李昆　安海陽　趙衛軍

（東方汽輪機有限公司）

摘　要：介紹了汽輪機推力軸承的結構及其球面自位能力，詳細論述了推力軸承球面自位能力失效時的常規表現，并對失效原因進行了仔細分析和總結，并給出了此類故障的處理措施及防治建議。

1　推力軸承結構及其球面自位能力簡介

汽輪機推力軸承是汽輪機中承受轉子軸向推力并限制其軸向位移確保動靜間隙的關鍵部件，其結構如圖1所示，推力軸承通常由推力瓦塊、軸瓦體及軸瓦套3個部套組合而成[1]。為了使推力瓦塊與推力盤具有一定的平行度以便保證推力瓦塊受力均勻，汽輪機推力軸承的軸瓦體與軸瓦套間多采用球面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的機制因此喪失，即推力瓦塊不能與轉子推力盤隨時保持平行，從而造成推力軸承整體受力不均，局部瓦塊因為承載過重瓦塊金屬溫度測點過高，影響機組安全運行。

圖1　推力軸承結構示意圖

2　推力軸承球面自位能力失效時的常規表現

推力軸承球面自位能力失效，Z直接的表現就是球面不能自由旋轉出現卡澀，但一般情況下均是在機組運行階段被發現，因此在發現的初期只能通過運行情況下各推力瓦塊的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后，各推力瓦金屬溫度（見表1）為例，對通常情況下各推力瓦金屬溫度的整體表現特點加以概述。

表1　各推力瓦塊金屬溫度測點值℃

（1）個別推力瓦塊金屬溫度過高，如表1中2月9號推力瓦金屬溫度為83.6℃，此溫度已接近報警溫度85℃。當球面出現卡澀時，安裝在軸瓦體上的推力瓦塊就不能隨著轉子推力盤的擺動而軸向進給或退讓，但是轉子所承受的軸向推力必須由推力軸承來承擔，由此不能退讓的推力瓦塊相較與不能進給的瓦塊，與推力盤的間隙過小，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邊低的趨勢，從表1可以看出，推力瓦塊6～9號、11號在2～6月平均溫度71.1℃要高于推力瓦塊1～5號在2～6月平均溫度61.6℃，推力瓦布置情況詳見圖2。由于球面自位能力失效時，球面不能跟隨轉子自由擺動，軸瓦體上推力瓦塊的支撐面必然與轉子的推力盤呈夾角，詳見圖3。處于夾角開口處的3號瓦位置，由于間隙大、受力小，溫度較低；處于夾角閉合處8～9號推力瓦位置，則由于間隙小、受力大，溫度較高；其余位置亦與夾角所間隙呈現出一定的相關性，且此趨勢在推力增大時，異常顯著。

圖2　推力瓦塊分布示意圖

圖3　夾角間隙示意圖

（3）推力瓦金屬溫度水平整體而言其平均值不高，表1中數據經計算可以得出，該電廠1～11號工作推力瓦支撐各月份平均值，即2月為66.2℃、3月為56.1℃、4月為59.7℃、5月為64.2℃。球面卡澀導致推力瓦溫度升高，通常表現為整個工作面的推力瓦塊半數推力瓦塊溫度處于高位，而其余半數推力瓦塊溫度相反的處于低位，半數升高的過程中，其余半數必然降低，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并不高。

3　推力軸承球面自位能力失效的原因分析

3.1潤滑油系統清潔度

在瓦體球面與瓦套球面的結合面之間,潤滑油有利于結合面的相對滑動。但是若系統潤滑油的清潔度不合格,油液中帶有細小的顆粒雜質,而軸瓦球面與球面座的結合面之間的間隙又較小,這些雜質有可能進入到球面間的小間隙當中,尤其是硬質顆粒,會增加滑動面的摩擦阻力,影響軸承的自位能力,嚴重時還會卡澀滑動面,使軸承不能自位,影響機組的正常運行。通常情況下，潤滑油系統清潔度要?達到NAS1638的7級標準,如果達不到標準,就有可能影響軸承的自位能力,增大軸承不能自位的風險[3]。

3.2球面加工精度難以保證

在推力軸承軸瓦體與軸瓦套之間采用小間隙球面配合結構，因此其加工精度要求很高,具體表現在以下幾個方面：

（1）為了保證球面的匹配性，球面配合間隙較小，且瓦體及瓦套各自上、下半球面的同心度要求較高，因此，工藝上需要將瓦體或瓦套的上下半把合在一起加工，初步加工后，將瓦體及瓦套的球面配磨，這一過程周期長，且需要嚴格控制質量，一旦出現失誤，后期不好補救，且補救措施一定程度上都有可能影響到球面自位能力。

（2）為了降低球面的轉動力矩，瓦體及瓦套各自球面的光潔度要求較高；通常是要求表面粗糙度為0.8。有時球面在加工后還經常出現原材料有氣孔等缺陷,需進行局部修復處理。

（3）瓦體及瓦套的球面接觸要求較高；軸承生產安裝時要重點檢查球面的接觸度，其接觸面在每平方厘米上有接觸點的面積應占整個球面的75%,并且均勻分布等，即機械加工后仍需適當對研或手工打磨。

（4）由于市場節奏不斷加快，對軸承整個加工過程把控不規范的小型制造廠，人為放松了軸承坯料的時效性處理。個別情況下，推力軸承在瓦體、瓦套坯料應力還沒有得到充分釋放就投入加工生產，這就造成加工成品在加工完成后過檢合格，但一段時間后由于應力的后續釋放而發生變形，使得球面的Z終使用狀態達不到設計要求，因此對于瓦體、瓦套這種因為球面配合而加工精度較高的坯料，應該準確把握市場預期，提前下料，并嚴格控制其時效性處理。

目前，在不改變球面小間隙配合這一經典結構的情況下，很難在設計源頭通過更改設計結構來實現容錯率較高的球面配合結構，從而降低球面的加工精度要求，因此，球面加工質量是推力軸承保證自位能力的關鍵所在。實際上，在不計成本的情況下，球面加工精度越高，軸承的自位能力就越強，這需要制造廠根據自身產品特性及使用情況，找到適宜的匹配度，既控制成本又保證使用性能。

3.3運行過程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并限制其軸向位移確保動靜間隙的關鍵部件，其首先要能夠承受轉子通過推力盤施加的推力，其次還應能承受汽輪機運行過程的熱輻射，以及軸承箱箱體、軸承座變形等對自身瓦體、瓦套球面結構造成的影響，詳細如下：

（1）推力軸承承受推力后，該推力將首先通過油膜壓力作用在推力瓦塊上，而后由推力瓦塊傳至瓦體，瓦體又經由球面作用在軸瓦套上，這一系列力的作用過程，瓦體或瓦套均可能發生彈性或塑性變形，影響球面的Z終配合效果。

（2）汽輪機運行過程中，因為熱輻射或者周圍環境溫度對推力軸承進行加熱，在熱態情況下，推力軸承軸瓦體、軸瓦套受熱膨脹發生變形，使得球面配合效果偏離了設計允許范圍。

（3）汽輪機運行過程中，軸承箱因為滑銷系統故障受到缸體的強大作用力，箱體變形擠壓軸瓦套發生變形，導致球面配合效果偏離了設計允許范圍。

在運行過程中，因為受力或受熱膨脹等導致的瓦體或瓦套變形是很難消除的，這就要求在設計時要對推力軸承的受力狀況及使用環境進行充分了解，并數值模擬，盡可能還原推力軸承的使用狀況，在此基礎上對推力軸承進行強健性設計，提高其在各種工況下的耐受性。

3.4球面接觸檢查必要環節的缺失

由于檢修的設備所限，軸承裝配時，球面接觸檢查只能在自然狀態下進行，此時，軸承球面接觸要求通常如下，詳見圖4。

（1）正下方90°范圍內接觸面積大于90%；

（2）左、右90°范圍內接觸面積大于50°；

（3）正上方90°范圍內輕微接觸或者不接觸，不可有局部接觸。

圖4　球面接觸要求示意圖

由上可知，推力軸承在球面接觸檢查的過程中，通常側重于下半球面，但存在如下問題：

在自重狀態下，瓦體放置于瓦套中時，由于自重的作用，瓦體與瓦套在軸向上，球面的中心是在同一垂直平面上，如圖5所示。

圖5　球面兩端間隙示意圖

由于瓦體球面在直徑上小于瓦套球面，因此瓦體和瓦套在軸線方向兩端由于結構的原因是存在間隙且不能檢查相互接觸。但在實際工作中，瓦體在推力的作用下，必然向一側偏移，這就造成工作狀態下起作用的球面配合位置發生變化，而通常狀態下檢查的球面配合位置基本處于無用狀態，如圖6～7所示。

圖6　通常球面接觸范圍示意圖

圖7　工作時球面接觸范圍示意圖

從圖6～7可以看出，在軸承的球面配合檢查中，不僅僅是自由狀態下的檢查，更應該側重于工作狀態下配合部位的檢查，因此，軸承在制造廠及現場球面檢查修復過程中，應注意模擬軸承的工作狀態，并結合自身情況設計制作適合該檢查項的設備工裝。

3.5現場檢修過程中的人為因素

汽輪機組投運后，在其全生命周期中，機組本身要經歷數次檢修，由于檢修人員素質參差不齊、對推力軸承球面的關鍵性認識不盡相同，因此在具體的檢修過程可能發生如下情況，弱化或導致球面自位能力喪失。

（1）在翻檢過程中造成磕碰，但沒有引起足夠重視，而僅是對高點進行打磨，并沒有對粗糙度及過度部位進行控制；

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

（3）在復查推力間隙過程，由于整個軸系重量過重，而使用較大噸位的千金頂，造成瓦體或者瓦套受力過大，造成永久變形；

（4）在球面間隙不合格的情況下，對瓦體或瓦套中分面進行機械加工來恢復球面間隙，在加工量較大的情況下，球面已經不再是球面，難以滿足球面配合的要求；

（5）在球面自位能力不合適的情況，多次人工修刮球面，累積誤差已經使球面偏離設計球面較遠，難以實現機械加工的精度；

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

4　總結

推力軸承的球面自位能力是采用小間隙球面配合這一經典結構型式的推力軸承實現瓦塊均勻受載并且關鍵的手段，但因其先天性的結構特點，致使球面實現自位能力受到多種因素影響，存在于軸承設計、加工、安裝及機組運行的各個階段。

因此，需格外注意以下環節的把控：

（1）在設計上，要注意軸承實際使用情況的數值模擬，減少變形對球面影響，實現軸承的強健性設計；

（2）在加工上，要嚴格把控球面加工質量，使設計意圖Z大化；

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

（4）在機組運行中要嚴密關注各推力瓦塊溫度的變化，尤其是各個測溫點溫度總體呈現一半偏高而另一半又相對偏低的狀況，一旦異常，盡快安排檢修，有效防止惡化。

總之，只有在汽輪機機組的設計、加工、安裝、調試和運行的各個階段都對軸承自位能力引起高度重視，才能從根本上解決軸承自位能力差帶來的問題。

參考文獻

[1]馬駿,孫敏,安海陽.汽輪機推力軸承故障原因分析與處理[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].上海電力學院學報,2006,22（1）:9-12.

注：原文發表于《東方汽輪機》2019年第4期