工业汽轮机油楔式径向轴承结构及性能分析
第38卷 第1期Vol. 38No. 1热力透平 THER M A L T UR BI NE 2009年3月Mar. 2009
工业汽轮机油楔式径向轴承结构及性能分析
丁 晨, 毛汉忠
(杭州汽轮机股份有限公司, 杭州310022)
摘 要:介绍了工业汽轮机油楔式径向轴承的结构、性能以及特点。通过对油楔式径向轴承的特性分析以及和
可倾瓦轴承的比较, 论述了油楔式径向轴承的优越性。总结表明, 油楔式径向轴承结构简单、承载力大、运行安全可靠, 在工业汽轮机领域, 其使用场合远大于可倾瓦轴承。关键词:工业汽轮机; 油楔式径向轴承; 轴承结构; 可倾瓦轴承中图分类号:T K263. 6 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2009) 01-0029-03
Analysis on Conf iguration and Performance of Oil 2Wedge 2Type
Journal Bearings for Industrial Steam Turbines
D I N G Chen , M A O H an 2z hong
(Hangzhou Steam Turbine Co. Ltd. , Hangzhou 310022,China )
Abstract : This paper introduces configuration , f journal bearing for industrial steam turbines. The oil 22tilting 2pads 2type journal bearing , and in concluded that with simple configuration , oil 2wedge 2type journal bearings have been found the type bearings in industrial steam turbines.
K ey w turbine ; oil 2wedge 2type bearing ; bearing configuration ; tilting pads bearing
的楔型间隙, 在逐渐变窄的楔型间隙中产生逐渐增大的油
1 概述
工业汽轮机上使用的径向轴承有两大类, 即油楔式径向轴承和可倾瓦式径向轴承。其中油楔式径向轴承由于结构简单、制造成本低廉、安装使用方便、承载力大、运行安全可靠, 长期以来得到了广泛的使用。在一些看似应使用可倾瓦轴承的场合, 油楔式径向轴承的计算数据和实际运行性能却超过了结构复杂, 价格昂贵的可倾瓦式径向轴承, 颠覆了可倾瓦轴承机械性能高于油楔式轴承的传统观念。
压。随着转速的提高, 楔型间隙中的油膜不断增厚, 油膜压力也不断增大, 当外来的轴承力和油膜压力的合力达到平衡时, 转子轴颈就被托起。
随着汽轮机转速的提高, 油膜里的切向力在不断增大, 油膜中的摩擦也在不断增大, 其后果就是油温上升, 而油温的上升又导致了油粘度的降低, 油粘度的降低则又导致油膜中摩擦力的减少, 直至达到某种平衡。
3 油楔式径向轴承承载力分析
油楔式径向轴承的承载力取决于两个因素:许可的最小油膜厚度和轴承巴氏合金允许的最高温度。
油膜厚度在整个运行转速下不能小于某个极限值, 以防止在高转速和微小不对中时造成轴颈和轴承之间金属和金属的摩擦。在给定轴承几何尺寸和润滑油的粘度后, 油膜的厚度是转子的圆周速度和轴承力的函数。假如给定油膜厚度, 特定的圆周速度则将和特定的允许轴承力或单位面积平均负载有关。假如不考虑巴氏合金的温度承
2 径向轴承的基本特性
就径向轴承的功能来说, 无论是可倾瓦式还是油楔式, 都旨在保证汽轮机转子在汽缸中正确定位, 同时支撑转子的重量, 并且依据自身的阻尼性能吸收转子的残余不平衡量造成的不平衡力, 降低转子的振动。
由于进入轴承的润滑油具有粘性和不可压缩性, 当转子转动时, 润滑油即被转子轴颈带入转子轴颈和轴承之间
收稿日期:2008-07-25
作者简介:丁晨(1955-) , 男, 杭州汽轮机股份有限公司副总工程师, 长期从事工业汽轮机设计和研发工作。
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工业汽轮机油楔式径向轴承结构及性能分析
受力, 则圆周速度越大, 轴承的承载力越大。参见图1的限制曲线①。
当转速不断升高, 楔型间隙中油膜的温度也在不断升高, 此时在这个转速增加的范围内油膜的厚度则相对增加不大, 这样很快就会达到巴氏合金的最高许用温度。(见图1的Ξ) 随着转速的继续上升, 许用的承载力就取决于限制曲线②, 这时油膜的温度就是极限温度, 此时转速在上升, 许用承载力在下降, 油膜的厚度则在增加
。
图2 四油楔轴承的压力分布
汽轮机转速提高的一个重要限制因素, 所谓的“稳定性限制”就是指某个转速极限值, 假如汽轮机运行高于这个转速限制值, 所造成的油膜震荡将会引起严重的转子振动。与对残余不平衡量引起的振动的阻尼的趋势正好相反, 单油楔式轴承的稳定限制值最低, , 而可倾瓦式) 的油, 图1
两油楔式四油楔式可倾瓦式轴承大高
轴承中等中等中等
轴承小低高
轴承小低非常高
4 (即衬套式轴承) 、两油楔、三油楔和四油楔等四种。引进西门子三系列工业汽轮机主要使用两油楔和四油楔式这两种型式。
油楔式径向轴承的油楔形状除要满足形成楔形间隙外, 还要满足多个油膜产生的压力与轴承力要很好地平衡。油楔的数量与轴承的特性关系极大, 包括承载力, 对转子残余不平衡量所产生的振动阻尼以及在高转速下对抗油膜震荡的稳定性。
轴承承载力随着油楔数的增加而降低, 这时因为单个内弧段的油膜压力实际上只是一个矢量, 所有矢量的和才能和轴承力平衡, 因此如图2所示, 单个内弧段油膜压力的矢量可能大大地大于轴承力的矢量, 同时由于最大许用承载力取决于巴氏合金的温度, 因此多油楔轴承的承载力要小于单油楔轴承。
假如转子的残余不平衡量是一样的, 则使用单油楔式轴承的转子振动的振幅最小而四油楔的则较大, 可倾瓦式最大。也就是说, 对于由转子的残余不平衡量引起的转子振动的阻尼, 单油楔式轴承大于多油楔式, 而油楔式轴承
又大于可倾瓦式。
然而, 除了由转子的残余平衡量引起的转子振动外, 自激振动是必须考虑的一个重要问题。这种振动是高转速时由轴承中的油膜的不稳定造成的(油膜震荡) 。油膜震荡是
轴承承载力阻尼作用
稳定性限制值低
阻尼和稳定性限制还并不是真正的轴承特性, 这是因为转子本身的弹性对其有很大的影响。
衡量转子弹性的重要数据是转子的相对下垂值μ, μ=f /△R
其中:f =双支点转子的最大下垂值; △R =径向轴承间隙
从图3中可以得知, 在一定的不平衡力作用下, 转子的振幅是转子相对下垂值μ的函数。可以看到, 随着μ的上升, 相对振幅A R /ρ急剧上升。
图3 转子下垂量与不平衡响应幅度之间的关系图从图上还能清楚地看到上面谈到的单油楔式轴承、多
第1期 热力透平油楔式轴承和可倾瓦轴承各自的特性。
单就轴承的阻尼特性来看, 最理想的轴承应该是单油楔式轴承。
图4显示了各种形式轴承的最高许用转速(稳定性限制值) 与μ之间的函数关系。对任何形式的轴承来说, μ的增加都意味着转子刚度的降低, 同时最高许用转速也在降低。从图4可以看出, 可倾瓦轴承的最高许用转速最高, 而单油楔式轴承的最低
。
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图5 系统阻尼与转速的关系图
轮机转速达到约500r/min 时, 即可建立起稳定的轴承油膜。
径向轴承的承载力和轴承的宽径比关系极大, 较大的宽径比意味着较大的轴承承载面积, 因此宽径比越大轴承的承载力越大, 同时轴承的定性也越大。, 稍金
图4 转子下垂与最大转速() 。因此, , 但由于其最高, 也即稳定性较差, 因此, 引进的西门子三系列工业汽轮机从不选用单油楔式轴承。大多数情况下, 均选用两油楔轴承, 在高转速和较大轴承跨距时则选用四油楔轴承。其主要原因是反动式工业汽轮机采用转鼓式转子, 其挠度很小, 也即μ值很低, 在大多数情况下, 即使汽轮机转速达到15000r/min , 仍可选用油楔式轴承。只是在某些应用场合, 由于用户提供的蒸汽参数和压缩机参数不够理想, 从而使得轴承跨距太大, 造成转子的挠度非常大, 即μ值非常大时, 才选用可倾瓦式轴承。
这种情况与其他厂家的冲动式汽轮机或离心式鼓风机不同。冲动式汽轮机或离心式鼓风机的转子通常比较细, 并在上面套装了许多沉重的叶轮, 这就使得这些转子的挠度很大, 也即μ值很大。因此冲动式汽轮机或离心式鼓风机往往必须选用可倾瓦式轴承。
图5显示了各类轴承阻尼和相对转速n/n k 之间的关系。除了油楔的数量外, 轴承的特性还取决于轴承的间隙以及轴承的宽度和直径之比。
轴承间隙的设计必须考虑到轴承的阻尼、稳定性、转子轴颈的加工精度和摩擦损失等各方面因素。从实际使用的观点看,
工业汽轮机的最小轴承间隙应控制在转子轴颈直径的1. 2%~1. 5‰。此时在压力油的作用下, 当汽
, 用汽轮机相, 0. 5~0. 8的宽径比。
这两种油楔式径向轴承均为水平剖分, 直接安放在轴承座上, 通过轴承座上的调整部件进行对中。轴承的内弧段敷以2mm 厚的巴氏合金。两种油楔式径向轴承均使用压力油润滑方式, 如有必要, 在汽轮机启动或盘车时还可辅以高压油顶轴装置。
5 结语
以上讨论说明, 油楔式径向轴承的机械性能和阻尼特性均优于可倾瓦轴承, 便于制造、安装, 且运行可靠, 因此, 在大多数情况下可以使用油楔式径向轴承来取代可倾瓦轴承。同时, 选择不同型式的油楔式径向轴承时, 既要考虑阻尼特性, 也要考虑稳定性。参考文献:
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