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通过调节阀开度差的改变解决轴瓦温度过高问题

   内容提要:华能汕头电厂1号汽轮机在额定参数和额定负荷下1号轴承的轴瓦温度过高。主要原因是该轴承承受过大的负载,部分油膜减薄,引起瓦温升高。能否通过改变调节阀开度差解决轴承瓦温过高问题?经试验研究,证实了调节阀开度差与轴承温度之间有关系。通过减小调节阀开度差,可降低轴承载荷,从而适当增加油膜厚度,降低轴瓦温度。在实践中,采用了改变3号、4号调节阀开度差即调换3号、4号调节阀开启顺序的方法 ,使1号轴承温度高的问题得到圆满解决,花费少,见效快。  
    华能汕头电厂1号汽轮机,容量300 MW,系俄罗斯产品,型号K-300-170- 3,为单轴三缸三排汽亚临界一次中间再热凝汽式。汽轮机共5个轴承,除2号轴承为推力- 支持联合球面自位式滑动轴承以外,其它轴承均为固定式滑动轴承,所有轴瓦材料为锡基巴 氏合金。在1996年底机组试运期间,发现该机组1号轴承后部轴瓦温度在额定参数和额定负 荷下为95~102 ℃。其它轴承瓦温都在75 ℃以下。后经过对1号轴瓦中间泄油槽封堵了四分 之一,增加了轴瓦承载面积,1号轴瓦温度降到90~92 ℃,瓦温依然过高。打开1号轴承检 查,发现该轴瓦后部有明显的磨擦痕迹。 
    导致该轴瓦温度高的主要原因,是由于厂家在设计中既没有考虑在该处采用适当承载能力的自位式轴承,也没有考虑到有关外部因素对轴承产生额外作用力、轴端转角变化等影响,导 致该轴承承受过大的负载,引起瓦温升高。 
    笔者曾对汽轮机调节阀开度差与轴承载荷与轴承温度之间的关系进行了理论探讨,得知对于带反动度的汽轮机,其调节阀开度差(含开启顺序)除了对汽轮机蒸汽热力性能及节流状态有影响外,还与轴承载荷、转轴挠度、轴端转角、轴承油膜厚度及轴承温度之间有关系,并且调节阀开度差与由其引起的作用在轴承上的附加载荷成正比关系(由于篇幅所限,在此不作赘述)。要解决因轴承设计不当等因素引起轴承温度高及油膜振荡问题,在一定范围内,可以通过改变调节阀开度差来减小该轴承的负载或比压及轴端转角入手。 
    1、调节阀开度差与轴承油膜厚度及轴承温度之间关系 
    根据润滑理论,对于动压式滑动轴承,如果轴承负载过轻,轴承油膜过厚,油膜容易失稳而 发生油膜振荡;如果轴承负荷过重,油膜容易破裂而产生轴瓦和轴颈局部干磨擦而使轴瓦温 度升高。为使轴承油膜不致过厚也不致过薄,即不发生油膜震荡也不致轴瓦温度过高,就必 须找出油膜厚度与轴承负载等参数之间的关系。 
    图1为径向轴承的几何关系。由图1,可求得轴承垂直分力 
    F=μ×v×B×Fy2,  (1) 
    F--轴承垂直分力,N;
    μ--润滑油绝对粘度,MPa·s;
    Ψ--轴承的相对间隙,Ψ=C/R,mm;
    C--轴承的半径间隙,C=R-r,mm;
    R--轴承半径,mm;
    r--轴颈半径,mm;
    B--轴颈工作长度,mm;
    v--轴颈圆周速度,v=Rω,mm/s;
    Fy--轴承承载因数;
    ω--轴颈角速度,rad/s。

图1  径向轴承的几何关系
    最小油膜厚度为 
    hmin=C-e,  (2) 
    hmin--最小油膜厚度,mm;
    e--轴颈在轴承中心偏心距,mm。 
    把上述有关公式代入(1)式中,适当整改得

    F--轴承载荷,F=F0+FB,N;
    F0--轴承原有载荷,N;
    FB--由调节阀开度差引起的载荷,N。 
    由调节阀开度差与作用在轴承上附加载荷的正比关系,令FB=ΔH/a,其中ΔH为调节阀开度差,a为比例因子,则有F=F0+ΔH/a,并代入(3)式,得

    (4)式揭示了轴承油膜厚度hmin与调节阀开度差ΔH之间的关系,在轴承的承载因数Fy及μ,ω,R,B等参数一定的情况下,ΔH越大,hmin就越小,ΔH越小,hmin就越大。
    对于轴瓦和轴颈之间油膜过薄而引起轴瓦温度高的问题,一般解决的方法是:增加轴瓦宽度B,调整各轴承负荷分配,或更换自位式轴承来适应过大的转轴挠度和轴端转角。这些措施涉及到要改变轴承结构型式或者有关轴承的安装状态,工作量大,费用多。而采用改变调节阀开度差的方法,可以减小调节阀开度差ΔH,其目的是减少轴承负载FB,继而降低轴承总载荷F,适当增加油膜厚度并减小轴端转角,降低轴瓦温度。 
    由于理论计算存在误差,油膜厚度也不易直接测量,因此,最佳的调节阀开度差ΔH,最好通过试验来确定。 
    2、开度差与轴瓦温度关系的试验 
为了确认是否能通过改变调节阀开度差降低华能汕头电厂1号汽轮机1号轴承的温度,我们在机组带70%和100%额定负荷工况下,对3号、4号调节阀不同开度差与1号轴承瓦温之间的关系进行了试验(对1、2号调节阀均维持全开状态,其开度差为0)。试验数据分别如表1和表2所示。

表1  3号、4号调节阀开度差与1号轴瓦温度关系(带70%额定负荷)

表2  3号、4号调节阀开度差与1号轴瓦温度关系(带100%额定负荷)
    根据表1和表2试验数据,可以绘制3号、4号调节阀开度差ΔH3,4与1号轴瓦温度t1间的关系曲线,如图2、图3所示。

图2  70%额定负荷下,ΔH3,4与 t1关系试验曲线

图3  100.0%额定负荷下,ΔH3,4 与t1关系试验曲线
    从图2、图3中看出,1号轴瓦温度与3号、4号调节阀开度差几乎成线性关系,也即ΔH3,4越大,1号轴瓦温度t1就越高,反之亦然。 
    根据1号轴瓦温度与3号、4号调节阀开度差之间的变化规律,对1号轴瓦温度高的问题,采取 了减小调节阀开度差的办法即调换3号、4号调节阀开启顺序,也即先开4号,后开3号的方法 。这样,原来的ΔH3,4为正值,经改变开启次序后,ΔH3,4为负值 。为保证调节阀特性不受影响,把3号、4号调节阀的油动机等相关部件对换。 
    3、效果 
    按此方法改进后,1号轴瓦温度由原来的92 ℃下降到65 ℃左右稳定运行。轴承振动变化 不大,也没有发生油膜振荡的情况。同时,由于调换3号、4号调节阀开启次序之后,ΔH3,4由原来的正值变为负值,但其开度差的绝对值没有改变(也即调节阀的开启重叠度没有增大),没有带来额外的节流损失。实践证明,采用改变调节阀开度差及开启顺序的方法,使1号轴承温度高的问题得到圆满解决,花费少,见效快,取得了显著的经济效益。 
    参考文献 
    [1] 乔孝纯,牛锡传,芈振南,机械设计[M].西安:西安交通大学出版社,1986
    [2] 朱龙根.简明机械零件设计手册[M].北京:机械工业出版社,1997
    [3] 山东省电力学校.汽轮机设备及运行[M].北京:电力工业出版社,1979