Подшипники турбины
Подшипники турбины: конструкция, материалы, эксплуатация и диагностика
Подшипники турбины являются критически важными элементами роторной системы, обеспечивающими поддержку, центровку и минимальное трение вращающегося ротора. Их надежная работа напрямую определяет КПД, вибрационные характеристики, долговечность и общую безопасность энергетического агрегата. Отказ подшипника может привести к катастрофическим последствиям, включая разрушение ротора и длительный простой. В данной статье рассматриваются типы, конструктивные особенности, применяемые материалы, системы смазки, методы диагностики и технического обслуживания подшипников турбинного оборудования.
Классификация и типы подшипников, применяемых в турбинах
В современных паровых и газовых турбинах применяются два основных класса подшипников: подшипники скольжения и подшипники качения. Их выбор обусловлен высокой скоростью вращения, значительными радиальными и осевыми нагрузками, а также требованиями к демпфированию колебаний.
Подшипники скольжения
Являются основным типом для опор ротора турбин мощностью от нескольких МВт. Работа основана на принципе гидродинамической смазки, при котором в зазоре между валом и вкладышем при вращении образуется масляный клин, полностью разделяющий поверхности.
- Цилиндрические радиальные подшипники: Простейший тип, обеспечивающий поддержку ротора в радиальном направлении. Могут иметь верхний разъем для монтажа. Для повышения устойчивости против масляного вихря часто выполняются с профилированным отверстием (овальным, трех-, или многолепестковым).
- Сегментные (сегментные опорные) подшипники: Наиболее распространенный тип в турбинах большой мощности. Вкладыш состоит из нескольких сегментов (обычно 5-6), шарнирно закрепленных на опорной конструкции. Сегменты самоустанавливаются, что обеспечивает оптимальное образование масляного клина и высокую демпфирующую способность.
- Упорные подшипники: Воспринимают осевые нагрузки ротора, фиксируя его положение относительно статора. Классическая конструкция — подшипник Митчелла (или Кингсбери), состоящий из ряда шарнирно закрепленных наклонных сегментов, расположенных на опорном кольце. Осевое усилие воспринимается через сегменты, на поверхности которых также образуется масляная пленка.
- Конические радиально-упорные подшипники: Комбинированные подшипники, способные воспринимать одновременно радиальные и осевые нагрузки. Применяются в турбинах специального назначения и некоторых типах газотурбинных двигателей.
- Корпус (статор): Изготавливается из литой углеродистой или легированной стали. Обеспечивает жесткое крепление в раме турбины и содержит масляные каналы.
- Вкладыш (вкладыши, сегменты): Рабочий элемент, непосредственно контактирующий через масляную пленку с шейкой вала. Состоит из стальной или чугунной основы и антифрикционного наплавленного слоя.
- Антифрикционный слой (баббит): Наносится на рабочую поверхность вкладыша. Традиционный материал — оловянный баббит (сплав на основе олова с добавками сурьмы и меди, например, Б83). Обладает отличными антифрикционными свойствами, приспособляемостью и способностью к заглатыванию твердых частиц. Для более тяжелых условий применяются свинцовистые баббиты или, реже, другие материалы (бронза).
- Система подачи масла: Включает масляные карманы, каналы для подвода и стока масла, а также кольцевые канавки для равномерного распределения смазки по длине шейки.
- Масло: Применяются специальные турбинные масла (например, Тп-22С, Тп-30, ИГП-18 и др.) с высокими антиокислительными, противопенными и деэмульгирующими свойствами. Вязкость является ключевым параметром.
- Подача масла: Масло под давлением 0.8-2.5 бар подается в кольцевую канавку на нерабочей поверхности вкладыша, затем распределяется по зазору. Для упорных подшипников подача осуществляется на входную кромку каждого сегмента.
- Охлаждение: Нагретое в зазоре масло стекает в картер, откуда насосами прокачивается через охладители (водомасляные теплообменники) перед повторной подачей. Контроль температуры масла на выходе из подшипника (обычно не выше 70-75°C) и температуры баббита (не выше 90-100°C) обязателен.
- Температура баббита: Контролируется с помощью термопар или термосопротивлений, установленных на глубине ~1 мм от рабочей поверхности. Резкий рост температуры — первый признак нарушения режима смазки или износа.
- Вибрация: Датчики вибрации, установленные на корпусах подшипников, фиксируют уровень колебаний. Повышение вибрации может указывать на износ вкладыша, нарушение геометрии шейки вала, появление вихревых явлений.
- Давление масла на входе: Контроль обеспечения необходимого расхода.
- Выплавление баббита: Наиболее опасный дефект. Причины: прекращение подачи масла, перегрузка, попадание посторонних частиц, длительная работа в режиме граничного трения.
- Усталостное отслаивание баббита (шелушение): Вызвано циклическими нагрузками, перегревом, некачественным наплавлением или естественным старением слоя.
- Задиры на поверхности баббита: Местные повреждения от твердых частиц в масле или при пусках/остановах, когда гидродинамический клин еще не сформирован или разрушен.
- Износ и нарушение геометрии: Естественный процесс, ускоряемый при плохой фильтрации масла, несоосности валов, электрическом эрозионном воздействии (прохождение токов через подшипник).
- Масляный вихрь (неустойчивость ротора): Явление, при котором ротор начинает прецессировать с частотой, близкой к половине частоты вращения. Связано с динамическими свойствами масляного слоя в подшипниках определенной конструкции.
- Плановые осмотры: Проводятся при остановах турбины. Включают внешний осмотр, проверку зазоров (верхнего, боковых, осевого), контроль состояния масла и фильтров.
- Замена вкладышей: Выполняется по достижении предельного износа баббита или при его повреждении. Новые вкладыши должны соответствовать паспортным размерам, качество наплавки контролируется ультразвуком.
- Восстановление баббитового слоя: Может выполняться путем перезаливки с предварительной зачисткой основы. Требует строгого соблюдения технологии (подготовка поверхности, лужение, заливка) для обеспечения адгезии.
- Ремонт шеек вала: При наличии задиров или эллипсности шейки вала подвергаются шлифовке на станке с последующим хромированием или наплавкой для восстановления номинального диаметра. Это требует изготовления вкладышей с компенсирующим ремонтным размером.
Подшипники качения (шариковые и роликовые)
Применяются, как правило, во вспомогательных агрегатах турбоустановки (насосы, маслостанции, возбудители), в турбинах малой мощности или в высокоскоростных узлах газотурбинных установок (ГТУ). Их преимущества — меньшие потери на трение при пуске, компактность. Недостатки — меньшая демпфирующая способность и чувствительность к высоким ударным нагрузкам.
Конструкция и материалы
Конструкция подшипника турбины рассчитана на работу в условиях высоких температур (до 100-120°C от нагрева масла) и динамических нагрузок.
Основные элементы радиального подшипника скольжения:
Материалы для упорных сегментов:
Аналогичны радиальным: стальная основа с наплавленным слоем баббита. Геометрия сегментов (угол наклона, соотношение сторон) тщательно рассчитывается для создания оптимального давления в масляном слое.
| Параметр | Сегментный радиальный подшипник | Цилиндрический радиальный подшипник | Упорный подшипник сегментного типа |
|---|---|---|---|
| Нагрузка | Радиальная | Радиальная | Осевая |
| Устойчивость против вихря | Высокая | Низкая (требует профилирования) | Не применимо |
| Демпфирование | Очень высокое | Среднее | Высокое (в осевом направлении) |
| Сложность и стоимость | Высокая | Низкая | Высокая |
| Типичное применение | Опорные подшипники роторов ТГ и ГТ большой мощности | Вспомогательные агрегаты, турбины малой мощности | Опора ротора для восприятия осевого усилия |
Система смазки и охлаждения
Безаварийная работа подшипников возможна только при наличии надежной системы циркуляционной смазки (СЦС), выполняющей три функции: создание гидродинамического клина, отвод тепла и удаление продуктов износа.
Диагностика состояния и основные дефекты
Мониторинг состояния подшипников осуществляется непрерывно и периодически.
Непрерывный мониторинг:
Типичные дефекты и их причины:
| Метод контроля | Контролируемый параметр | Выявляемые дефекты | Периодичность |
|---|---|---|---|
| Вибродиагностика | Смещение, скорость, ускорение вибрации | Разбалансировка, несоосность, износ вкладыша, вихрь | Непрерывно + периодический анализ спектров |
| Термометрия | Температура баббита, температура масла на выходе | Нарушение смазки, перегрузка, начало выплавления | Непрерывно |
| Анализ масла | Присутствие металлов (Fe, Sn, Sb, Cu), влага, загрязнения | Активный износ баббита и других деталей, коррозия | Регулярно (ежеквартально) |
| Визуальный и измерительный контроль при ремонте | Состояние поверхности, зазоры, прилегание | Задиры, отслоения, износ, геометрические отклонения | При капитальных и средних ремонтах |
Техническое обслуживание и ремонт
Обслуживание подшипников включает плановые ремонтные операции и восстановление при отказах.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Какой зазор в подшипнике скольжения считается нормальным?
Радиальный зазор зависит от диаметра шейки вала и скорости вращения. Эмпирическое правило: номинальный зазор составляет 0.001–0.002 от диаметра вала (d). Для вала диаметром 300 мм зазор будет примерно 0.3–0.6 мм. Точные значения указываются в заводской инструкции по монтажу и эксплуатации (РЭ) турбины. Превышение зазора ведет к росту вибрации, уменьшение — к риску перегрева и задиров.
2. Почему в турбинах почти не используют подшипники качения для опоры главного ротора?
Подшипники качения имеют меньшую демпфирующую способность, хуже гасят вибрации ротора, их ресурс резко снижается при высоких окружных скоростях (более 60-80 м/с), характерных для турбин большой мощности. Подшипники скольжения, особенно сегментные, обеспечивают стабильную гидродинамическую смазку, высокое демпфирование и возможность ремонтного восстановления без замены дорогостоящих деталей ротора.
3. Что такое «масляный голод» подшипника и каковы его последствия?
«Масляный голод» — состояние, при котором подача масла в зазор недостаточна для формирования сплошного гидродинамического клина. Причины: отказ масляных насосов, засорение фильтров или маслопроводов, падение давления в системе, чрезмерно низкая вязкость масла из-за перегрева. Последствие — переход от жидкостного трения к граничному и сухому, что приводит к быстрому разогреву, выплавлению баббита и заеданию вала.
4. Как по анализу масла определить износ подшипника?
Спектральный анализ масла позволяет выявить концентрацию элементов износа. Повышение содержания олова (Sn) и сурьмы (Sb) прямо указывает на износ баббитового слоя. Рост железа (Fe) может свидетельствовать об износе шеек вала или других стальных деталей. Тренд увеличения концентрации этих металлов в последовательных пробах масла является диагностическим признаком активного износа и требует планирования внеочередного осмотра подшипников.
5. Каков типичный срок службы вкладыша подшипника турбины?
При нормальных условиях эксплуатации (чистое масло, правильные температурные режимы, отсутствие перегрузок и электрической эрозии) срок службы баббитового вкладыша может превышать 15-20 лет. Однако плановые осмотры состояния баббита рекомендуются во время каждого капитального ремонта турбины (раз в 4-8 лет). Фактический ресурс определяется результатами вибромониторинга, анализом масла и вскрытием.
6. Что такое «прохождение токов через подшипник» и чем это опасно?
Это явление возникновения паразитных токов утечки (постоянных или переменных) через подшипник, вызванное магнитной асимметрией ротора, действием электростатики или другими факторами. Прохождение тока через тонкую масляную пленку вызывает электрическую эрозию (искровое микроразряжение) поверхностей баббита и вала, приводя к точечным выкрашиваниям, ускоренному износу и появлению характерного «шагреневого» рисунка на поверхности. Для защиты применяют заземляющие щетки на валу и изолирующие втулки в подшипниковых узлах.