汽輪機(jī)軸承油膜是怎么形成的？

汽輪機(jī)軸承油膜的形成是一個(gè)涉及流體力學(xué)、材料科學(xué)及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程，其穩(wěn)定性直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行。以下從機(jī)理、條件、影響因素及典型結(jié)構(gòu)等角度展開詳細(xì)解析：

一、油膜形成的核心機(jī)理：動(dòng)壓潤(rùn)滑理論

汽輪機(jī)滑動(dòng)軸承（如圓筒瓦、橢圓瓦、可傾瓦等）依賴動(dòng)壓油膜實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，其原理基于雷諾方程（流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本方程）。具體過(guò)程如下：

1.靜止?fàn)顟B(tài)：

軸頸（轉(zhuǎn)子軸）靜止時(shí)，因重力作用坐落于軸承底部，軸頸與軸承內(nèi)表面形成楔形間隙（下部間隙小，上部間隙大），潤(rùn)滑油通過(guò)供油系統(tǒng)充滿間隙。

2.旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)：

轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸表面因粘性力帶動(dòng)潤(rùn)滑油沿圓周方向流動(dòng)。由于楔形間隙“進(jìn)口大、出口小”，油流被擠壓在逐漸收縮的間隙內(nèi)，產(chǎn)生動(dòng)壓力。

3.油膜建立：

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值時(shí)，動(dòng)壓力足以支撐轉(zhuǎn)子重量，軸頸被油膜托起，與軸承內(nèi)壁分離，形成穩(wěn)定的承載油膜。此時(shí)，油膜壓力的垂直分力平衡轉(zhuǎn)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(nèi)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(dòng)過(guò)程中被壓縮，產(chǎn)生動(dòng)壓。若間隙均勻（如圓柱形），則無(wú)法形成有效油膜。

2.潤(rùn)滑油粘性：

潤(rùn)滑油必須具有合適的粘度：

① 粘度過(guò)低：油膜易被擠壓破裂，導(dǎo)致金屬直接接觸磨損；

② 粘度過(guò)高：油流阻力大，發(fā)熱嚴(yán)重，可能引發(fā)油膜不穩(wěn)定（如油膜振蕩）。

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

3.相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需足夠高，確保油流速度能產(chǎn)生足夠動(dòng)壓。低速時(shí)（如盤車狀態(tài)），油膜較薄，軸承處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，磨損風(fēng)險(xiǎn)較高。

4.連續(xù)供油：

供油系統(tǒng)需持續(xù)向軸承間隙供油，補(bǔ)充因泄漏和溫升損耗的油量，并帶走摩擦熱及雜質(zhì)。

三、油膜的壓力分布與穩(wěn)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(dá)到峰值，向兩側(cè)逐漸衰減；

② 油膜壓力沿周向呈不對(duì)稱分布，最大壓力點(diǎn)偏向旋轉(zhuǎn)方向的下游。

（注：實(shí)際應(yīng)用中需通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)確定具體分布）

2.油膜穩(wěn)定性挑戰(zhàn)：

① 油膜渦動(dòng)：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)第一臨界轉(zhuǎn)速的2倍時(shí)，油膜可能發(fā)生低頻渦動(dòng)（渦動(dòng)頻率約為0.4~0.5倍轉(zhuǎn)速），引發(fā)振動(dòng)；

② 油膜振蕩：渦動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展可能導(dǎo)致自激振蕩（頻率接近轉(zhuǎn)子一階臨界頻率），造成軸承燒毀或轉(zhuǎn)子損壞。

應(yīng)對(duì)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(dòng)調(diào)整角度）或優(yōu)化潤(rùn)滑油粘度，增強(qiáng)油膜抗振性。

四、典型軸承結(jié)構(gòu)對(duì)油膜的影響

1.圓筒瓦軸承：

 單油楔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性較差，易發(fā)生油膜渦動(dòng)，多用于低速或中小型機(jī)組。

2.橢圓瓦軸承：

 上下雙油楔結(jié)構(gòu)，油膜剛性好，穩(wěn)定性優(yōu)于圓筒瓦，廣泛用于汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整角度，形成獨(dú)立油楔，抗振性能極佳，適用于高參數(shù)、大機(jī)組（如百萬(wàn)千瓦級(jí)汽輪機(jī)）。

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(zhuǎn)子推力盤旋轉(zhuǎn)時(shí)形成傾斜油楔，油膜壓力平衡軸向推力。

五、關(guān)鍵影響因素與運(yùn)行控制

1.油溫與粘度：

 油溫升高會(huì)降低油的粘度，導(dǎo)致油膜變?。挥蜏剡^(guò)低則粘度增大，油流阻力大。需通過(guò)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(guò)大：油膜易失穩(wěn)，振動(dòng)增大；

② 間隙過(guò)?。河土髁坎蛔?，散熱差，可能引發(fā)高溫。

安裝時(shí)需通過(guò)研刮軸承或調(diào)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(jī)組變負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)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(dǎo)致油膜瞬時(shí)破裂。

4.油質(zhì)清潔度：

② 油中雜質(zhì)（金屬顆粒、水分、油泥）會(huì)劃傷軸承表面，破壞油膜連續(xù)性，需通過(guò)濾油器定期凈化。

六、總結(jié)：油膜形成的本質(zhì)與意義

汽輪機(jī)軸承油膜的本質(zhì)是流體動(dòng)壓效應(yīng)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡，其核心目標(biāo)是通過(guò)油膜將固體摩擦轉(zhuǎn)化為液體分子間的內(nèi)摩擦，從而：

① 降低磨損，延長(zhǎng)軸承壽命；

② 吸收振動(dòng)能量，抑制轉(zhuǎn)子振動(dòng)；

③k高效散熱，維持軸承正常工作溫度。

理解油膜形成機(jī)理及影響因素，對(duì)機(jī)組安裝調(diào)試（如軸承間隙調(diào)整）、運(yùn)行監(jiān)控（如油溫、振動(dòng)值）及故障處理（如油膜振蕩診斷）具有關(guān)鍵指導(dǎo)意義。

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