不小于3μm。 (2) 把主轴转速1 000 r/min定为启机过程停止顶轴油泵运行和停机过程启动顶轴油泵运行的时机。这一转速下形成的油膜要比500 r/min下的厚得多，因此其抗破坏能力较强，这一转速理论上应该是液体摩擦状态，此时启停顶轴油泵就应该不会发生混合摩擦现象。 3 治理后效果 在冷油器供油温度38℃时，5号轴承瓦温是82℃，这一温度比报警温度低13℃，比打闸停机温度低20℃，这样的温度可确保机组长期安全运行。治理后轴承温度参数见表2。
表2 治理后4，5号轴承与冷油器供油温度关系
从表2可以看出，治理后的效果良好。 4 遗留问题及进一步治理方案 4.1 遗留问题 (1) 顶轴油泵电机运行频率比铭牌要求低10 Hz，使顶轴油泵达不到铭牌出力，因而不能将4，5号轴承轴颈充分顶起，使转子低转速时轴承处于混合摩擦状态。 (2) 4，5号轴承轴颈沟痕 以上治理对策并没有完全根除该机4，5号轴承温度高的问题，主要原因是主轴颈被磨损后，其表面的沟痕还没有被完全处理掉，因此，轴颈表面粗糙度高仍是破坏油膜的潜在原因，所以说该机4，5号轴承运行中仍处在接近液体摩擦的轻微混合摩擦状态。 4.2 治理方案 (1) 顶轴油泵电机加装变频装置 将顶轴油泵电机加装变频装置，使顶轴油泵电机运行频率变为60 Hz，从而使顶轴油泵达到铭牌出力，以保证5号轴承轴颈将被顶起不小于6μm，使轴承处于液体摩擦状态。 (2) 采用高科技手段进行轴颈处理 对4，5号轴承的轴颈采用高科技手段进行治理，如激光喷焊、等离子技术等修复轴颈，以达到原设计尺寸和粗糙度要求。这是因为改善轴颈表面质量对于轴承的承载能力和延缓混合摩擦发生是十分有利的。
