汽輪機軸承油膜是怎么形成的？

汽輪機軸承油膜的形成是一個涉及流體力學、材料科學及轉子動力學的復雜過程，其穩定性直接影響機組的安全運行。以下從機理、條件、影響因素及典型結構等角度展開詳細解析：

一、油膜形成的核心機理：動壓潤滑理論

汽輪機滑動軸承（如圓筒瓦、橢圓瓦、可傾瓦等）依賴動壓油膜實現潤滑，其原理基于雷諾方程（流體動力潤滑的基本方程）。具體過程如下：

1.靜止狀態：

軸頸（轉子軸）靜止時，因重力作用坐落于軸承底部，軸頸與軸承內表面形成楔形間隙（下部間隙小，上部間隙大），潤滑油通過供油系統充滿間隙。

2.旋轉啟動：

轉子開始旋轉時，軸頸表面因粘性力帶動潤滑油沿圓周方向流動。由于楔形間隙“進口大、出口小”，油流被擠壓在逐漸收縮的間隙內，產生動壓力。

3.油膜建立：

當轉速達到臨界值時，動壓力足以支撐轉子重量，軸頸被油膜托起，與軸承內壁分離，形成穩定的承載油膜。此時，油膜壓力的垂直分力平衡轉子的徑向載荷，周向分力則抵消摩擦阻力。

二、油膜形成的必要條件

1.收斂楔形間隙：

軸承內表面與軸頸需形成收斂型間隙（如橢圓形、楔形），確保油流在流動過程中被壓縮，產生動壓。若間隙均勻（如圓柱形），則無法形成有效油膜。

2.潤滑油粘性：

潤滑油必須具有合適的粘度：

① 粘度過低：油膜易被擠壓破裂，導致金屬直接接觸磨損；

② 粘度過高：油流阻力大，發熱嚴重，可能引發油膜不穩定（如油膜振蕩）。

汽輪機通常采用透平油（如L-TSA 46），其粘度需匹配運行溫度（正常油溫40~50℃）。

3.相對運動速度：

轉子轉速需足夠高，確保油流速度能產生足夠動壓。低速時（如盤車狀態），油膜較薄，軸承處于邊界潤滑狀態，磨損風險較高。

4.連續供油：

供油系統需持續向軸承間隙供油，補充因泄漏和溫升損耗的油量，并帶走摩擦熱及雜質。

三、油膜的壓力分布與穩定性

1.壓力分布特征：

① 在楔形間隙的最小截面（“油楔喉部”），油膜壓力達到峰值，向兩側逐漸衰減；

② 油膜壓力沿周向呈不對稱分布，最大壓力點偏向旋轉方向的下游。

（注：實際應用中需通過計算或實驗確定具體分布）

2.油膜穩定性挑戰：

① 油膜渦動：當轉子轉速超過第一臨界轉速的2倍時，油膜可能發生低頻渦動（渦動頻率約為0.4~0.5倍轉速），引發振動；

② 油膜振蕩：渦動進一步發展可能導致自激振蕩（頻率接近轉子一階臨界頻率），造成軸承燒毀或轉子損壞。

應對措施 ：采用多油楔軸承（如橢圓瓦、三油楔瓦）、可傾瓦軸承（瓦塊可自動調整角度）或優化潤滑油粘度，增強油膜抗振性。

四、典型軸承結構對油膜的影響

1.圓筒瓦軸承：

 單油楔結構，結構簡單，但穩定性較差，易發生油膜渦動，多用于低速或中小型機組。

2.橢圓瓦軸承：

 上下雙油楔結構，油膜剛性好，穩定性優于圓筒瓦，廣泛用于汽輪機高壓轉子。

3.可傾瓦軸承：

 由3~5塊可傾瓦塊組成，每塊瓦塊均能隨載荷和轉速自動調整角度，形成獨立油楔，抗振性能極佳，適用于高參數、大機組（如百萬千瓦級汽輪機）。

4.推力軸承（金斯伯雷式）：

 用于承受軸向載荷，瓦塊表面呈斜面，轉子推力盤旋轉時形成傾斜油楔，油膜壓力平衡軸向推力。

五、關鍵影響因素與運行控制

1.油溫與粘度：

 油溫升高會降低油的粘度，導致油膜變薄；油溫過低則粘度增大，油流阻力大。需通過冷油器將油溫控制在合理范圍（如40±5℃）。

2.軸承間隙：

① 間隙過大：油膜易失穩，振動增大；

② 間隙過小：油流量不足，散熱差，可能引發高溫。

安裝時需通過研刮軸承或調整墊片精確控制間隙（通常為軸頸直徑的0.1~0.2‰）。

3.載荷變化：

① 機組變負荷時，轉子軸向推力改變，可能影響推力軸承油膜；徑向載荷突變（如葉片斷裂）可能導致油膜瞬時破裂。

4.油質清潔度：

② 油中雜質（金屬顆粒、水分、油泥）會劃傷軸承表面，破壞油膜連續性，需通過濾油器定期凈化。

六、總結：油膜形成的本質與意義

汽輪機軸承油膜的本質是流體動壓效應與轉子運動的動態平衡，其核心目標是通過油膜將固體摩擦轉化為液體分子間的內摩擦，從而：

① 降低磨損，延長軸承壽命；

② 吸收振動能量，抑制轉子振動；

③k高效散熱，維持軸承正常工作溫度。

理解油膜形成機理及影響因素，對機組安裝調試（如軸承間隙調整）、運行監控（如油溫、振動值）及故障處理（如油膜振蕩診斷）具有關鍵指導意義。

來源：發電生產技術園地

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