大型回转式空气预热器支承轴承的选用

张国浩，蔡明坤，刘亮

（上海锅炉厂有限公司，上海　200245）

　　关键词：支承轴承的选用；平面推力瓦块式轴承；球面辊子推力轴承

　　摘　要：大型回转式空气预热器支承轴承的选用多采用平面推力瓦块式轴承和球面辊子推力轴承2种形式。从设计受力分析角度看，两者都可选用。平面推力瓦块式轴承承载能力大、寿命长，但对安装和环境要求高。球面辊子推力轴承结构简单，对环境要求相对比较低，但寿命较短。从目前电厂的运行环境来看，实际中以选择球面辊子推力轴承为好。

　　1　前言

　　空气预热器支承轴承承担着整个预热器转子的重量和由烟空气压差和流通阻力产生的水平载荷，其性能直接影响到预热器的安全性，是预热器结构中Z重要的构件之一。

　　长期以来，预热器支承轴承的选用多采用以下2种形式：第1种形式是平面推力瓦块式，采用2个轴承组合使用，分别承受预热器转子传来的垂直载荷和水平载荷，这种形式由美国ALSTOM空气预热器公司（简称APC）发明，从20世纪70年代起随着预热器向大型化方向发展而得到大力普及使用，一直到今天，APC公司仍然主要使用这种设计结构。

　　第2种形式是采用球面辊子推力轴承，这种结构从小型预热器发展而来，只使用一个轴承来承担径向和轴向载荷。在早期由于这种轴承没有大型化，其使用受到了限制。近年来，该轴承经过各轴承厂的完善设计，已经完成了大型化，逐步得到普及，在欧洲、亚洲等地迅速推广，目前有替代平面推力瓦块式结构的趋势。

　　2　预热器支承轴承的受力分析和选型原则

　　2.1预热器轴承受力分析（见图1）

图1 预热器轴承受力图

　　（1）支承轴承垂直载荷：主要是预热器转子重量W（包括金属重量和灰载），600MW机组空气预热器支承轴承约能承受的垂直载荷为450t左右。

　　（2）支承轴承水平载荷：空气侧压差推力RAS和流通阻力产生的倾覆力矩抗力RO，对垂直逆流预热器设计方案，这2个水平力始终反向，设计取二者中的大者作为工作应力。如某600MW机组项目预热器支承轴承水平载荷约为26t。

　　可见预热器支承轴承主要承受垂直力。根据预热器支承轴承的工作特点，预热器选型还要考虑以下事项：

　　2.2空气预热器选型考虑的问题

　　2.2.1低工作转速

　　一般在（0.9～1.5）r/min，低于轴承公司建议的5r/min。

　　2.2.2长期连续运转

　　上海锅炉厂有限公司Z长的预热器连续工作时间记录为415天。

　　2.2.3工作环境不理想

　　周围环境多灰，预热器起停阶段轴承座内有凝结水产生的可能。

　　2.2.4润滑油品质要求高

　　油内颗粒杂质需长期控制在25μm以下，油内不能带水，工作温度应控制在60℃以下，粘度等级选用ISO460以上。针对此特点，上海锅炉厂有限公司制订了挑选轴承的原则。

　　2.3选型原则

　　（1）轴承载荷倍率至少>8倍，不使用轴承手册推荐的6倍；

　　（2）采用润滑油站的油以保证油的工作品质；

　　（3）温带和亚热带地区选用ISO680等级重载极压合成齿轮油。

　　3　推力瓦轴承设计方案介绍

　　本方案的设计特点如下（参见图2）：

图2 平面推力瓦块式轴承设计方案

　　轴承轴向和径向载荷分别由2个单独的轴承承担，轴向载荷由推力盘外径1422.4mm（56inch）的平面推力瓦轴承（参见图3）承担，径向载荷由一双列向心球面辊子轴承（参见图4）承担，在中心筒下方设有一传力小轴。轴承座上方设有用盘根形式密封的分体式轴承座盖。

图3 平面推力瓦轴承

图4 径向轴承

　　平面推力瓦轴承在重型机械上广泛使用，如水轮机、大型柴油机、汽轮机轴、发电机轴等处。其工作原理是通过一转盘将轴向力传递到位于其下方推力瓦块上（一般为6只），推力瓦块上方为巴氏合金面，转盘下表面为光滑的“镜面”，推力瓦块安放在上下平衡块上。在预热器转动时，转盘随着转动，推力瓦块和平衡块松固定在轴承座内，转盘镜面吸附的油随转动带到推力瓦巴氏合金面间的间隙内，形成油膜，油膜的厚度仅为几个到几十个μm（随温度变化而变化），由于推力瓦块能摆动，工作时在油膜的压力下能维持倾斜，在预热器连续转动时，油膜能连续维持。

　　4　球面辊子推力轴承设计方案介绍

　　本方案的设计特点如下（参见图5）。

图5 球面辊子推力轴承设计方案

　　本方案采用由单个轴承来替代平面推力瓦形式的2个轴承的组合，由于该形式的轴承同时能承受轴向（主载荷）和径向载荷（Z大数值能达到轴向的55%），结构得到大大简化。而且轴承座的结构相对也比较简单。

　　虽然轴承整体转速较慢，但辊子数量多，辊子转速相对快，表面利用吸附效应能产生和维持油膜。

　　5　两种设计方案的比较分析

　　平面推力瓦块式轴承的优点主要是承载能力大、工作寿命长，有记录的Z长使用业绩为在一水轮机上，从1920年代工作至今。这是因为该轴承承受压力的油膜面积大，巴氏合金轴瓦受力很小。在预热器设计时，考虑其工作寿命和预热器整体寿命等同，即30年左右。

　　平面推力瓦块式轴承的缺点是对工作环境要求极高。主要是油内不能有大于直径25μm的颗粒，油温在60℃以下，同时不能有水分。由于油膜非常薄，在油粘度下降和油中杂质增多时，出现油膜不稳或消失的现象，导致轴承摩擦系数急剧变化（从0.001到0.25），使得预热器传动电流成数倍上升。另外该类轴承对安装要求很高，任何镜面或巴氏合金面的损坏都会使油膜的形成发生困难。可见平面推力瓦块式轴承对润滑油和摩擦表面的物理和化学特性要求极高。图6为这种类型轴承常见的4种损坏形式。

图6 平面推力瓦块式轴承轴瓦常见的损坏形式

　　球面辊子推力轴承（图7）的优点是设计简单，对润滑油的品质要求较宽松，但也要求油内不能有大于直径45μm的颗粒，油温在60℃以下，水分含量要控制，在油内起泡或油粘度下降时，轴承阻力不出现明显上升，因而不会出现预热器传动电流突然急剧上升的情况，工作环境适应性较广。

图7 球面辊子推力轴承

　　球面辊子推力轴承的缺点是使用寿命不如平面推力瓦块式轴承，主要是由于辊子上油膜非常薄，只在线接触区域存在，在油粘度下降和油中杂质增多时，油中大于油膜厚度的颗粒对辊子磨损强烈，局部应力很大，Z终造成辊子表面或因磨损失效，或因疲劳造成表面热处理层剥落，导致轴承毁坏。另外从理论上说，滚动轴承转速在15r/min以下是静载荷，易造成轴承元件点接触。如果轴承元件接触点的局部应力超过材料的屈服极限，则易产生压伤和磨损，而造成轴承失效。一般轴承的设计使用寿命为15年左右。此外，在特大型轴承领域，目前尚未完成国产化因而价格昂贵。

　　6　两种设计方案的实际使用情况

　　平面推力瓦块式轴承设计方案源自APC公司技术，从1982年起国内三大锅炉厂普遍使用，全国共有吴泾、嘉兴、外高桥等近300台300MW～600MW机组预热器使用，绝大部分电厂使用情况尚可，如石洞口电厂、北仑港电厂等，600MW机组已经连续使用了15年，未出现任何问题。某些机组出现过类似于电流过高的情况，经检查多为安装不佳或润滑油品质欠佳引起，如油中含水分，破坏了油膜，或油中含有尘土、石棉等杂质。在清洗轴承座、换油和对巴氏合金表面处理后，目前使用情况基本正常。上海锅炉厂有限公司目前有近150台预热器（包括分包APC项目，如邹县、聊城、邯峰、出口新加坡、菲律宾、越南等项目）使用平面推力瓦块式轴承设计方案。

　　球面辊子推力轴承设计方案是从国产小型预热器发展而来。到目前国内50MW～660MW机组中共有1300台左右预热器使用，总体使用效果良好，目前出现的轴承损坏基本上都是由国产轴承质量问题引起的。经和APC以及SKF轴承公司多次慎重探讨，参考国外同行使用情况，从2002年起，上海锅炉厂有限公司生产的国产600MW机组开始使用球面辊子推力轴承，目前已在近60台600MW机组预热器上使用，如江苏利港、内蒙达旗、河北王滩、陕西锦界、江西丰城、山东黄岛、浙江乐清等等。上海锅炉厂有限公司外高桥1000MW等级机组，也使用球面辊子推力轴承。为确保设备安全性，目前轴承动载安全倍率均不小于10倍，大于APC推荐的8倍，600MW等级及以上预热器轴承全部采用瑞典SKF、美国TIMKEN、德国FAG等著名品牌。

　　7　结束语

　　球面辊子推力轴承和平面推力瓦块式轴承在预热器设计上都使用过，两者各有优缺点。为保证预热器的长期安全运行，具有足够安全倍率的球面辊子推力轴承能避免目前在电厂中存在的预热器传动电流超标的难题，能简化运行管理工作，有很好的可行性。如电厂选择继续使用平面推力瓦块式轴承，请注意保证润滑油品质（必须使用合格粘度的合成油），如检修时发现巴氏合金表面或转盘镜面存在缺陷，应及时作铲刮处理，维持油膜的稳定性。

　　参考文献：

　　[1]乔孝纯，牛锡传，芈振南，等编.机械零件[M].西安：西安交通大学出版社，1986.
 

来源：《锅炉技术》2006年9月