Опорные подшипники турбины

Опорные подшипники турбины — это подшипники скольжения гидродинамического типа: вращающаяся цапфа ротора всплывает на масляной плёнке, и трение в них жидкостное, без контакта металла о металл. Они воспринимают все радиальные нагрузки от массы ротора — статические, динамические и вибрационные. Осевые усилия валопровода держит отдельный упорный узел, поэтому пара «опорный + упорный» фиксирует ротор полностью.

Опорный и упорный: сравнение в таблице

Параметр	Опорный подшипник	Упорный подшипник
Что воспринимает	радиальные нагрузки: массу ротора, динамические и вибрационные силы	осевое усилие роторов — в работе до нескольких десятков килоньютон
Рабочая пара	цапфа ротора в расточке вкладыша	упорный гребень между двумя рядами колодок
Как создаётся несущий слой	масляный клин в сужающемся зазоре цапфа–вкладыш	колодка, повёрнутая на штифте, образует клиновой зазор под гребнем
Поверхность скольжения	баббитовая заливка вкладыша	баббит на рабочих поверхностях колодок
Самоустановка	сферические вкладыши	сферическое сопряжение вкладыша с установочным кольцом
Главная регулировка	зазоры цапфа–вкладыш и чистота поверхностей	разбег ротора 0,4–0,5 мм кольцевыми прокладками
Смазка	кольцевая полость вкладыша, зазор по разъёму	два подвода: со стороны генератора и со стороны регулятора
Чем кончается отказ	ротор проседает на вкладыш, баббит выплавляется	ротор смещается по оси: задевание дисков о диафрагмы, разрушение проточной части

Подробный разбор упорного узла, колодок и регулировки разбега — в материале про упорный подшипник турбины.

Расположение по тракту ротора

Подшипник № 1 в передней опоре турбины — опорно-упорный: он не только опирает ротор высокого давления, но и воспринимает осевые усилия валопровода и задаёт положение роторов относительно статорных деталей. Подшипники № 2 и № 3 расположены в переднем картере ЦНД, № 4 и № 5 — в картере со стороны генератора; подшипник № 5 служит опорой ротора генератора. Опорные подшипники № 2–5 конструктивно выполнены одинаково.

На турбине К-160-130 каждый ротор опирается на два опорных подшипника со сферическими вкладышами; корпус переднего — выносной, два других встроены в выходные патрубки ЦНД. В крышках подшипников предусмотрены аварийные масляные ёмкости — страховка на случай отказа насосной группы. Опирают подшипники вал с дисками и лопатками — конструкцию ротора турбины разобрали отдельно.

Главное требование: жидкостное трение

Основное требование к опорному подшипнику — жидкостное трение между цапфой ротора и вкладышем при минимальных механических и тепловых потерях, с запасом грузоподъёмности и динамической устойчивости. Если минимальный зазор больше суммы неровностей цапфы и вкладыша, металл не касается металла: сопротивление движению определяется только внутренним вязким трением масла, коэффициент которого на порядки ниже сухого.

Вкладыши подшипников турбин заливают баббитом — антифрикционным сплавом на основе олова или свинца: он прирабатывается к цапфе и, что важнее, не «схватывается» со сталью при кратковременных нарушениях смазки. При контакте баббит плавится раньше стали — вал остаётся целым, ценой вкладыша.

Как работает масляный клин

Смазка подаётся в зазор между внутренней расточкой вкладыша и цапфой. Вращаясь, цапфа захватывает масло в клиновой зазор, и в нём создаётся давление — наибольшее в зоне минимального зазора. Ротор всплывает на масляной плёнке и в равновесном положении «висит» в ней: суммарное давление масла уравновешивает весовую нагрузку ротора. Никакого качения, никакого контакта — только слои масла, скользящие друг по другу.

Режим работы подшипника зависит от расхода и вязкости масла, окружной скорости цапфы, массовой нагрузки, зазоров между вкладышем и цапфой и чистоты обработки их поверхностей. Шероховатость цапфы и расточки — не косметика: слишком грубая поверхность «пробивает» масляную плёнку, и жидкостное трение срывается.

Конструкция опорного подшипника по узлам

• Вкладыш с баббитовой заливкой — несущий корпус узла; внутренняя расточка держит цапфу и задаёт зазор.
• Сферическое сопряжение — вкладыш самоустанавливается относительно цапфы: прилегание равномерное по длине, без кромочных нагрузок.
• Подвод масла — в кольцевую полость вкладыша, оттуда к цапфе через зазор по разъёму.
• Слив — через торцы подшипника и через вертикальный канал в правой стороне вкладыша.
• Крышка подшипника — на К-160-130 в крышках размещены аварийные масляные ёмкости.

Расчёт на примере: масляная система К-160-130

Числа — по конструкции турбины К-160-130 и материалу про масляные насосы. Штатный режим складывается из пяти параметров:

1. Давление. Главный масляный насос, установленный на валу турбины, создаёт 1,6 МПа. К подшипникам масло приходит после маслоохладителей с давлением 0,2–0,25 МПа.
2. Температура. Пройдя подшипники, масло греется до 55–65 °C; маслоохладитель возвращает на вход 40–45 °C. Вязкость турбинного масла при 50 °C: ТП-22С — 20–26 мм²/с, ТП-46 — 42–50 мм²/с. Масло горячее нормы — вязкость падает, плёнка тоньше, грузоподъёмность клина снижается.
3. Чистота. Перед подшипниками стоят фильтры тонкой очистки на 5–10 мкм: загрязнённое масло — прямой путь к срыву плёнки и задирам баббита. Засорение фильтров видно по падению давления — картриджи меняют.
4. Запас. Масляный бак держит 5–10 минут работы при максимальном расходе. Расход масла турбины мощностью 10 МВт — 10–15 т/ч; бак на 10 минут под расход 15 т/ч вмещает 15/6 ≈ 2,5 т масла.
5. Резерв по приводам насосов. При падении давления в системе смазки включается электромасляный насос от шин собственных нужд; при его отказе или потере напряжения — аварийный электронасос с двигателем постоянного тока от аккумуляторной батареи: минимальной подачи хватает, чтобы безаварийно остановить турбину.

Охлаждение: масла нужно больше, чем для смазки

Трение в подшипнике, даже жидкостное, выделяет теплоту — и её отводит масло, которое заодно и смазывает. На отвод теплоты требуется больше масла, чем на саму смазку: избыточный расход сливается через торцы подшипника и через вертикальный канал в правой стороне вкладыша. Слив через этот канал пропускает дополнительный расход масла через верхнюю половину вкладыша и снимает теплоту с цапфы.

Охладитель масла — типичный теплообменный аппарат: он работает по тем же законам теплопередачи, что и вся теплообменная станция машинного зала. Базовые понятия теплотехники, на которых держится и турбинный цикл, и отопление зданий, собраны в материале «Общие сведения об отоплении».

Типичные ошибки и отказы

1. Нарушение подачи масла. Сценарий один и быстрый: плёнка рвётся, трение становится сухим, баббитовая заливка плавится за минуты. Турбина идёт в аварийный останов, вкладыш — в перезаливку. Поэтому за давлением и температурой масла следит защита, срабатывающая раньше, чем появятся повреждения.
2. Грязное масло. Абразивные частицы и отложения нарушают клиновой зазор: плёнка срывается локально, баббит задирается. Держат масло чистым фильтры тонкой очистки 5–10 мкм, за их состоянием следят по перепаду давления.
3. Перегретое масло. Выше рабочей температуры вязкость падает, несущая способность плёнки снижается — клин, державший ротор, срывается. Охладитель обязан возвращать масло на вход с 40–45 °C; контроль температуры масла — на каждом подшипнике.
4. Грубые поверхности цапфы и расточки. Высота неровностей больше расчётного минимального зазора — плёнка «пробита», жидкостное трение срывается на проектных зазорах. Чистоту обработки задают при изготовлении и проверяют при ревизиях ротора.
5. Пуск без пускового насоса. На низкой частоте вращения главный насос на валу не создаёт нужного напора — цапфа не всплывёт, и с первых оборотов пойдёт сухое трение. При пуске систему смазки питает пусковой насос высокого давления с напором, как у главного.

Частые вопросы

Почему у турбины подшипники скольжения, а не качения?

Большие радиальные нагрузки и высокая частота вращения: шариковый подшипник таких масс и оборотов не выдержит ресурсно. Подшипник скольжения с масляной плёнкой дополнительно демпфирует вибрации ротора и живёт десятки лет при исправной смазке.

Что такое опорно-упорный подшипник?

Комбинированный узел: он опирает ротор (радиальная нагрузка) и одновременно воспринимает осевые усилия валопровода, задавая положение роторов относительно статора. В рассматриваемой турбине это подшипник № 1 в передней опоре.

Что происходит при нарушении подачи масла в подшипник?

Масляная плёнка рвётся, трение становится сухим, температура растёт лавинообразно, баббитовая заливка вкладыша выплавляется. Ротор просаживается на вкладыш — отсюда автоматика защиты по давлению и температуре масла с уставками аварийного останова.

От чего зависит режим работы опорного подшипника?

От расхода и вязкости масла, окружной скорости цапфы, массовой нагрузки, зазоров между вкладышем и цапфой и чистоты обработки поверхностей. Эти параметры определяют, держится ли жидкостное трение или плёнка срывается.

Какое давление и температуру должно держать масло в подшипниках?

К подшипникам турбины К-160-130 масло приходит с давлением 0,2–0,25 МПа после маслоохладителей. На входе масло охлаждено до 40–45 °C, в подшипнике греется до 55–65 °C; перегрев снижает вязкость, и плёнка срывается.

Источники

1. Конструкция подшипников паровых турбин и баббитовые заливки вкладышей — по учебной литературе по конструкции турбин (курс «Тепловые электрические станции»).
2. Давления масляной системы К-160-130 (1,6 МПа на главном насосе, 0,2–0,25 МПа у подшипников), температуры масла 40–45/55–65 °C, вязкость ТП-22С и ТП-46 — по материалам турбинного раздела этого сайта.