TRT推力轴承温升机理及其抑制措施

曹文俊

（宝武集团广东韶关钢铁有限公司， 广东 韶关 512123）

TRT是利用高炉炉顶煤气的余压余热，把煤气导入透平膨胀机，使压力能和热能转化为机械能，驱动发电机发电的一种能量回收装置[1]。滑动轴承因其结构简单，载重大、使用寿命长等优点在大型旋转机组中有着广泛的应用。大型滑动轴承轴瓦衬层材质一般为低熔点的软质合金。温度是滑动轴承运行的一个重要参数，过高的温度一方面加速了润滑油的老化，另一方面使轴瓦瓦面材质软化而导致轴承失效，严重时甚至发生烧瓦，从而引起设备事故。控制轴承温度是保证轴承正常稳定运行的关键之一，大型机组中轴承温度一般设置报警值、停机值。因该滑动轴承推力瓦块工作面为巴氏合金，其熔点较低，为了保证轴承的正常工作，轴承的最高温度不能超过其熔点，工程实际上会设置轴承温度报警值、停机值。宝武集团广东韶关钢铁有限公司（以下简称韶钢）8号TRT机组于2008年投产，2013年以来频繁发生推力瓦温度高故障，严重影响机组的安全运行。

1 滑动止推轴承工作原理

TRT转子运行时主要受到的轴向力有：高炉煤气作用在透平机转子动叶上的作用力、发电机电磁力、转子自身质量在轴向的分力等，这些力的合力通常被称为残余轴向力。止推轴承的作用是平衡机组轴向残余力，限制转子轴向移动，防止静止部件与转子部件直接接触发生碰撞。韶钢8号TRT止推轴承为金斯蓓蕾式可倾瓦，如图1所示，该结构利用了杠杆平衡块原理，每块瓦受力比较均匀。

2 滑动轴承热传导分析

图1 TRT止推轴承为金斯蓓蕾式可倾瓦图

正常工作时，止推轴承轴瓦与推力盘之间形成一层动压油膜，油膜将推力瓦与推力盘隔开。轴承的发热来源于润滑油的剪切效应以及润滑油与轴颈的摩擦。油膜中的热量，除了润滑油带走一部分外，其余热量将直接传递给轴承和轴颈，再经过转子和轴承座传递给周围的其他介质。当发热量和散热量相当时，温度场稳定下来，即达到热平衡，此时轴承温度保持某个恒定值。一旦某个因素发生改变，比如机组负荷加大，转子轴向力增加使得止推瓦与推力盘间油膜压力增大，摩擦加剧，发热量增加，则原先的热平衡被打破，新的平衡被重新建立。

3 轴承温升的影响因素

从轴承热传导过程不难得出轴承的温升与轴承运转过程中进入轴承的热量和流出轴承的热量有关。进入轴承的热量主要来源于供油管路流入润滑油和轴承运转时产生的热量，流出的热量一部分被润滑油带走，一部分通过传导、对流和辐射等方式传给周围环境。轴承的温升主要取决于轴承本身发热量以及润滑油带走热量差值的大小，发热量越大、热量流失越少，则轴承温升越高。

3.1 润滑油流量对轴承瓦温的影响

可倾瓦滑动止推轴承润滑油温升公式[2]：

式中：ΔT为润滑与温升，Pμ为摩擦功耗，cp为比定压热容，ρ为润滑油密度，q为润滑油流量，润滑油的温升与润滑油流量成反比。因此增大润滑油的流量，可以减少润滑油温升。实际上，滑动轴承中润滑油除了形成流体润滑油膜的作用外，还有一个重要作用是带走轴承运转产生的热量。进入轴承中的润滑油流量越小，其带走轴承的热量越小，因此轴瓦温升也就越高。润滑油流量偏小的原因有：

1）润滑系统设计流量不足。系统设计时，润滑系统润滑泵选型偏小，流量不足。润滑油流量可以满足滑动轴承形成动压油膜所需的流量，但没有更多的润滑油带走轴承产生的热量，会导致轴承温升高。严重时不能形成稳定的油膜，滑动轴承失效。如果润滑油流量选择过小，以至于不能满足滑动轴承动压流体润滑油膜形成的条件，则轴承轴瓦与推力盘之间发生金属直接摩擦，产生大量的热量，轴承瓦衬金属熔化，轴承失效。

2）润滑油流量分配不合理。一般地，一套TRT装置设计一个润滑系统，供透平机、发电机径向、轴向止推等多个轴承部位使用。不同部位所需的润滑油流量不同，如果分配不合理就可能发生某个轴承润滑油流量不足，温升超高的现象。

3）润滑系统泵出口滤芯堵塞。设备因磨损产生的磨屑以及设备检修、维护过程中带入润滑系统的固体污染物堵塞滤芯，导致供油流量减小。

3.2 止推轴承摩擦功耗对轴承温度的影响

由滑动轴承摩擦功耗计算公式[2]：

式中：Pu*为摩擦功耗系数；Z为瓦块数；B为轴承宽度（瓦块沿径向的尺寸）；η为润滑油黏度；v为平均线速度。轴承一旦设计好，Z和B值则已确定，润滑油黏度基本保持不变，而线速度v与可见摩擦功耗主要同轴承所受的摩擦力F有关。

3.2.1 摩擦系数对轴承温度的影响

滑动轴承中的摩擦形式有流体摩擦、半流体摩擦和边界摩擦三种。流体润滑时轴与轴承被一层致密的油膜完全隔开，轴与轴承的表面之间不发生直接接触，此时摩擦系数很小，摩擦与发热很小。流体润滑对轴承的工作最为有利。半流体润滑时，致密的油膜被破坏，轴与轴承表面小范围直接接触，此时摩擦系数较大，轴承中的发热较大，对于高速运转的轴承，可能发生轴承过热或损坏。边界摩擦时，轴与轴承表面大范围直接接触甚至完全接触，此时摩擦系数最大，轴承容易发生过热、轴瓦巴氏合金衬层熔化而烧瓦。

3.2.2 轴承载荷对轴瓦温度的影响

TRT工作时转子转速基本稳定在3 000 r/min，与电网保持同步，也即V值基本恒定，因此摩擦功耗主要取决于轴瓦所承受的载荷。作用于止推轴承的力越大，止推轴承油膜间的压力也越高，油膜越薄。膜厚的下降会增大润滑剂内部的切应变率，从而导致温度的升高[3]。

1）透平机转子轴向力分析（见图2）。TRT机组运行时其轴向主要受到煤气因压力差作用与转子叶片上的指向排气侧的力F气，发电机转子电磁力F电，机组转子自重产生的轴向分量G轴以及通过气封泄漏的气体作用于平衡活塞上的轴向力F平，这些轴向力的合力通常称为残余轴向力，由止推轴承来平衡。正常工作时，滑动止推轴承处于流体润滑状态，推力瓦与转子上的推力盘在被一层薄薄的压力油膜隔开，彼此之间不发生直接摩擦。设止推轴承对转子的轴向力为F止，则有F平+F气+F电+G轴=-F止，负号代表方向相反。滑动轴承作用在转子上的力F止最终平衡了轴向残余力，将运转中的转子轴向窜动控制在一定安全范围内。

图2 TRT轴系简图

2）高炉顶压波动对转子轴向力的影响。高炉煤气顶压在布料过程中存在波动大的现象，顶压升高，则作用于TRT透平机转子上作用力F气增大，机组轴向残余力也会增大，由转子轴向力平衡方程可知，止推轴承载荷F平增大，摩擦功耗增大。

3）平衡套对转子轴向力的影响。该型TRT机组为了减少轴向残余力，在机组进、排气端设置一平衡管，平衡管将进气轴端泄漏的煤气连通排气侧，减少该部分煤气作用于转子平衡套端面上而产生轴向力。进气侧轴端泄漏的煤气如不能及时的排至排气端，则会在转子两端产生压差；或者平衡套从转子上脱出，进气侧转子端面煤气作用有效面积增大。以上两种情形均导致转子轴向力增加，推动转子向排气侧移动，止推轴承轴向固定，随着转子轴向移动，推力盘与主推力瓦之间的间隙,油膜变薄，润滑油内部的切应变率增大，产生的热量增加，轴瓦温度升高。8号TRT曾因高炉煤气温度超高，发生平衡套因热膨胀从转子上脱落的现象（平衡套通过热装与转子过盈配合），如图3所示。

图3 平衡套

图4 透平机转子自重轴向分力

4）扬度对转子轴向力的影响。为了保证大型机组轴系是一条光滑的曲线，检修时需对转子扬度进行调整。转子两端轴承座的高度差以及转子自身质量的分布决定了转子曲线的形态。转子自身质量的作用，对转子产生一个轴向的分力，如图4所示。与水平方向倾斜角θ越大则轴向分力越大。

5）发电机磁力中心调整对透平转子轴向力的影响。

发电机转子安装时以机械中心为基准，而运转时其转子将定位于磁场中心，机械中心可能与磁场中心不一致，电气启动后发生轴向窜动，对TRT机组转子轴系产生一个轴向分力F电，方向和大小均对止推轴承承载有一定的影响。

3.2.3 推力瓦块刮修对轴承瓦温的影响

推力瓦块瓦面刮研过度，导致实际形成有效油膜的接触面积减小，油膜间压力增大；研瓦精度不足，导致部分瓦面与推力盘接触磨擦，产生的热量增大。热量导致润滑油黏度变小，油膜变薄，推力瓦与推力盘间油膜间隙变小，进一步加大磨损，甚至烧瓦。如图5、图6所示，在某次检修中，检修人员将推力瓦块进油侧瓦口进行了刮研，结果在开机带负荷不到几分钟就发生了烧瓦事故。事故主要原因为瓦口修得过深、面积过大导致推力瓦与推力盘接触有效面积减少，即使在轴向力不变的情况下，止推瓦与推力盘间油膜压力增大，油膜厚度变小，导致推力盘与推力瓦表面高点直接接触，摩擦加剧，局部温度迅速上升。一方面高温使轴瓦衬层合金变软，承载能力下降，另一方面高温造成进入摩擦副的润滑油黏度下降，油膜厚度变小，进一步加剧了金属表面摩擦。瓦口刮修过度，加大了润滑油的泄漏，实际流进入动压油膜承载区的有效流量大幅减小，未经油膜承载区的润滑油不能进行充分的热交换，因此带走的热量也小。

图5 准备进行刮修的轴瓦

图6 损坏的轴瓦

3.2.4 推力盘推力面平直度和光洁度对轴承瓦温的影响

动压油膜很薄，如果推力瓦表面和推力盘表面粗糙度不能满足最小油膜厚度要求，推力盘表面高点与推力瓦表面高点直接接触，发生金属间的摩擦，产生大量的热量，轴承温度会升高，严重时会发生烧瓦现象。设计时，最小油膜厚度hmin必须满足：

式中：Rz1、Rz2分别为轴颈和轴承的表面粗糙度。

4 抑制措施

4.1 维持止推轴承形成稳定的流体润滑的条件

1）日常维护主要是油温、油压、油量、油品清洁度，保证轴承安全稳定运行对润滑油的要求。

2）定期检查，修复推力盘表面，使其粗糙度、平直度满足要求。

3）瓦块的刮修不宜过度，要有利于润滑油的进入，减少润滑油的泄漏。

4.2 适当加大主推力瓦润滑油流量

对现有润滑管路进行处理，在不影响机组其他轴承润滑油量的基础上，适当减少进入止推力瓦润滑油量，同时加大进入主推力轴承润滑油量。在研究8号TRT主推瓦温高原因时发现副推力瓦温度很低，与推力轴承润滑油回油温度一致。透平机组推力瓦主推与副推润滑油通道对称布置，管道直径一样。实际在正常工作时因透平转子进气端气体压力高，转子向排气侧靠近，副推力瓦与推力盘之间间隙大，基本形成不了动压油膜，实际上在平衡轴向力方面不起作用。因此在止推瓦润滑管路上做了处理，适当减少了进入副推力瓦润滑油流量，同时加大主推力瓦进油量。经多次试验，在保证机组其他部位润滑条件基本不变的情况下，通过流量调整，主推力瓦温度降低了约8℃。

4.3 对TRT机组转子扬度重新调整

调整前透平机进气侧转子轴颈扬度为1.3 mm/m，透平机排气侧转子轴颈扬度为0.07 mm/m，发电机传动侧转子轴颈扬度为0.05 mm/m，发电机自由侧转子轴颈扬度为0.56 mm/m，很明显，透平机转子向排气车倾斜较大。调整后透平机进气侧转子轴颈扬度为0.46 mm/m，透平机排气侧转子轴颈扬度为0.14 mm/m，发电机传动侧转子轴颈扬度为0.10 mm/m，发电机自由侧转子轴颈扬度为0.54 mm/m。通过调整，减少了透平机转子自身质量的轴向分量，从而减小了止推轴承的承载力。

将发电机定子向透平机方向移动，减少因发电机带载荷时磁力中心调整导致的发电机转子轴向缩回而产生的拉透平机转子对透平机转子轴向位移的影响。

5 效果

通过技术攻关，采取以上措施后，止推轴承主推力瓦温度从之前的90℃左右降至目前的74℃左右。即使在高炉顶压处于峰值时，其温度也未超过80℃，机组的运行稳定性得到很大的提升。

6 结论

1）主推瓦温度与润滑油的流量有关，进入滑动轴承轴瓦的润滑油有效流量越大，其带走的轴承热量也多，轴承温升就越低。

2）在转速一定的条件下，推力瓦温度与轴向负载有关，轴向负载大，推力瓦温高。通过减小机组转子轴向残余力，有利于降低轴瓦温升。

[1]郑秀萍，孙标.干式TRT研制和应用[J].通用机械，2006（4）：11-13.

[2]闻邦椿.机械设计手册第三册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]黄平，陈扬枝.止推轴承流体动压润滑失效分析[J].机械工程学报，2000（1）：96-100.

[4]徐灏.新编机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，1995.