李昆　安海陽　趙衛軍

（東方汽輪機有限公司）

摘　要：介紹了汽輪機（jī）推力（lì）軸承的結構及其球（qiú）麵自（zì）位能力，詳細論述了推（tuī）力軸承球麵自位能力失效時的常（cháng）規表現，並對失效原因（yīn）進行了仔細分析和總結，並給（gěi）出了此類故障的處理措施及防治建（jiàn）議。

1　推力軸承結構及其球麵自位能力簡介

汽輪機推力軸承是汽輪機中承受轉（zhuǎn）子軸（zhóu）向推力並限製其軸向位移確保動靜（jìng）間（jiān）隙的關鍵部件，其結構如（rú）圖1所示，推力軸承通常由（yóu）推力（lì）瓦塊、軸瓦體及軸瓦套（tào）3個部套組合而成[1]。為了使推力瓦塊與（yǔ）推力盤具（jù）有（yǒu）一定的平行度以便保證推力瓦塊受力均勻，汽輪機（jī）推力軸承的軸瓦體與軸瓦套間多采用球麵小間隙配合的典型結構來實現推力軸承的自位功能，而此能力一旦失效，推力瓦塊隨著推力盤擺動（dòng）的機製因此（cǐ）喪（sàng）失，即推力瓦塊不能（néng）與轉子推力（lì）盤隨時保持平行（háng），從而造成推力（lì）軸承整體受力不均，局部瓦塊因為承載過（guò）重瓦塊金屬溫度測點過高，影響機組安全運行。

圖1　推力軸（zhóu）承結構（gòu）示意圖

2　推力軸承球麵自位能力失效時的常（cháng）規表現

推（tuī）力軸承球麵自位能力失效，Z直接的表（biǎo）現就是球麵不能自由旋（xuán）轉出現卡澀，但一般情（qíng）況下均是在機組運（yùn）行階段被發現，因此在發（fā）現的初期（qī）隻（zhī）能通過（guò）運行情況下各推力瓦塊的（de）金屬溫度來初步判斷[2]，本文以某電廠推力軸承出現自位能力失效後，各推力瓦（wǎ）金屬溫度（見表1）為例，對通常情（qíng）況下各推力瓦金屬溫（wēn）度的整體表現特點加以概（gài）述。

表1　各推力（lì）瓦塊（kuài）金屬溫度測（cè）點值（zhí）℃

（1）個別推力瓦塊金屬溫度過高，如表1中2月9號推力（lì）瓦金屬溫度為83.6℃，此溫度已接近報（bào）警溫度85℃。當球麵出現卡澀時，安裝在軸瓦體上的推力瓦塊就不能（néng）隨著轉子推（tuī）力盤的擺動（dòng）而軸向進給或退讓，但是轉子所承受的軸向推力必須由推力軸承來承（chéng）擔，由（yóu）此不能退讓的推力瓦塊相（xiàng）較（jiào）與（yǔ）不能進給（gěi）的瓦塊，與推力盤的間隙（xì）過小，承受的載荷過大，導致局部瓦塊溫度過高。

（2）推力軸承工作瓦金屬溫度呈現半邊高半（bàn）邊低的（de）趨（qū）勢，從表1可以看出（chū），推力瓦塊6～9號、11號在（zài）2～6月平（píng）均溫度71.1℃要高於推力（lì）瓦塊1～5號在2～6月平均溫度61.6℃，推力瓦布置情況詳見圖2。由於球麵（miàn）自（zì）位能力失效時，球麵不能跟隨轉子自由擺動（dòng），軸瓦體上推力瓦塊（kuài）的支撐麵必然與轉子的推力盤呈夾角，詳見圖3。處於夾角（jiǎo）開口處的3號瓦位置，由於（yú）間隙（xì）大、受力小，溫度較低；處於夾角閉合處（chù）8～9號推力瓦位置，則由於間隙小、受力大，溫度較（jiào）高；其餘位置亦與夾角所（suǒ）間隙呈現出一定的相關性，且此趨勢在（zài）推力增大時，異（yì）常顯著。

圖2　推力瓦塊分布示意圖

圖3　夾角間（jiān）隙示意圖

（3）推力瓦金屬溫度水平整體而言（yán）其平均值不高，表1中數據經計算可以得出，該電（diàn）廠（chǎng）1～11號工作推力瓦支（zhī）撐各月份平均值，即2月為66.2℃、3月為56.1℃、4月為59.7℃、5月（yuè）為64.2℃。球麵卡（kǎ）澀導致推力瓦（wǎ）溫度升高，通常表現為整個工作（zuò）麵的推力瓦塊半數推力瓦塊（kuài）溫（wēn）度處於高位，而其餘（yú）半數推力瓦塊（kuài）溫（wēn）度相反的處於低位，半數升高的過程中，其餘半數必（bì）然降低，且升高和降低呈現相關性，在總推力不變的情況下，推力瓦金屬溫度平均值並（bìng）不高。

3　推（tuī）力軸承球麵自位能力失（shī）效的原因分析

3.1潤滑（huá）油係統清潔度

在瓦體球麵與瓦套球麵的結合麵之間,潤（rùn）滑油有利於（yú）結合麵（miàn）的相對滑動。但是若係統（tǒng）潤滑油的清潔度（dù）不合格,油液中帶有（yǒu）細小的顆粒（lì）雜質,而軸瓦球（qiú）麵與球麵座的結合麵之間的間隙又較小,這些雜質有可能進入到（dào）球（qiú）麵間的小間隙當中,尤其是硬質顆粒,會增加滑動麵的（de）摩擦阻力,影響軸承的自位能力,嚴重時還會卡澀滑動麵（miàn）,使軸承不能自位,影響機組的正常運行。通常情況下，潤滑油係統清潔度要?達到NAS1638的7級標準,如果達不到標（biāo）準,就有可能影響（xiǎng）軸承的自位能力,增大軸承不能自位的風險[3]。

3.2球麵加工精度難以保證

在推力軸（zhóu）承軸瓦體與軸瓦（wǎ）套之間采用小間隙（xì）球麵（miàn）配合結構，因此其加工精度要求很高,具體表現在以（yǐ）下幾個方麵：

（1）為了保證球麵的匹配性，球麵配合間隙（xì）較小，且瓦體及瓦套各自上、下半球麵的同心度要求較高，因此，工藝上需要將瓦體或瓦套的上下半把合在（zài）一起加工，初步加工後，將瓦體及瓦套的球麵配磨，這一過程周期長（zhǎng），且需要嚴格控製質量，一旦出現失誤，後期（qī）不好補救，且（qiě）補救措施一定程度上都有（yǒu）可能影響到球麵自位能（néng）力。

（2）為了降低球麵的轉動力矩，瓦體（tǐ）及瓦套各自球麵的光潔度要求較高（gāo）；通常是要（yào）求表麵粗糙度為0.8。有時球麵在加工後還經常出（chū）現原（yuán）材料有氣孔等缺陷,需進行局部修複處理。

（3）瓦體（tǐ）及瓦套的球麵接觸要求較高；軸承生產安裝時要重點檢（jiǎn）查（chá）球麵的接觸（chù）度，其接（jiē）觸麵在（zài）每平方厘米上有接觸點（diǎn）的麵積應占整個球麵的75%,並且（qiě）均勻分布等，即機械加工後仍需適當對（duì）研或手工打磨。

（4）由於市場節（jiē）奏不斷加快，對軸承整個加工過程把控不規（guī）範的小型製造廠（chǎng），人為放鬆了軸承坯料的時效性處理。個別情況下，推力軸承在瓦體、瓦套坯料應（yīng）力還沒有（yǒu）得（dé）到充分釋放就（jiù）投入加工生產，這就造成加工成品在加工完成後過檢合格，但一（yī）段時間（jiān）後由於應力的後續釋放而發生變形，使得（dé）球麵的Z終使用狀態達不到設計（jì）要求，因此對於瓦體、瓦套這種因為球麵配合而加工精度較高的坯料，應該準確把握市場預期（qī），提（tí）前下料，並（bìng）嚴格控製其（qí）時效性處理。

目前，在不改變球麵小間隙配合這一經典結構的情況（kuàng）下，很難在設計（jì）源頭通過更改設計（jì）結構來實現容錯率較高（gāo）的球麵配合結構，從而降低球麵（miàn）的加工精度要求，因此，球麵加工質（zhì）量是推力軸承保證自位能力的關鍵所在。實際上，在不計成本的（de）情況下（xià），球麵加（jiā）工精度越高，軸（zhóu）承的（de）自（zì）位能力就越強，這需（xū）要製造廠（chǎng）根據（jù）自身產品特性及使用情況，找到適宜的匹配度，既控製成本又保證（zhèng）使用性（xìng）能。

3.3運（yùn）行過程（chéng）中瓦體或者瓦套變形

汽輪機推力軸承是汽輪機中承受轉子軸向推力並限製其軸向位移確保動靜間（jiān）隙（xì）的（de）關鍵部件，其首先要能夠承（chéng）受轉子（zǐ）通過推力盤施加的推力（lì），其次還應能承受汽輪機（jī）運行過程的熱輻（fú）射，以及軸承箱箱體（tǐ）、軸承（chéng）座變形等對自身瓦體、瓦套球麵結構造成的影響，詳細如下：

（1）推力軸承承受推力後，該推力將首先通過油膜（mó）壓力作用在推力瓦塊上，而後由推力（lì）瓦塊傳至瓦體，瓦體又經（jīng）由球麵作用在軸瓦套上，這一係（xì）列力的作用過程，瓦體或瓦套均可能發生彈性或塑性變形，影響球麵的Z終配合效果。

（2）汽輪機運行過程中，因（yīn）為熱輻（fú）射或者周圍（wéi）環（huán）境溫度對推力（lì）軸（zhóu）承進（jìn）行加熱，在熱態情況下，推力軸（zhóu）承軸瓦體、軸瓦套受熱（rè）膨脹發生變（biàn）形，使得球麵配合（hé）效果（guǒ）偏離了設（shè）計允（yǔn）許範圍。

（3）汽輪機運行過程中，軸承箱因為滑銷係統故障受到缸體的強大作用力（lì），箱體變形擠壓軸瓦套發生變形，導致球麵配合效果偏離了設計允（yǔn）許範圍。

在運行（háng）過程中，因（yīn）為受力（lì）或受熱膨脹等導致的瓦體（tǐ）或瓦套變形是（shì）很難消除的，這就要求在設（shè）計時要（yào）對推力軸承的受力狀況及使（shǐ）用環境進行充分了解，並數（shù）值模擬，盡可能還原推力（lì）軸承（chéng）的使（shǐ）用狀況，在此基礎上（shàng）對推力軸承進行強健性設計（jì），提高其在各種工況下（xià）的耐（nài）受性。

3.4球麵接觸檢查必要環節的缺失

由於檢修的設備所限，軸承裝配時，球麵接觸檢查隻能在自（zì）然狀態下進行，此時，軸承球麵接觸要求通（tōng）常如（rú）下（xià），詳見圖4。

（1）正下方（fāng）90°範圍內接觸（chù）麵積大於90%；

（2）左、右90°範（fàn）圍內接觸麵積大（dà）於50°；

（3）正（zhèng）上方90°範圍內輕微接觸或者不接觸，不可有局部接觸。

圖4　球麵接觸要求示意圖

由上可知，推力軸承在球（qiú）麵接觸檢（jiǎn）查的過程中，通常側重於下半球（qiú）麵，但存在如下問題（tí）：

在自（zì）重狀（zhuàng）態下（xià），瓦體放置於瓦套中時（shí），由於（yú）自重的作用，瓦體與瓦套在軸向上（shàng），球麵（miàn）的中心（xīn）是在同一垂直平麵（miàn）上，如圖5所示（shì）。

圖5　球麵兩端間隙示意圖

由於瓦體球麵在直徑上小於瓦套球麵（miàn），因此瓦體和瓦套在軸線（xiàn）方向兩端由於結構的原因是存在間隙且不能檢（jiǎn）查（chá）相互接觸。但在實際工（gōng）作中，瓦體在推力的作（zuò）用（yòng）下，必然向一側偏移，這就（jiù）造成工作狀態下（xià）起作用的球（qiú）麵配合位置發生變化（huà），而通（tōng）常狀態下檢查的球麵配合位置基本處於無用（yòng）狀態，如圖6～7所示。

圖（tú）6　通常球麵接觸範圍示意圖

圖7　工作時球麵接觸範圍示意圖

從圖6～7可以看（kàn）出，在軸承的球（qiú）麵配合檢查中，不僅僅是自由狀態下的（de）檢查，更應該側重於工（gōng）作狀態下配合部位的檢查，因此，軸承在製造廠及現場球麵檢查修複過程（chéng）中，應注意模擬（nǐ）軸承的工作狀態，並結合自身情況設計製作適合該檢查項的設備工裝（zhuāng）。

3.5現場檢修過程中的人（rén）為因（yīn）素

汽輪機組投運後（hòu），在其（qí）全生命周期中，機組本（běn）身要經曆數次檢修，由於（yú）檢（jiǎn）修人員（yuán）素質參差不齊、對推力（lì）軸承（chéng）球麵的關鍵性認識不盡相同，因此在具體的檢修過程可能發生（shēng）如下情況，弱化或導致球麵自位能力（lì）喪失。

（1）在翻檢過程中造（zào）成（chéng）磕碰，但沒有（yǒu）引起足夠重（chóng）視，而僅是對高點進（jìn）行打磨（mó），並沒（méi）有對粗糙度及過度部（bù）位進行控製；

（2）在翻檢過程中，利用過大的外力頂出軸瓦體，造成瓦體或瓦套（tào）發生永久變形影響球麵配合；

（3）在複查推力間隙過（guò）程，由於整個軸係重量過重，而使用（yòng）較大噸位的千金頂，造成瓦體或（huò）者瓦套受力過大，造成永久變形；

（4）在球麵間隙（xì）不合格的（de）情況下，對瓦體或瓦套中（zhōng）分麵進行機械加工來恢複球麵間隙，在加（jiā）工（gōng）量較大的情況下，球麵已經不再是（shì）球麵，難以滿足球麵配合的要求；

（5）在球麵自位能力不合適的情況，多次人工（gōng）修刮球麵，累積誤差已經使球麵偏離設計（jì）球麵較遠，難以實現機械加工的精度；

（6）修刮球麵技術含量比較高（gāo），原則上應以Z小的去除量換來Z大的接觸改善，需要較（jiào）高技藝和極大耐心，盲目修刮或者經驗不足極易造成球麵（miàn）的修刮效果不能達到（dào）預期；

4　總結

推（tuī）力軸承的球（qiú）麵自位能力是（shì）采用小間隙球麵配合這一經典結構型式的推力軸承實現瓦塊均勻受（shòu）載並且關鍵的手段，但因其先天性的結構特點（diǎn），致使球麵實現自位能力受到多種因素影響，存在於軸承設計（jì）、加（jiā）工、安裝及機組運行的各個（gè）階段。

因此，需格外（wài）注（zhù）意以下環節的（de）把控：

（1）在設計上，要注意軸（zhóu）承實際使用情況的數值模擬，減少變形對球麵影（yǐng）響，實現軸承（chéng）的強健性設計（jì）；

（2）在（zài）加（jiā）工上，要（yào）嚴格把控球麵加工（gōng）質量，使設計意圖Z大（dà）化；

（3）在裝配環節，要注意推力軸承球麵接觸位置的變化，使其在模擬工作狀態下（xià），仍能相對活動自如，且轉動力矩達（dá）到設計（jì）要求；

（4）在機（jī）組運行中（zhōng）要嚴密（mì）關注各推力瓦塊溫度的變化，尤其是各個測（cè）溫點溫（wēn）度總體呈現一半偏高而另一半又（yòu）相對偏低的狀況，一旦異（yì）常，盡快安排檢修，有效防（fáng）止（zhǐ）惡化。

總之，隻有在汽輪機機組的設計、加工、安裝、調試和運行（háng）的（de）各個階段都對軸承自位能力引起高度重視（shì），才能從根（gēn）本上解決軸承（chéng）自位能力差帶（dài）來的問題。

參考文獻

[1]馬駿,孫敏,安海陽.汽輪（lún）機推力軸承（chéng）故（gù）障原因分（fèn）析與處理[J].東方汽輪機,2016,(3):11-13.

[2]潘世漢.N135MW汽輪機軸承溫度異常分析與預防措[J].上海電力學（xué）院學報（bào）,2006,22（1）:9-12.

注：原文發表於《東方汽輪機（jī）》2019年第4期