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摘要：建立600 MW汽轮机推力轴承系统润滑油微油膜厚度和摩擦生热转换系数的物理模型，定量分析推力轴承超温原因，基于检修工艺，治理超温问题。结果表明高负荷和高升负荷速率时，润滑油油膜厚度快速下降，润滑冷却作用下降，摩擦生热量增大，容易超温。非标准工况下的设备缺陷导致推力轴承瓦块表面结构不均匀，油膜厚度不均匀，受力不均匀，油膜承载能力下降，导致超温。技改优化的措施包括增加推力轴承瓦块与转子推力盘的有效接触面积；增大进油孔板直径，提高润滑油流量和压力；增大冷油器冷却水泵压力，降低润滑油进油温度；设计进油楔，提高有效进油量。
关键词：燃煤火力发电；推力轴承；润滑油回油温度；油膜厚度；超温模型
1 引言
燃煤电站汽轮机系统的推力轴承用于承受高压缸转子的单侧轴向推力，维持高压转子和静止部件间的正常轴向间隙[1-3]。与高压缸的单侧进汽不同，中压缸和低压缸均为双侧进汽，轴向推力可以在汽缸内部自平衡，无需在中压缸和低压缸附近加装推力轴承[2-4]。推力轴承局部超温会导致瓦块表面的磨损和变形，转子动静摩擦，造成叶片损毁的严重安全事故[2-4]。
某电厂600 MW发电机组正常情况下满负荷运行时，推力轴承金属报警温度为93℃。在机组快速加负荷至满负荷过程中，推力轴承表面金属的瞬时温度接近100℃，超温已经严重影响机组的安全运行。因此有必要基于物理模型，定量分析推力轴承超温原因，基于检修工艺，治理超温问题。
本研究拟建立600 MW亚临界汽轮机推力轴承润滑油油膜厚度和摩擦生热能量转换系数的物理模型，定量分析推力轴承金属表面超温原因，基于检修工艺，治理超温问题。本文的分析有助于了解火力发电站汽轮机推力轴承超温原因，通过检修改造和超温治理方案，提高机组运行安全性和运行效率。
2系统结构分析
以某电厂600 MW亚临界燃煤火力发电机组3号机为例，图1示出推力轴承的实物结构图，两块推力轴承分别从左右两侧紧贴推力盘，转子推力盘随转子旋转，可能会磨损推力轴承瓦块表面。因此加入润滑油，一是带走热量，降低瓦块温度；二是减少转子推力盘和推力轴承瓦块之间的磨损，提高推力承载能力。
推力轴承包括8个瓦块，瓦块之间为润滑油油槽。推力轴承的制造材料为45号钢，表面镀厚度1.5~5 mm的斯太利合金。斯太利合金耐磨，主要含锡元素，材料表面的摩擦系数小。斯太利合金的熔点温度约125℃。当温度超过停机温度107℃，推力轴承表层开始熔解脱落，斯太利合金被破坏掉。
3物理模型
蒸汽冲击汽轮机转子，带动转子推力盘旋转，旋转的转子推力盘与推力轴承瓦块表面的润滑油摩擦生热。润滑油吸收摩擦生热，温度升高，其能量守恒关系式为：
4试验数据分析
标准工况为按照机组设计的正常运行工况。非标准工况是指由于设备缺陷，导致推力轴承瓦块表面温度和润滑油回油温度超过报警值。图2示出推力轴承金属温度随负荷和升负荷速率的增加而增大，且随负荷的增加速率在非标准工况大于标准工况。负荷620 MW，升负荷速率10 MW/min时，推力轴承表面金属94.8℃，高于报警温度93℃。高负荷和高升负荷速率情况下，设备缺陷会导致严重的超温。
图3示出非标准工况下，推力轴承金属温度随主机润滑油进口温度变化率与同等条件的标准工况差不多。但在不同润滑油进口温度条件下，推力轴承表面金属的平均温度在非标准工况比标准工况高2.2~3.2℃。
5计算结果分析与讨论
图4示出在相同负荷下，摩擦生热能量转换系数K在非标准工况大于标准工况。说明非标准工况下，由于结构不均匀，部分瓦块与转子推力盘之间的有效油膜厚度较小，有更多的轴端功率转换成了无用的摩擦热量。
图5示出在相同负荷下，推力轴承润滑油油膜平均厚度在非标准工况小于标准工况，且随着负荷增加，润滑油油膜平均厚度在非标准工况下降低得更快。说明在非标准工况，高负荷和高升负荷速率的情况下，润滑油油膜厚度快速下降，润滑冷却作用下降，推力轴承瓦块表面更容易超温。
造成推力轴承瓦块表面温度高的原因包括：1）润滑油进油温度高；2）润滑油压力低，润滑油质量流量低；3）排油不畅，阻碍轴承进油；4）瓦块自位卡涩或瓦块结构不均匀，导致受力不均匀，个别瓦块的局部区域温度高；5）油质差，润滑油中含有杂质，瓦块表面磨损；6）机组突然升负荷，引起轴向推力增大。
技改优化的措施包括：1）增大推力轴承瓦块与转子推力盘的有效接触面积，由50%提高至约80%；2）增大推力轴承进油孔板直径，由28 mm增加至30 mm，将润滑油质量流量由10.88 kg/s提高至12.65 kg/s；3）增大冷油器冷却水泵压力和冷却水流量，降低润滑油进油温度2~4℃；4）瓦块的进油边设计一个进油楔，提高润滑油的有效进油量。
6结论
本文建立了建立600 MW汽轮机推力轴承润滑油油膜厚度和摩擦生热能量转换系数的物理模型，定量分析推力轴承超温原因，基于检修工艺，治理超温问题。结果表明：
（1）高负荷和高升负荷速率情况下，设备缺陷会导致严重的推力轴承表面金属超温。
（2）高负荷和高升负荷速率的情况下，润滑油油膜厚度快速下降，润滑冷却作用下降，推力轴承的承载能力下降，推力轴承更容易超温。
（3）非标准工况下的设备缺陷导致推力轴承瓦块表面结构不均匀，油膜厚度不均匀，受力不均匀，润滑油油膜承载能力下降，容易导致推力轴承表面金属温度超温。
（4）技改优化的措施包括增加推力轴承瓦块与转子推力盘的有效接触面积；增大进油孔板直径，提高润滑油流量；增加冷油器冷却水泵压力，降低润滑油进油温度；新增进油楔，增加润滑油的有效进油量。
参考文献
[1]薛晓峰, 曹兴, 耿真, 潘嘉韬. 800 MW 汽轮机推力轴承温度超标原因分析及处理[J]. 吉林电力, 2004, (3): 24-25, 28.
[2]程韶华, 岳正飞. 汽轮机推力轴承瓦块温度超标原因及处理[J]. 江苏电机工程, 2005, 24(3): 68-69.
[3]丁建华. 汽轮机轴承变温度特性实验研究[J]. 广东电力, 2005, 18(7): 34-36.
[4]向红, 李志强. 300 MW汽轮机轴承温度异常分析及处理[J]. 湖南电力, 2007, 27(4): 38-39.
论文作者:刘德刚1,宋风强2,崔烽3,王洋3,赵俊杰3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/4/7
标签：推力论文; 轴承论文; 瓦块论文; 润滑油论文; 工况论文; 油膜论文; 温度论文; 《电力设备》2017年第2期论文;