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改變調節閥開度差解決軸瓦溫度過高問題
2010-04-22
作者：曠仲和
（華能電力開發公司廣東分公司）
（華能電力開發公司廣東分公司）
【關鍵詞】汽輪機；軸承負載；軸瓦溫度；調節閥開度；開啟順序
【摘 要】華能汕頭電廠1號汽輪機在額定參數和額定負荷下1號軸承的軸瓦溫度過高。主要原因是該軸承承受過大的負載，部分油膜減薄，引起瓦溫升高。能否通過改變調節閥開度差解決軸承瓦溫度過高問題?經試驗研究，證實了調節閥開度差與軸承溫度之間有關系。通過減小調節閥開度差，可降低軸承載荷，從而適當增加油膜厚度，降低軸瓦溫度。在實踐中，采用了改變3號、4號調節閥開度差即調換3號、4號調節閥開啟順序的方法，使1號軸承溫度高的問題得到圓滿解決，花費少，見效快。
華能汕頭電廠1號汽輪機，容量300 MW，系俄羅斯產品，型號K-300-170-3，為單軸三缸三排汽亞臨界一次中間再熱凝汽式。汽輪機共5個軸承，除2號軸承為推力-支持聯合球面自位式滑動軸承以外，其它軸承均為固定式滑動軸承，所有軸瓦材料為錫基巴氏合金。在1996年底機組試運期間，發現該機組1號軸承后部軸瓦溫度在額定參數和額定負荷下為95～102 ℃。其它軸承瓦溫都在75℃以下。后經過對1號軸瓦中間泄油槽封堵了四分之一，增加了軸瓦承載面積，1號軸瓦溫度降到90～92 ℃，瓦溫依然過高。打開1號軸承檢查，發現該軸瓦后部有明顯的磨擦痕跡。
導致該軸瓦溫度高的主要原因，是由于廠家在設計中既沒有考慮在該處采用適當承載能力的自位式軸承，也沒有考慮到有關外部因素對軸承產生額外作用力、軸端轉角變化等影響，導致該軸承承受過大的負載，引起瓦溫升高。
筆者曾對汽輪機調節閥開度差與軸承載荷與軸承溫度之間的關系進行了理論探討，得知對于帶反動度的汽輪機，其調節閥開度差(含開啟順序)除了對汽輪機蒸汽熱力性能及節流狀態有影響外，還與軸承載荷、轉軸撓度、軸端轉角、軸承油膜厚度及軸承溫度之間有關系，并且調節閥開度差與由其引起的作用在軸承上的附加載荷成正比關系(由于篇幅所限，在此不作贅述)。要解決因軸承設計不當等因素引起軸承溫度高及油膜振蕩問題，在一定范圍內，可以通過改變調節閥開度差來減小該軸承的負載或比壓及軸端轉角入手。
1、調節閥開度差與軸承油膜厚度及軸承溫度之間關系
根據潤滑理論，對于動壓式滑動軸承，如果軸承負載過輕，軸承油膜過厚，油膜容易失穩而發生油膜振蕩；如果軸承負荷過重，油膜容易破裂而產生軸瓦和軸頸局部干磨擦而使軸瓦溫度升高。為使軸承油膜不致過厚也不致過薄，即不發生油膜震蕩也不致軸瓦溫度過高，就必須找出油膜厚度與軸承負載等參數之間的關系。
圖1為徑向軸承的幾何關系。由圖1，可求得軸承垂直分力
【摘 要】華能汕頭電廠1號汽輪機在額定參數和額定負荷下1號軸承的軸瓦溫度過高。主要原因是該軸承承受過大的負載，部分油膜減薄，引起瓦溫升高。能否通過改變調節閥開度差解決軸承瓦溫度過高問題?經試驗研究，證實了調節閥開度差與軸承溫度之間有關系。通過減小調節閥開度差，可降低軸承載荷，從而適當增加油膜厚度，降低軸瓦溫度。在實踐中，采用了改變3號、4號調節閥開度差即調換3號、4號調節閥開啟順序的方法，使1號軸承溫度高的問題得到圓滿解決，花費少，見效快。
華能汕頭電廠1號汽輪機，容量300 MW，系俄羅斯產品，型號K-300-170-3，為單軸三缸三排汽亞臨界一次中間再熱凝汽式。汽輪機共5個軸承，除2號軸承為推力-支持聯合球面自位式滑動軸承以外，其它軸承均為固定式滑動軸承，所有軸瓦材料為錫基巴氏合金。在1996年底機組試運期間，發現該機組1號軸承后部軸瓦溫度在額定參數和額定負荷下為95～102 ℃。其它軸承瓦溫都在75℃以下。后經過對1號軸瓦中間泄油槽封堵了四分之一，增加了軸瓦承載面積，1號軸瓦溫度降到90～92 ℃，瓦溫依然過高。打開1號軸承檢查，發現該軸瓦后部有明顯的磨擦痕跡。
導致該軸瓦溫度高的主要原因，是由于廠家在設計中既沒有考慮在該處采用適當承載能力的自位式軸承，也沒有考慮到有關外部因素對軸承產生額外作用力、軸端轉角變化等影響，導致該軸承承受過大的負載，引起瓦溫升高。
筆者曾對汽輪機調節閥開度差與軸承載荷與軸承溫度之間的關系進行了理論探討，得知對于帶反動度的汽輪機，其調節閥開度差(含開啟順序)除了對汽輪機蒸汽熱力性能及節流狀態有影響外，還與軸承載荷、轉軸撓度、軸端轉角、軸承油膜厚度及軸承溫度之間有關系，并且調節閥開度差與由其引起的作用在軸承上的附加載荷成正比關系(由于篇幅所限，在此不作贅述)。要解決因軸承設計不當等因素引起軸承溫度高及油膜振蕩問題，在一定范圍內，可以通過改變調節閥開度差來減小該軸承的負載或比壓及軸端轉角入手。
1、調節閥開度差與軸承油膜厚度及軸承溫度之間關系
根據潤滑理論，對于動壓式滑動軸承，如果軸承負載過輕，軸承油膜過厚，油膜容易失穩而發生油膜振蕩；如果軸承負荷過重，油膜容易破裂而產生軸瓦和軸頸局部干磨擦而使軸瓦溫度升高。為使軸承油膜不致過厚也不致過薄，即不發生油膜震蕩也不致軸瓦溫度過高，就必須找出油膜厚度與軸承負載等參數之間的關系。
圖1為徑向軸承的幾何關系。由圖1，可求得軸承垂直分力
圖1 徑向軸承的幾何關系
F=μ×v×B×Fy/Ψ2 ， (1)
F--軸承垂直分力，N；
μ--潤滑油粘度，MPa·s；
Ψ--軸承的相對間隙，Ψ=C/R，mm；
C--軸承的半徑間隙，C=R-r，mm；
R--軸承半徑，mm；
r--軸頸半徑，mm；
B--軸頸工作長度，mm；
v--軸頸圓周速度，v=Rω，mm/s；
Fy--軸承承載因數；
ω--軸頸角速度，rad/s。
Z小油膜厚度為
hmin=C-e， (2)
hmin--Z小油膜厚度，mm；
e--軸頸在軸承中心偏心距，mm。
把上述有關公式代入(1)式中，適當整改得
F--軸承垂直分力，N；
μ--潤滑油粘度，MPa·s；
Ψ--軸承的相對間隙，Ψ=C/R，mm；
C--軸承的半徑間隙，C=R-r，mm；
R--軸承半徑，mm；
r--軸頸半徑，mm；
B--軸頸工作長度，mm；
v--軸頸圓周速度，v=Rω，mm/s；
Fy--軸承承載因數；
ω--軸頸角速度，rad/s。
Z小油膜厚度為
hmin=C-e， (2)
hmin--Z小油膜厚度，mm；
e--軸頸在軸承中心偏心距，mm。
把上述有關公式代入(1)式中，適當整改得
F--軸承載荷，F=F0+FB，N；
F0--軸承原有載荷，N；
FB－由調節閥開度差引起的載荷，N。
由調節閥開度差與作用在軸承上附加載荷的正比關系，令FB=ΔH/a，其中ΔH為調節閥開度差，a為比例因子，則有F=F0+ΔH/a，并代入(3)式，得
F0--軸承原有載荷，N；
FB－由調節閥開度差引起的載荷，N。
由調節閥開度差與作用在軸承上附加載荷的正比關系，令FB=ΔH/a，其中ΔH為調節閥開度差，a為比例因子，則有F=F0+ΔH/a，并代入(3)式，得
(4)式揭示了軸承油膜厚度hmin與調節閥開度差ΔH之間的關系，在軸承的承載因數Fy及μ，ω，R，B等參數一定的情況下，ΔH越大，hmin就越小，ΔH越小，hmin就越大。
對于軸瓦和軸頸之間油膜過薄而引起軸瓦溫度高的問題，一般解決的方法是：增加軸瓦寬度B，調整各軸承負荷分配，或更換自位式軸承來適應過大的轉軸撓度和軸端轉角。這些措施涉及到要改變軸承結構型式或者有關軸承的安裝狀態，工作量大，費用多。而采用改變調節閥開度差的方法，可以減小調節閥開度差ΔH，其目的是減少軸承負載FB，繼而降低軸承總載荷F，適當增加油膜厚度并減小軸端轉角，降低軸瓦溫度。
由于理論計算存在誤差，油膜厚度也不易直接測量，因此，Z佳的調節閥開度差ΔH，Z好通過試驗來確定。
2、開度差與軸瓦溫度關系的試驗
為了確認是否能通過改變調節閥開度差降低華能汕頭電廠1號汽輪機1號軸承的溫度，我們在機組帶70％和100％額定負荷工況下，對3號、4號調節閥不同開度差與1號軸承瓦溫之間的關系進行了試驗(對1、2號調節閥均維持全開狀態，其開度差為0)。試驗數據分別如表1和表2所示。
由于理論計算存在誤差，油膜厚度也不易直接測量，因此，Z佳的調節閥開度差ΔH，Z好通過試驗來確定。
2、開度差與軸瓦溫度關系的試驗
為了確認是否能通過改變調節閥開度差降低華能汕頭電廠1號汽輪機1號軸承的溫度，我們在機組帶70％和100％額定負荷工況下，對3號、4號調節閥不同開度差與1號軸承瓦溫之間的關系進行了試驗(對1、2號調節閥均維持全開狀態，其開度差為0)。試驗數據分別如表1和表2所示。
表1 3號、4號調節閥開度差與1號軸瓦溫度關系(帶70％額定負荷)
表2 3號、4號調節閥開度差與1號軸瓦溫度關系(帶100％額定負荷)
根據表1表2試驗數據，可以繪制3號、4號調節閥開度差ΔH3，4與1號軸瓦溫度t1間的關系曲線，如圖2、圖3所示。
圖2 70％額定負荷下，ΔH3，4與 t1關系試驗曲線
圖3 100.0％額定負荷下，ΔH3，4 與t1關系試驗曲線
從圖2、圖3中看出，1號軸瓦溫度與3號、4號調節閥開度差幾乎成線性關系，也即ΔH3，4越大，1號軸瓦溫度t1就越高，反之亦然。
根據1號軸瓦溫度與3號、4號調節閥開度差之間的變化規律，對1號軸瓦溫度高的問題，采取了減小調節閥開度差的辦法即調換3號、4號調節閥開啟順序，也即先開4號，后開3號的方法。這樣，原來的ΔH3，4為正值，經改變開啟次序后，ΔH3，4為負值 。為保證調節閥特性不受影響，把3號、4號調節閥的油動機等相關部件對換。
3、效果
按此方法改進后，1號軸瓦溫度由原來的92 ℃下降到65 ℃左右穩定運行。軸承振動變化不大，也沒有發生油膜振蕩的情況。同時，由于調換3號、4號調節閥開啟次序之后，ΔH3，4由原來的正值變為負值，但其開度差的值沒有改變(也即調節閥的開啟重疊度沒有增大)，沒有帶來額外的節流損失。實踐證明，采用改變調節閥開度差及開啟順序的方法，使1號軸承溫度高的問題得到圓滿解決，花費少，見效快，取得了顯著的經濟效益。
參考文獻：
［1］ 喬孝純，牛錫傳，羋振南，機械設計［M］.西安：西安交通大學出版社，1986
［2］ 山東省電力學校.汽輪機設備及運行［M］.北京：電力工業出版社，1979
［3］ 朱龍根.簡明機械零件設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1997
根據1號軸瓦溫度與3號、4號調節閥開度差之間的變化規律，對1號軸瓦溫度高的問題，采取了減小調節閥開度差的辦法即調換3號、4號調節閥開啟順序，也即先開4號，后開3號的方法。這樣，原來的ΔH3，4為正值，經改變開啟次序后，ΔH3，4為負值 。為保證調節閥特性不受影響，把3號、4號調節閥的油動機等相關部件對換。
3、效果
按此方法改進后，1號軸瓦溫度由原來的92 ℃下降到65 ℃左右穩定運行。軸承振動變化不大，也沒有發生油膜振蕩的情況。同時，由于調換3號、4號調節閥開啟次序之后，ΔH3，4由原來的正值變為負值，但其開度差的值沒有改變(也即調節閥的開啟重疊度沒有增大)，沒有帶來額外的節流損失。實踐證明，采用改變調節閥開度差及開啟順序的方法，使1號軸承溫度高的問題得到圓滿解決，花費少，見效快，取得了顯著的經濟效益。
參考文獻：
［1］ 喬孝純，牛錫傳，羋振南，機械設計［M］.西安：西安交通大學出版社，1986
［2］ 山東省電力學校.汽輪機設備及運行［M］.北京：電力工業出版社，1979
［3］ 朱龍根.簡明機械零件設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1997
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