GE公司燃?xì)廨啓C(jī)組支持軸承結(jié)構(gòu)及性能分析

1、GE公司燃?xì)廨啓C(jī)組支持軸承結(jié)構(gòu)及性能分析張 杰（華北電力大學(xué)/浙江國(guó)華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司 315400）摘要：燃?xì)廨啓C(jī)組軸系穩(wěn)定性主要取決于軸承，軸承可以是促使轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的來(lái)源，也可以是渦動(dòng)抑制作用的所在。本文簡(jiǎn)單介紹了現(xiàn)代重型燃?xì)廨啓C(jī)組所采用的支持軸承的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)，闡述了可傾軸承及橢圓軸承的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)。從GE公司生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)組所選用的支持軸承的發(fā)展過(guò)程中，可以看出GE公司對(duì)重型燃?xì)廨啓C(jī)組的發(fā)展方向是充分利用科研優(yōu)勢(shì)，提高技術(shù)含量，設(shè)計(jì)系統(tǒng)化、制造通用化，逐步形成以更換備件為主的檢修維護(hù)方式，以設(shè)計(jì)、制造商作為生產(chǎn)維護(hù)的技術(shù)支持，提高設(shè)備使用廠(chǎng)對(duì)制造商的依靠性。關(guān)鍵詞： GE燃機(jī) 支

2、持軸承 分析Abstract ：The GT unit shafting stability is mainly depending on the bearings, which can urge or restrain rotor swirl. The text simply introduced the structure and types of the support bearing adopted by modern gas turbine and also elaborated on the characteristics and structure of elliptical a

3、nd tilt pad bearings. From the development of the support bearings in GT produced by GE Company, we can see the development direction of heavy GT units set by GE Company, i.e. take advantage of scientific research, increase technology, systematize design and generalize manufacture, progressively for

4、m the maintenance mode which gives priority to changing spare part, technically support the produce and maintenance, thereby the equipment user will more and more rely on the manufacturer.1GE公司燃機(jī)支持軸承基本型式現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)組所采用的支持軸承，按結(jié)構(gòu)可分為：固定瓦和可傾瓦兩類(lèi)，固定瓦軸承最基本的是圓軸承（圓筒形軸承），非圓軸承有橢圓、三油楔、多油葉等形式。它們的幾何形如圖：11 可傾瓦軸承是上個(gè)世紀(jì)60

5、年代中期出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)西方國(guó)家為解決轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)問(wèn)題而開(kāi)發(fā)應(yīng)用在大型汽輪機(jī)機(jī)組上的，并隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用到重型燃?xì)廨啓C(jī)組上。以GE公司生產(chǎn)的9E和9F燃?xì)廨啓C(jī)組支持軸承型式的具體實(shí)例說(shuō)明軸瓦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。9E機(jī)組共有5個(gè)支持軸承，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子前后及中部共3個(gè)支持軸承采用四瓦塊可傾瓦軸承，發(fā)電機(jī)2個(gè)支持軸承采用橢圓軸承，表11。9E燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支持軸承參數(shù)(表11)軸承號(hào)位 置軸承型式直徑(mm)間隙比#1壓氣機(jī)側(cè)橢圓軸承3000.002#2中間軸承橢圓軸承3560.002#3氣輪機(jī)透平側(cè)四塊可傾瓦軸承3560.002#4發(fā)電機(jī)透平側(cè)橢圓軸承4500.0013#5發(fā)電機(jī)勵(lì)磁側(cè)橢圓軸承4

6、500.00139FA機(jī)組共有4個(gè)支持軸承，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子前后采用四瓦塊可傾瓦軸承，壓氣機(jī)和透平側(cè)轉(zhuǎn)子直徑為550.672mm，間隙比取為0.003發(fā)電機(jī)采用橢圓軸承，透平側(cè)轉(zhuǎn)子直徑為482.60mm，勵(lì)磁側(cè)轉(zhuǎn)子直徑為431.80mm，間隙為垂直方向每英寸軸頸直徑為0.00133mm/mm，水平方向每英寸軸頸直徑為0.00266mm/mm，表12。MS9FA燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子采用的支持軸承參數(shù)(表12)軸承號(hào)軸徑(mm)瓦寬度(mm)長(zhǎng)寬比(L/D)間隙 (mm)瓦塊張角#1軸承550.6723750.680.03230.003784050#2軸承550.6723750.680.03230.00378

7、4050燃?xì)廨啓C(jī)組軸系穩(wěn)定性主要取決于軸承，軸承可以是促使轉(zhuǎn)子渦動(dòng)的來(lái)源，也可以是渦動(dòng)抑制作用的所在，一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)組穩(wěn)定性的優(yōu)劣，主要取決機(jī)組轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。2燃?xì)廨啓C(jī)軸系穩(wěn)定性要求從軸系振動(dòng)力學(xué)角度看，燃?xì)廨啓C(jī)組軸承應(yīng)滿(mǎn)足的條件：1.高度的可靠性；2.良好的穩(wěn)定性，即在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)半速渦動(dòng)和油膜振蕩；3.具有良好的阻尼特性，具備減低轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)和抑制不平衡振動(dòng)（如間隙激振）的能力；4.摩擦損失小。評(píng)價(jià)燃?xì)廨啓C(jī)軸承性能，主要根據(jù)兩點(diǎn)：1.對(duì)不平衡響應(yīng)的抑制能力，油膜應(yīng)具有足夠大的阻尼，并與支撐體、轉(zhuǎn)軸之間有合理的剛度匹配，使轉(zhuǎn)軸在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，尤其在工作轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)速附近，在

8、相同的不平衡質(zhì)量條件下的振幅響應(yīng)足夠?。?.穩(wěn)定性，它反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。這兩點(diǎn)之所以重要是因?yàn)樗鼈冴P(guān)系到重型燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行。3各種類(lèi)型支持軸承性能特點(diǎn)從軸承的形式、結(jié)構(gòu)和性能看，圓筒形軸承是最基本最簡(jiǎn)單的一種，其特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，潤(rùn)滑油的消耗量和摩擦損失都較小，它只在下部形成一個(gè)楔形油楔，在高速輕載的工作條件下，油膜剛度差，國(guó)內(nèi)外對(duì)于各種軸承的性能做過(guò)大量的研究和比較，公認(rèn)為圓筒形軸承性能最差，其它各固定瓦軸承性能各有高低。橢圓形軸承工作時(shí)軸承上部和下部各形成一個(gè)楔形油楔，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)兩油楔相互作用可以得到較好的油膜剛度，轉(zhuǎn)軸不易在垂直方向產(chǎn)生振動(dòng)，軸承承載能力較強(qiáng)。三油楔軸承是在合金面上加工

9、出三個(gè)油囊，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)形成三個(gè)油楔，一般把三個(gè)油楔軸承做成中分面跟水平面成35夾角，三個(gè)油楔軸承可以提高軸承承載能力和抗振能力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給檢修工作帶來(lái)難度，故三個(gè)油楔軸承未被廣泛使用?？蓛A瓦軸承，瓦塊在工作時(shí)隨著轉(zhuǎn)速或載荷及油溫的不同而自由擺動(dòng)，在軸頸四周形成多個(gè)油楔，若忽略瓦塊的慣性、支點(diǎn)的摩擦阻力等影響，可以繞支點(diǎn)隨軸頸的運(yùn)動(dòng)發(fā)生擺動(dòng)的瓦塊自動(dòng)調(diào)整到使其上的油膜合力嚴(yán)格沿著支點(diǎn)到軸心的方向上，從而使油膜力的合力無(wú)法產(chǎn)生出原本可以促使軸頸發(fā)生渦動(dòng)的分力，對(duì)軸頸而言，油膜壓力的合力必需通過(guò)軸心，這個(gè)合力對(duì)軸頸的每一周封閉軌跡的運(yùn)動(dòng)所做的功為零，因此可傾瓦軸承的穩(wěn)定性十分優(yōu)良?？蓛A瓦軸承優(yōu)

10、良的動(dòng)特性和自動(dòng)對(duì)中能力是固定瓦軸承不可比的，其缺點(diǎn)：功耗和承載能力劣于固定瓦軸承。可傾瓦軸承的優(yōu)點(diǎn)不僅在于高的穩(wěn)定性，還在于它在運(yùn)行中具有承受大的不平衡量能力。對(duì)用于固定瓦軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，在略低于穩(wěn)定界限轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子上的不平衡量也存在一個(gè)界限，當(dāng)轉(zhuǎn)子因?yàn)槟撤N原因，例如：轉(zhuǎn)子葉片斷裂后，使不平衡量超過(guò)這個(gè)界限值，轉(zhuǎn)子會(huì)由于油膜的非線(xiàn)性特性而出現(xiàn)異常大的低頻振動(dòng)，如果這一現(xiàn)象和油膜振蕩同時(shí)發(fā)生，轉(zhuǎn)子會(huì)因?yàn)樵獾降椭懿ǜ叻档膽?yīng)力疲勞作用而迅速斷裂?？蓛A瓦軸承對(duì)不平衡的敏感性要比固定瓦小。對(duì)于可傾瓦軸承，支點(diǎn)彈性對(duì)穩(wěn)定性能有不同的影響，計(jì)入活支點(diǎn)彈性時(shí)，不平衡量小時(shí)，對(duì)穩(wěn)定性有利，不平衡量

11、大時(shí)則起反作用，軸頸在瓦中偏離中心位置較遠(yuǎn)時(shí)，遠(yuǎn)離的那塊瓦會(huì)因?yàn)閯?dòng)壓力的喪失出現(xiàn)顫振，從而大大降低軸承的穩(wěn)定性，從這點(diǎn)看可傾瓦軸承的四塊瓦結(jié)構(gòu)優(yōu)于五塊瓦結(jié)構(gòu)，對(duì)計(jì)入支點(diǎn)彈性和阻尼時(shí)可傾瓦軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究結(jié)論認(rèn)為，可傾瓦軸承中瓦支點(diǎn)的動(dòng)特性和瓦的質(zhì)慣矩和質(zhì)量等參數(shù)，均可對(duì)系統(tǒng)阻尼發(fā)生影響，瓦質(zhì)量和質(zhì)慣矩總是不利因素，支點(diǎn)在瓦偏轉(zhuǎn)方向上的剛度和阻尼一般也是不利的，當(dāng)其數(shù)量很小時(shí)，提高二階振型的阻尼值，抵償瓦質(zhì)慣矩在二階振型上的不利作用，單純的支點(diǎn)下沉彈性是不利的，配合恰當(dāng)?shù)南鲁翉椥院妥枘釀t可大大提高系統(tǒng)阻尼值，提高穩(wěn)定性。但對(duì)于瓦塊數(shù)目的選擇主要取決于軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造廠(chǎng)家的傳統(tǒng)習(xí)慣，G

12、E公司生產(chǎn)制造的可傾瓦軸承一般習(xí)慣上采用六塊瓦或四塊瓦結(jié)構(gòu)，也有不少?gòu)S家選用三塊瓦，三塊瓦軸承結(jié)構(gòu)比較特殊，從外表屬于三塊可傾瓦，其實(shí)上半是圓筒瓦，下半是二塊可傾瓦組成，它既有可傾瓦軸承的優(yōu)點(diǎn)，又有圓筒瓦軸承的長(zhǎng)處?？蓛A瓦軸承的特點(diǎn)使得對(duì)它的制造加工要求嚴(yán)格，加工時(shí)過(guò)大的誤差可能會(huì)使原本設(shè)計(jì)正確的軸承穩(wěn)定性能降低，安裝時(shí)對(duì)揚(yáng)度、軸承標(biāo)高、軸承載荷等重要指標(biāo)的控制同樣可以直接影響到機(jī)組穩(wěn)定性，運(yùn)行參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性也會(huì)造成暫時(shí)的影響，隨著機(jī)組向大型化發(fā)展，支持軸承的設(shè)計(jì)越來(lái)越嚴(yán)格精細(xì)，瓦面輪廓線(xiàn)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的理論計(jì)算確定的，加工也都采用高精密度機(jī)床，瓦面型線(xiàn)的任何變動(dòng)都會(huì)改變支持軸承的特性。因此會(huì)給運(yùn)行后的檢修維護(hù)工作帶來(lái)一定難度，工藝標(biāo)準(zhǔn)掌握和工作經(jīng)驗(yàn)是決定其穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。從國(guó)內(nèi)引進(jìn)的重型燃?xì)廨啓C(jī)組軸承的調(diào)研看，重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子一般采用可傾瓦軸承；對(duì)重載位置的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子多采用橢圓軸承或經(jīng)過(guò)修改的橢圓軸承。例如：GE公司1997年至2003年生產(chǎn)的S106FA、S209E、S109EC、S209FA、S109H型號(hào)的重型燃?xì)廨啓C(jī)組的燃機(jī)轉(zhuǎn)子一般采用四、六塊可傾瓦軸承及橢圓軸承；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用橢圓軸承，個(gè)別機(jī)組采用經(jīng)過(guò)修改的橢圓軸承。4結(jié)論從GE公司生產(chǎn)制造的重型燃?xì)廨啓C(jī)組所采用的軸承可以看出充分利用其性能、結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)