船舶主发电机非驱动端轴承增加润滑泵的必要性
王福泉
摘 要：为了实现5000T起重铺管船的DP3功能，必须采用电力推进，同时还有起重，铺管等大功率设备，因此需要电站及时输出适当功率而达到系统平衡。为符合此要求，柴油机设立了慢转功能，相应的发电机轴承也必须要建立慢转条件下的良好润滑。
关键词：柴油发电机组；慢转；发电机非驱动端轴承；压力润滑
中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0060-02
1 背景
烟台5000T船是一艘具有DP3动力定位全电力推进的起重和深水铺管船（DPV）。根据本船具备的13种工况（包括故障模式下的工况），每一种工况下具有不同的使用功率，这样就需要电站输出相应的功率来满足不同的工况。为了实现主发电机组的快速响应，瓦锡兰进行了功能补加。由此需要探讨西门子发电机非驱动端轴承在慢转下的润滑状况。
2 柴油发电机组的配置情况
2.1 瓦锡兰柴油机工况的配置
（1）本船采用的6台主柴油机是瓦锡兰12V32型号四冲程柴油机，输出功率6960KW/750转。为保证备用柴油机组快速投入电网，瓦锡兰设备厂商制定了主柴油机快速启动的措施，所有主柴油机均配置了慢转功能。
（2）当本船的柴油机处于自动备用状态时，每隔30分钟使慢转电磁阀CV331通电20秒，节流降压的压缩空气进入气缸，驱动柴油机以6r/min的速度慢转，具体见图1所示。
（3）通过柴油机慢转，运动副表面建立了良好的油膜，使柴油机能够快速启动；同时可以避免柴油机由于某些故障而冒然启动引起的液击。
（4）当慢转功能由于某些原因导致过载等故障时，会产生慢转故障报警同时发出应急停车信号，阻塞柴油机的启动，提示管理人员进行柴油机等相关设备的检修。
2.2 西门子发电机轴承润滑系统的配置
西门子发电机采用六台6600KV，6680KW的发电机，其两端轴承均采用德国RENK公司的EF系列滑动轴承，其轴承配置情况如下：
在发电机非驱动端采用使用RENK公司法兰式滑动轴承，其型号为EFNLQ，该轴瓦在瓦壳内浇注有RENK V6 热金属（一种铅制轴承金属）作为轴承衬；为适应重型设备的工作，采用厚壁轴瓦，好处是在现场可以重新浇注轴承衬。轴承内部由于无推力块（非定位轴承），是一个浮动滑动轴承；同时内部装有油环，完全靠油环转动来润滑滑动轴承。
而发电机驱动端比非驱动端只多出了一副推力轴承。由于该推力轴承的止推面是两块组合的浮动锲形面，厂家要求安装循环润滑的油泵。因此轴承内部不但有油环润滑各个部件，还通过外部压力润滑系统进行润滑推力块等部位。另外，该油泵还通过装有冷却器进行滑油的冷却，以保证滑油合适的粘度。
3 西门子发电机的配置不足之处及可能造成的隐患
3.1 发电机轴承润滑
两个运动面之间形成的流体膜的种类决定了滑动轴承的承载能力，该流体膜的形成与两个因素有关：①滑动轴承的结构；②轴承支撑的转轴转速。轴承具有三种运行状态，分别是边界润滑状态、混合膜润滑状态和完全油膜润滑状态。
边界润滑状态。边界润滑状态是指边界润滑的滑动面间只有一层极薄的边界膜存在，其厚度一般处在1.25um以下，强度很低，相对滑动时两个表面的接触次数会很高，所以摩擦系数比较大。通常其相对速度小于0.05m/s。则两个表面的摩擦系数一般在0.05～0.15之间。
混合膜润滑状态。混合膜润滑状是指处于完全油膜运行状态与边界润滑运行状态之间的运行方式，该润滑膜厚度一般在1.251um～2.51um之间，在这个厚度下不能完全使滑动面分离。这种润滑状态要求滑动面间相对滑动速度范围在0.05～0.13m/s，两表面间的摩擦系数一般在0.005～0.05之间，轴承在运行过程中温升比较高，磨损也随之增大，这样会减少轴承的寿命。
完全油膜润滑状态。完全油膜润滑状态是指润滑时产生一个相对滑动面的完全隔离，运动两摩擦面间完全被一层润滑膜隔开，润滑膜的厚度一般在2.5um以上。根据相关试验数据与实际经验，数据表明其表面相对滑动速度一般应超过0.13m/s。运动副两表面间的摩擦系数一般在0.001～0.005之间。
3.2 动压润滑
产生液体动压润滑的条件是：①两表面间的间隙是收敛的（这一间隙实际很小），即两个摩擦表面必须形成锲形；②润滑剂有适当的粘度；③两摩擦面有足够的相对运动速度。
本船瓦锡兰柴油机慢转时，由于非驱动端轴瓦使用油环润滑方式，根据有关资料介绍油环润滑方式只适用于50～2000r/min范围的转速，而本船柴油机以6r/min速度慢转，因此不能保证油环及时将滑油送到轴瓦处，也就不能在轴瓦处形成足够隔开两摩擦表面的油膜，即不能够形成完全油膜润滑，容易出现磨损，即使制造轴瓦或轴承衬选用能在直接接触条件下工作的滑动轴承材料，在如此频繁慢转下也不可避免地产生磨损。
另外，柴油机慢转时，由于该轴瓦对应的轴径为225mm，柴油机慢转速度为2r/20S，由此可以计算出其相对速度约为0.07m/s，从上述润滑方式提供的数据可知，此时轴承处于混合膜润滑状态，也证明了发电机非驱动端轴承在慢转下不能得到良好的润滑。
4 解决方案
对于西门子发电机非驱动端只有油环润滑的情况下，为满足柴油机的慢转功能，必须在非驱动端采取相应的措施。
4.1 解决措施一：采用静压润滑方式润滑发电机轴承
静压轴承是利用静压润滑原理润滑的滑动轴承。通过外部压力油把主轴支承起来，在任何转速下（包括起动和停车）轴颈和轴承均有一层油膜分离摩擦表面，与轴的转数和油的粘度无关，摩擦副处于流体润滑状态，不发生金属接触。因此有极低的摩擦，其摩擦系数为0.0003～0.001。流体静压轴承的优点在起动时为流体摩擦、几乎没有磨损。因此这种模式完全满足柴油机的慢转下的轴承润滑，也是最好的润滑方式。
采用该种润滑方式，需要更换轴承装置，因为该轴承装置仅适用于动压润滑；同时还要使发电机轴瓦处的轴有油孔。轴承装置改动比较大。
4.2 解决措施二：在轴承端增加滑油顶驱装置
在发电机轴承装置附近加装滑油压力顶驱装置，当发电机不管慢转還是正常启动时，顶驱装置会自动将具有一定压力的滑油送到轴瓦处，将转子顶起，使油膜分布在轴瓦处。不足之处是必须提高柴油机运转速度，使轴承处的相对速度达到0.13m/S以上，才能符合完全油膜润滑状态；但这时增加了柴油机慢转的耗气量。
4.3 解决措施三：增加外部压力润滑系统
如图3所示，西门子发电机非驱动端采用外部压力润滑，在右端是外部压力滑油进口，直接将滑油送到上下瓦搭扣处。柴油机慢转时，不仅弥补了油环润滑的不足；同时由于轴瓦处具有相对流速的滑油，也提高了发电机的润滑方式。由于该润滑方式是动压润滑，为保证轴瓦处油膜的良好建立，需要外部滑油泵一直运行保持润滑，直到发电机启动后才能停止运转。
5 结论
发电机要符合慢转工况，必须改进其轴承的润滑状态，否则在频繁的慢转次数下会缩短发电机轴承的寿命。柴油机与发电机组合时，两个设备厂家并没有针对本船的工作性质而进行设备的优化，也就是没有对两个设备的细节进行通盘考量。通过我们电气监造人员的及时发现和提醒，厂家进行了设备改进，使发电设备得到进一步完善。
摘 要：为了实现5000T起重铺管船的DP3功能，必须采用电力推进，同时还有起重，铺管等大功率设备，因此需要电站及时输出适当功率而达到系统平衡。为符合此要求，柴油机设立了慢转功能，相应的发电机轴承也必须要建立慢转条件下的良好润滑。
关键词：柴油发电机组；慢转；发电机非驱动端轴承；压力润滑
中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0060-02
1 背景
烟台5000T船是一艘具有DP3动力定位全电力推进的起重和深水铺管船（DPV）。根据本船具备的13种工况（包括故障模式下的工况），每一种工况下具有不同的使用功率，这样就需要电站输出相应的功率来满足不同的工况。为了实现主发电机组的快速响应，瓦锡兰进行了功能补加。由此需要探讨西门子发电机非驱动端轴承在慢转下的润滑状况。
2 柴油发电机组的配置情况
2.1 瓦锡兰柴油机工况的配置
（1）本船采用的6台主柴油机是瓦锡兰12V32型号四冲程柴油机，输出功率6960KW/750转。为保证备用柴油机组快速投入电网，瓦锡兰设备厂商制定了主柴油机快速启动的措施，所有主柴油机均配置了慢转功能。
（2）当本船的柴油机处于自动备用状态时，每隔30分钟使慢转电磁阀CV331通电20秒，节流降压的压缩空气进入气缸，驱动柴油机以6r/min的速度慢转，具体见图1所示。
（3）通过柴油机慢转，运动副表面建立了良好的油膜，使柴油机能够快速启动；同时可以避免柴油机由于某些故障而冒然启动引起的液击。
（4）当慢转功能由于某些原因导致过载等故障时，会产生慢转故障报警同时发出应急停车信号，阻塞柴油机的启动，提示管理人员进行柴油机等相关设备的检修。
2.2 西门子发电机轴承润滑系统的配置
西门子发电机采用六台6600KV，6680KW的发电机，其两端轴承均采用德国RENK公司的EF系列滑动轴承，其轴承配置情况如下：
在发电机非驱动端采用使用RENK公司法兰式滑动轴承，其型号为EFNLQ，该轴瓦在瓦壳内浇注有RENK V6 热金属（一种铅制轴承金属）作为轴承衬；为适应重型设备的工作，采用厚壁轴瓦，好处是在现场可以重新浇注轴承衬。轴承内部由于无推力块（非定位轴承），是一个浮动滑动轴承；同时内部装有油环，完全靠油环转动来润滑滑动轴承。
而发电机驱动端比非驱动端只多出了一副推力轴承。由于该推力轴承的止推面是两块组合的浮动锲形面，厂家要求安装循环润滑的油泵。因此轴承内部不但有油环润滑各个部件，还通过外部压力润滑系统进行润滑推力块等部位。另外，该油泵还通过装有冷却器进行滑油的冷却，以保证滑油合适的粘度。
3 西门子发电机的配置不足之处及可能造成的隐患
3.1 发电机轴承润滑
两个运动面之间形成的流体膜的种类决定了滑动轴承的承载能力，该流体膜的形成与两个因素有关：①滑动轴承的结构；②轴承支撑的转轴转速。轴承具有三种运行状态，分别是边界润滑状态、混合膜润滑状态和完全油膜润滑状态。
边界润滑状态。边界润滑状态是指边界润滑的滑动面间只有一层极薄的边界膜存在，其厚度一般处在1.25um以下，强度很低，相对滑动时两个表面的接触次数会很高，所以摩擦系数比较大。通常其相对速度小于0.05m/s。则两个表面的摩擦系数一般在0.05～0.15之间。
混合膜润滑状态。混合膜润滑状是指处于完全油膜运行状态与边界润滑运行状态之间的运行方式，该润滑膜厚度一般在1.251um～2.51um之间，在这个厚度下不能完全使滑动面分离。这种润滑状态要求滑动面间相对滑动速度范围在0.05～0.13m/s，两表面间的摩擦系数一般在0.005～0.05之间，轴承在运行过程中温升比较高，磨损也随之增大，这样会减少轴承的寿命。
完全油膜润滑状态。完全油膜润滑状态是指润滑时产生一个相对滑动面的完全隔离，运动两摩擦面间完全被一层润滑膜隔开，润滑膜的厚度一般在2.5um以上。根据相关试验数据与实际经验，数据表明其表面相对滑动速度一般应超过0.13m/s。运动副两表面间的摩擦系数一般在0.001～0.005之间。
3.2 动压润滑
产生液体动压润滑的条件是：①两表面间的间隙是收敛的（这一间隙实际很小），即两个摩擦表面必须形成锲形；②润滑剂有适当的粘度；③两摩擦面有足够的相对运动速度。
本船瓦锡兰柴油机慢转时，由于非驱动端轴瓦使用油环润滑方式，根据有关资料介绍油环润滑方式只适用于50～2000r/min范围的转速，而本船柴油机以6r/min速度慢转，因此不能保证油环及时将滑油送到轴瓦处，也就不能在轴瓦处形成足够隔开两摩擦表面的油膜，即不能够形成完全油膜润滑，容易出现磨损，即使制造轴瓦或轴承衬选用能在直接接触条件下工作的滑动轴承材料，在如此频繁慢转下也不可避免地产生磨损。
另外，柴油机慢转时，由于该轴瓦对应的轴径为225mm，柴油机慢转速度为2r/20S，由此可以计算出其相对速度约为0.07m/s，从上述润滑方式提供的数据可知，此时轴承处于混合膜润滑状态，也证明了发电机非驱动端轴承在慢转下不能得到良好的润滑。
4 解决方案
对于西门子发电机非驱动端只有油环润滑的情况下，为满足柴油机的慢转功能，必须在非驱动端采取相应的措施。
4.1 解决措施一：采用静压润滑方式润滑发电机轴承
静压轴承是利用静压润滑原理润滑的滑动轴承。通过外部压力油把主轴支承起来，在任何转速下（包括起动和停车）轴颈和轴承均有一层油膜分离摩擦表面，与轴的转数和油的粘度无关，摩擦副处于流体润滑状态，不发生金属接触。因此有极低的摩擦，其摩擦系数为0.0003～0.001。流体静压轴承的优点在起动时为流体摩擦、几乎没有磨损。因此这种模式完全满足柴油机的慢转下的轴承润滑，也是最好的润滑方式。
采用该种润滑方式，需要更换轴承装置，因为该轴承装置仅适用于动压润滑；同时还要使发电机轴瓦处的轴有油孔。轴承装置改动比较大。
4.2 解决措施二：在轴承端增加滑油顶驱装置
在发电机轴承装置附近加装滑油压力顶驱装置，当发电机不管慢转還是正常启动时，顶驱装置会自动将具有一定压力的滑油送到轴瓦处，将转子顶起，使油膜分布在轴瓦处。不足之处是必须提高柴油机运转速度，使轴承处的相对速度达到0.13m/S以上，才能符合完全油膜润滑状态；但这时增加了柴油机慢转的耗气量。
4.3 解决措施三：增加外部压力润滑系统
如图3所示，西门子发电机非驱动端采用外部压力润滑，在右端是外部压力滑油进口，直接将滑油送到上下瓦搭扣处。柴油机慢转时，不仅弥补了油环润滑的不足；同时由于轴瓦处具有相对流速的滑油，也提高了发电机的润滑方式。由于该润滑方式是动压润滑，为保证轴瓦处油膜的良好建立，需要外部滑油泵一直运行保持润滑，直到发电机启动后才能停止运转。
5 结论
发电机要符合慢转工况，必须改进其轴承的润滑状态，否则在频繁的慢转次数下会缩短发电机轴承的寿命。柴油机与发电机组合时，两个设备厂家并没有针对本船的工作性质而进行设备的优化，也就是没有对两个设备的细节进行通盘考量。通过我们电气监造人员的及时发现和提醒，厂家进行了设备改进，使发电设备得到进一步完善。
