GE公司燃氣輪機組支持軸承結構及性能分析

1、GE公司燃氣輪機組支持軸承結構及性能分析張 杰（華北電力大學/浙江國華余姚燃氣發(fā)電有限責任公司 315400）摘要：燃氣輪機組軸系穩(wěn)定性主要取決于軸承，軸承可以是促使轉子渦動的來源，也可以是渦動抑制作用的所在。本文簡單介紹了現(xiàn)代重型燃氣輪機組所采用的支持軸承的種類、結構，闡述了可傾軸承及橢圓軸承的結構、性能特點。從GE公司生產(chǎn)的燃氣輪機組所選用的支持軸承的發(fā)展過程中，可以看出GE公司對重型燃氣輪機組的發(fā)展方向是充分利用科研優(yōu)勢，提高技術含量，設計系統(tǒng)化、制造通用化，逐步形成以更換備件為主的檢修維護方式，以設計、制造商作為生產(chǎn)維護的技術支持，提高設備使用廠對制造商的依靠性。關鍵詞： GE燃機 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公司燃機支持軸承基本型式現(xiàn)代燃氣輪機組所采用的支持軸承，按結構可分為：固定瓦和可傾瓦兩類，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 可傾瓦軸承是上個世紀60

5、年代中期出現(xiàn)的，當時西方國家為解決轉子系統(tǒng)失穩(wěn)問題而開發(fā)應用在大型汽輪機機組上的，并隨著燃氣輪機技術的發(fā)展應用到重型燃氣輪機組上。以GE公司生產(chǎn)的9E和9F燃氣輪機組支持軸承型式的具體實例說明軸瓦結構特點。9E機組共有5個支持軸承，燃氣輪機轉子前后及中部共3個支持軸承采用四瓦塊可傾瓦軸承，發(fā)電機2個支持軸承采用橢圓軸承，表11。9E燃氣輪機及發(fā)電機轉子支持軸承參數(shù)(表11)軸承號位 置軸承型式直徑(mm)間隙比#1壓氣機側橢圓軸承3000.002#2中間軸承橢圓軸承3560.002#3氣輪機透平側四塊可傾瓦軸承3560.002#4發(fā)電機透平側橢圓軸承4500.0013#5發(fā)電機勵磁側橢圓軸承4

6、500.00139FA機組共有4個支持軸承，燃氣輪機轉子前后采用四瓦塊可傾瓦軸承，壓氣機和透平側轉子直徑為550.672mm，間隙比取為0.003發(fā)電機采用橢圓軸承，透平側轉子直徑為482.60mm，勵磁側轉子直徑為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燃氣輪機轉子采用的支持軸承參數(shù)(表12)軸承號軸徑(mm)瓦寬度(mm)長寬比(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燃氣輪機組軸系穩(wěn)定性主要取決于軸承，軸承可以是促使轉子渦動的來源，也可以是渦動抑制作用的所在，一臺燃氣輪機組穩(wěn)定性的優(yōu)劣，主要取決機組轉子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性設計。2燃氣輪機軸系穩(wěn)定性要求從軸系振動力學角度看，燃氣輪機組軸承應滿足的條件：1.高度的可靠性；2.良好的穩(wěn)定性，即在工作轉速內不會出現(xiàn)半速渦動和油膜振蕩；3.具有良好的阻尼特性，具備減低轉子不平衡響應和抑制不平衡振動（如間隙激振）的能力；4.摩擦損失小。評價燃氣輪機軸承性能，主要根據(jù)兩點：1.對不平衡響應的抑制能力，油膜應具有足夠大的阻尼，并與支撐體、轉軸之間有合理的剛度匹配，使轉軸在整個轉速范圍內，尤其在工作轉速和臨界轉速附近，在

8、相同的不平衡質量條件下的振幅響應足夠??；2.穩(wěn)定性，它反應了轉子的穩(wěn)定性。這兩點之所以重要是因為它們關系到重型燃氣輪機的安全運行。3各種類型支持軸承性能特點從軸承的形式、結構和性能看，圓筒形軸承是最基本最簡單的一種，其特點結構簡單，潤滑油的消耗量和摩擦損失都較小，它只在下部形成一個楔形油楔，在高速輕載的工作條件下，油膜剛度差，國內外對于各種軸承的性能做過大量的研究和比較，公認為圓筒形軸承性能最差，其它各固定瓦軸承性能各有高低。橢圓形軸承工作時軸承上部和下部各形成一個楔形油楔，轉軸旋轉時兩油楔相互作用可以得到較好的油膜剛度，轉軸不易在垂直方向產(chǎn)生振動，軸承承載能力較強。三油楔軸承是在合金面上加工

9、出三個油囊，轉軸旋轉時形成三個油楔，一般把三個油楔軸承做成中分面跟水平面成35夾角，三個油楔軸承可以提高軸承承載能力和抗振能力，但其結構復雜，給檢修工作帶來難度，故三個油楔軸承未被廣泛使用。可傾瓦軸承，瓦塊在工作時隨著轉速或載荷及油溫的不同而自由擺動，在軸頸四周形成多個油楔，若忽略瓦塊的慣性、支點的摩擦阻力等影響，可以繞支點隨軸頸的運動發(fā)生擺動的瓦塊自動調整到使其上的油膜合力嚴格沿著支點到軸心的方向上，從而使油膜力的合力無法產(chǎn)生出原本可以促使軸頸發(fā)生渦動的分力，對軸頸而言，油膜壓力的合力必需通過軸心，這個合力對軸頸的每一周封閉軌跡的運動所做的功為零，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、良的動特性和自動對中能力是固定瓦軸承不可比的，其缺點：功耗和承載能力劣于固定瓦軸承?？蓛A瓦軸承的優(yōu)點不僅在于高的穩(wěn)定性，還在于它在運行中具有承受大的不平衡量能力。對用于固定瓦軸承支撐的轉子系統(tǒng)，在略低于穩(wěn)定界限轉速下運行時，轉子上的不平衡量也存在一個界限，當轉子因為某種原因，例如：轉子葉片斷裂后，使不平衡量超過這個界限值，轉子會由于油膜的非線性特性而出現(xiàn)異常大的低頻振動，如果這一現(xiàn)象和油膜振蕩同時發(fā)生，轉子會因為遭到低周波高幅值的應力疲勞作用而迅速斷裂?？蓛A瓦軸承對不平衡的敏感性要比固定瓦小。對于可傾瓦軸承，支點彈性對穩(wěn)定性能有不同的影響，計入活支點彈性時，不平衡量小時，對穩(wěn)定性有利，不平衡量

11、大時則起反作用，軸頸在瓦中偏離中心位置較遠時，遠離的那塊瓦會因為動壓力的喪失出現(xiàn)顫振，從而大大降低軸承的穩(wěn)定性，從這點看可傾瓦軸承的四塊瓦結構優(yōu)于五塊瓦結構，對計入支點彈性和阻尼時可傾瓦軸承轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究結論認為，可傾瓦軸承中瓦支點的動特性和瓦的質慣矩和質量等參數(shù)，均可對系統(tǒng)阻尼發(fā)生影響，瓦質量和質慣矩總是不利因素，支點在瓦偏轉方向上的剛度和阻尼一般也是不利的，當其數(shù)量很小時，提高二階振型的阻尼值，抵償瓦質慣矩在二階振型上的不利作用，單純的支點下沉彈性是不利的，配合恰當?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。但對于瓦塊數(shù)目的選擇主要取決于軸承的結構參數(shù)和制造廠家的傳統(tǒng)習慣，G

12、E公司生產(chǎn)制造的可傾瓦軸承一般習慣上采用六塊瓦或四塊瓦結構，也有不少廠家選用三塊瓦，三塊瓦軸承結構比較特殊，從外表屬于三塊可傾瓦，其實上半是圓筒瓦，下半是二塊可傾瓦組成，它既有可傾瓦軸承的優(yōu)點，又有圓筒瓦軸承的長處。可傾瓦軸承的特點使得對它的制造加工要求嚴格，加工時過大的誤差可能會使原本設計正確的軸承穩(wěn)定性能降低，安裝時對揚度、軸承標高、軸承載荷等重要指標的控制同樣可以直接影響到機組穩(wěn)定性，運行參數(shù)對穩(wěn)定性也會造成暫時的影響，隨著機組向大型化發(fā)展，支持軸承的設計越來越嚴格精細，瓦面輪廓線經(jīng)過復雜的理論計算確定的，加工也都采用高精密度機床，瓦面型線的任何變動都會改變支持軸承的特性。因此會給運行后的檢修維護工作帶來一定難度，工藝標準掌握和工作經(jīng)驗是決定其穩(wěn)定運行的重要條件。從國內引進的重型燃氣輪機組軸承的調研看，重型燃氣輪機轉子一般采用可傾瓦軸承；對重載位置的發(fā)電機轉子多采用橢圓軸承或經(jīng)過修改的橢圓軸承。例如：GE公司1997年至2003年生產(chǎn)的S106FA、S209E、S109EC、S209FA、S109H型號的重型燃氣輪機組的燃機轉子一般采用四、六塊可傾瓦軸承及橢圓軸承；發(fā)電機轉子采用橢圓軸承，個別機組采用經(jīng)過修改的橢圓軸承。4結論從GE公司生產(chǎn)制造的重型燃氣輪機組所采用的軸承可以看出充分利用其性能、結構的優(yōu)點，設計系統(tǒng)