GE公司燃气轮机组支持轴承结构及性能分析

1、GE公司燃气轮机组支持轴承结构及性能分析张 杰（华北电力大学/浙江国华余姚燃气发电有限责任公司 315400）摘要：燃气轮机组轴系稳定性主要取决于轴承，轴承可以是促使转子涡动的来源，也可以是涡动抑制作用的所在。本文简单介绍了现代重型燃气轮机组所采用的支持轴承的种类、结构，阐述了可倾轴承及椭圆轴承的结构、性能特点。从GE公司生产的燃气轮机组所选用的支持轴承的发展过程中，可以看出GE公司对重型燃气轮机组的发展方向是充分利用科研优势，提高技术含量，设计系统化、制造通用化，逐步形成以更换备件为主的检修维护方式，以设计、制造商作为生产维护的技术支持，提高设备使用厂对制造商的依靠性。关键词： GE燃机 支

2、持轴承 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公司燃机支持轴承基本型式现代燃气轮机组所采用的支持轴承，按结构可分为：固定瓦和可倾瓦两类，固定瓦轴承最基本的是圆轴承（圆筒形轴承），非圆轴承有椭圆、三油楔、多油叶等形式。它们的几何形如图：11 可倾瓦轴承是上个世纪60

5、年代中期出现的，当时西方国家为解决转子系统失稳问题而开发应用在大型汽轮机机组上的，并随着燃气轮机技术的发展应用到重型燃气轮机组上。以GE公司生产的9E和9F燃气轮机组支持轴承型式的具体实例说明轴瓦结构特点。9E机组共有5个支持轴承，燃气轮机转子前后及中部共3个支持轴承采用四瓦块可倾瓦轴承，发电机2个支持轴承采用椭圆轴承，表11。9E燃气轮机及发电机转子支持轴承参数(表11)轴承号位 置轴承型式直径(mm)间隙比#1压气机侧椭圆轴承3000.002#2中间轴承椭圆轴承3560.002#3气轮机透平侧四块可倾瓦轴承3560.002#4发电机透平侧椭圆轴承4500.0013#5发电机励磁侧椭圆轴承4

6、500.00139FA机组共有4个支持轴承，燃气轮机转子前后采用四瓦块可倾瓦轴承，压气机和透平侧转子直径为550.672mm，间隙比取为0.003发电机采用椭圆轴承，透平侧转子直径为482.60mm，励磁侧转子直径为431.80mm，间隙为垂直方向每英寸轴颈直径为0.00133mm/mm，水平方向每英寸轴颈直径为0.00266mm/mm，表12。MS9FA燃气轮机转子采用的支持轴承参数(表12)轴承号轴径(mm)瓦宽度(mm)长宽比(L/D)间隙 (mm)瓦块张角#1轴承550.6723750.680.03230.003784050#2轴承550.6723750.680.03230.00378

7、4050燃气轮机组轴系稳定性主要取决于轴承，轴承可以是促使转子涡动的来源，也可以是涡动抑制作用的所在，一台燃气轮机组稳定性的优劣，主要取决机组转子轴承系统稳定性设计。2燃气轮机轴系稳定性要求从轴系振动力学角度看，燃气轮机组轴承应满足的条件：1.高度的可靠性；2.良好的稳定性，即在工作转速内不会出现半速涡动和油膜振荡；3.具有良好的阻尼特性，具备减低转子不平衡响应和抑制不平衡振动（如间隙激振）的能力；4.摩擦损失小。评价燃气轮机轴承性能，主要根据两点：1.对不平衡响应的抑制能力，油膜应具有足够大的阻尼，并与支撑体、转轴之间有合理的刚度匹配，使转轴在整个转速范围内，尤其在工作转速和临界转速附近，在

8、相同的不平衡质量条件下的振幅响应足够小；2.稳定性，它反应了转子的稳定性。这两点之所以重要是因为它们关系到重型燃气轮机的安全运行。3各种类型支持轴承性能特点从轴承的形式、结构和性能看，圆筒形轴承是最基本最简单的一种，其特点结构简单，润滑油的消耗量和摩擦损失都较小，它只在下部形成一个楔形油楔，在高速轻载的工作条件下，油膜刚度差，国内外对于各种轴承的性能做过大量的研究和比较，公认为圆筒形轴承性能最差，其它各固定瓦轴承性能各有高低。椭圆形轴承工作时轴承上部和下部各形成一个楔形油楔，转轴旋转时两油楔相互作用可以得到较好的油膜刚度，转轴不易在垂直方向产生振动，轴承承载能力较强。三油楔轴承是在合金面上加工

9、出三个油囊，转轴旋转时形成三个油楔，一般把三个油楔轴承做成中分面跟水平面成35夹角，三个油楔轴承可以提高轴承承载能力和抗振能力，但其结构复杂，给检修工作带来难度，故三个油楔轴承未被广泛使用。可倾瓦轴承，瓦块在工作时随着转速或载荷及油温的不同而自由摆动，在轴颈四周形成多个油楔，若忽略瓦块的惯性、支点的摩擦阻力等影响，可以绕支点随轴颈的运动发生摆动的瓦块自动调整到使其上的油膜合力严格沿着支点到轴心的方向上，从而使油膜力的合力无法产生出原本可以促使轴颈发生涡动的分力，对轴颈而言，油膜压力的合力必需通过轴心，这个合力对轴颈的每一周封闭轨迹的运动所做的功为零，因此可倾瓦轴承的稳定性十分优良。可倾瓦轴承优

10、良的动特性和自动对中能力是固定瓦轴承不可比的，其缺点：功耗和承载能力劣于固定瓦轴承。可倾瓦轴承的优点不仅在于高的稳定性，还在于它在运行中具有承受大的不平衡量能力。对用于固定瓦轴承支撑的转子系统，在略低于稳定界限转速下运行时，转子上的不平衡量也存在一个界限，当转子因为某种原因，例如：转子叶片断裂后，使不平衡量超过这个界限值，转子会由于油膜的非线性特性而出现异常大的低频振动，如果这一现象和油膜振荡同时发生，转子会因为遭到低周波高幅值的应力疲劳作用而迅速断裂。可倾瓦轴承对不平衡的敏感性要比固定瓦小。对于可倾瓦轴承，支点弹性对稳定性能有不同的影响，计入活支点弹性时，不平衡量小时，对稳定性有利，不平衡量

11、大时则起反作用，轴颈在瓦中偏离中心位置较远时，远离的那块瓦会因为动压力的丧失出现颤振，从而大大降低轴承的稳定性，从这点看可倾瓦轴承的四块瓦结构优于五块瓦结构，对计入支点弹性和阻尼时可倾瓦轴承转子系统的稳定性研究结论认为，可倾瓦轴承中瓦支点的动特性和瓦的质惯矩和质量等参数，均可对系统阻尼发生影响，瓦质量和质惯矩总是不利因素，支点在瓦偏转方向上的刚度和阻尼一般也是不利的，当其数量很小时，提高二阶振型的阻尼值，抵偿瓦质惯矩在二阶振型上的不利作用，单纯的支点下沉弹性是不利的，配合恰当的下沉弹性和阻尼则可大大提高系统阻尼值，提高稳定性。但对于瓦块数目的选择主要取决于轴承的结构参数和制造厂家的传统习惯，G

12、E公司生产制造的可倾瓦轴承一般习惯上采用六块瓦或四块瓦结构，也有不少厂家选用三块瓦，三块瓦轴承结构比较特殊，从外表属于三块可倾瓦，其实上半是圆筒瓦，下半是二块可倾瓦组成，它既有可倾瓦轴承的优点，又有圆筒瓦轴承的长处。可倾瓦轴承的特点使得对它的制造加工要求严格，加工时过大的误差可能会使原本设计正确的轴承稳定性能降低，安装时对扬度、轴承标高、轴承载荷等重要指标的控制同样可以直接影响到机组稳定性，运行参数对稳定性也会造成暂时的影响，随着机组向大型化发展，支持轴承的设计越来越严格精细，瓦面轮廓线经过复杂的理论计算确定的，加工也都采用高精密度机床，瓦面型线的任何变动都会改变支持轴承的特性。因此会给运行后的检修维护工作带来一定难度，工艺标准掌握和工作经验是决定其稳定运行的重要条件。从国内引进的重型燃气轮机组轴承的调研看，重型燃气轮机转子一般采用可倾瓦轴承；对重载位置的发电机转子多采用椭圆轴承或经过修改的椭圆轴承。例如：GE公司1997年至2003年生产的S106FA、S209E、S109EC、S209FA、S109H型号的重型燃气轮机组的燃机转子一般采用四、六块可倾瓦轴承及椭圆轴承；发电机转子采用椭圆轴承，个别机组采用经过修改的椭圆轴承。4结论从GE公司生产制造的重型燃气轮机组所采用的轴承可以看出充分利用其性能、结构的优点，设计系统