水潤滑軸承的最新研究進展

[法] E.戈德克 等

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2009年第6期

1 靜水潤滑導軸承

1.1 一般原理

與含油軸承相比,靜水潤滑導軸承在新建和改造工程中具有明顯的優點。阿爾斯通水電公司安裝這些導軸承已有多年,獲得了豐富的經驗。水潤滑導軸承可用于任何尺寸、所有類型的立式與臥式水輪機(圖 1)。

圖1 靜水潤滑導軸承

靜水潤滑技術在軸承中不需要油,消除了污染河流的風險。由壓力鋼管直接供水,如果壓力鋼管的水壓不夠高,可采用水泵。經過軸承體中幾個機加工的槽供水。軸承槽中水壓由負荷容量確定,通過一個孔口系統調節。圖 2和圖 3詳細說明了在一個軸偏心時的軸承特性。

通過孔口系統向每個槽供水。軸的偏心在軸承的一側致使壓力升高(圖 3中槽 1),因而產生一個相反的力,以糾正軸的位置。該自動對中作用為軸線的性質提供了穩定性,同時也減小了軸位移和振動。

圖2 水潤滑導軸承的原理

圖3 具有 4個槽的軸的壓力場

靜水潤滑軸承可在所有運行條件下工作,包括啟動階段,而含油軸承是利用軸旋轉產生的液體動力效應工作的。當軸不旋轉時,含油軸承沒有對中作用。相反,靜水軸承即使沒有轉速時仍能對軸線對中起作用。在正常和異常情況下,在起動、停機和低速階段,系統性能均能得到保證。

水潤滑導軸承設計包括了軸密封功能,這就不需要難以進行維修的外部軸密封,從而使維護量減少,系統更加緊湊。

1.2 液體動力含油軸承與靜水導軸承的比較

阿爾斯通水電公司已經開發了設計靜水軸承的計算工具。在該計算軟件中包括了許多物理現象(包括軸的偏心和軸的傾斜)。圖 4是水潤滑軸承與油潤滑軸承之間的比較情況。對于相同的軸位移而言,水導軸承的徑向力明顯大于含油軸承的徑向力。較高的剛度保證了較好的穩定性和較小的軸線位移。

圖4 水潤滑軸承與油潤滑軸承的剛度比較

水潤滑導軸承與油潤滑導軸承等效徑向負荷的比較情況列于表 1。由表 1可以看出,水潤滑導軸承使軸承的總損失最小。已經對中等尺寸的水輪機進行了該計算。它考慮了所有的損耗,包括壓力鋼管向軸承供水的少量水流的分流引起的摩擦損耗和功率損耗。軸承直徑為 600mm,徑向負荷為 110kN,軸的轉速為 430r/min。

計算表明,水導軸承的總損耗減少 50%,溫升低于 1℃。

表1 水與油潤滑導軸承等效徑向負荷的比較

1.3 水潤滑導軸承技術

靜水潤滑軸承的主要功能是產生徑向剛度,以減小軸線的徑向位移。而且,假設在含油軸承情況下,軸密封功能由一個獨立元件來實現。圖 5表示了水潤滑軸承與油潤滑軸承所需要的安裝空間。由于水潤滑軸承結構緊湊小巧,因而易于適應新建與改造工程,包括替代含油軸承。

靜水導軸承比含油導軸承更加剛性、更加緊湊。而且,它們能更加靠近轉輪,最小化懸臂作用。因此,轉輪的徑向位移較小,可降低固定迷宮環的間隙,減少了泄漏,提高了整個電廠的效率。

圖5 油和水導軸承所要求的安裝空間

為了方便安裝和維修,軸承體可制成一個或幾個部件。軸的外表面(或覆蓋它的不銹鋼套筒)和軸承內表面用陶瓷涂層保護,以防止在供水故障時出現任何問題。為防止水輪機在停機時向軸承漏水或在維修期間向過濾系統漏水,在軸承體下部布置有一個可充氣的密封。

1.4 輔助部件

供水系統包括:

(1)如果水頭能在軸承槽中生成足夠高的壓力,只要在壓力鋼管處設一個進水口。在其他情況下,可安裝一臺增壓泵增加水壓。

(2)一個過濾系統,包含自動過濾器和水力旋流器(hydrocyclon)。

(3)調節各槽供水流量的孔口系統。

如果需要增壓泵,可以提供 2臺獨立的水泵,以獲得平行的系統,允許電廠不停運情況下進行維修。

水潤滑軸承不需要油潤滑導軸承的輔助設備,包括油泵、油路和油冷卻系統。這是因為水的摩擦比油的摩擦小得多。同樣,溫升也平穩得多。

1.5 安全系統

軸承內徑和套筒(或軸)外徑上的陶瓷涂層,可在出現供水故障時有效地保護整個系統。軸承配備有安全傳感器,這就進一步增加了系統的安全性,在供水系統或者可充氣密封出現故障時,會發出停機令。安全元件包括:

(1)壓力開關和壓力傳感器,用以檢測水壓過低或過高;

(2)流量表,以保證供水;

(3)溫度探頭,用以檢測任何異常溫升。

1.6 靜水潤滑軸承的效益

(1)發電廠效率。靜水潤滑軸承在提高發電廠效率方面可發揮重要作用。

因為油和水的粘度不同,水潤滑軸承的摩擦損耗下降 50%。溫升非常有限,不再需要冷卻系統,因此提高了發電廠效率。同樣,因為懸臂效應較低、靠近轉輪的軸位移較小,可減小設計用于油潤滑軸承的迷宮間隙,因此減少了漏水。

(2)環境效益。河流中的大多數漏油來自水輪機油潤滑軸承,它們可對環境造成重大破壞。因此,它們也損毀了水電的名譽,甚至遭到罰款。而采用水作為潤滑劑是防止漏油進入河流的根本解決辦法,因此,消除了污染風險。

(3)維護效益。靜水潤滑軸承的維護非常方便。因為已經從系統中去除了軸密封及其供水輔助設施(很難到達),大大減少了這些元件的維護量。

因為布置更加緊湊,至各部件的通路更加暢通,對水潤滑軸承的檢查更加容易。如前節所述,油潤滑軸承需要更多必須維護的輔助設施。

(4)提高運轉率效益。油潤滑軸承和軸密封的維護操作可能是整個發電廠有效利用率低的原因。由于維修工作的減少和在正常與異常情況下的水潤滑軸承的穩定性,所以機組不經常停機和停機時間較短,對提高發電廠的運轉率是有貢獻的。

(5)健康與安全效益。水潤滑系統上安裝了許多壓力與流量傳感器,以防止不正常的運行。此外,消除了發電廠中的油蒸氣,從而排除了因地面濕滑而使發電廠工人滑倒的可能性。

圖6 油潤滑軸承與水潤滑軸承的經濟附加值比較

(6)經濟附加值。圖 6表示安裝油潤滑軸承與水潤滑軸承的經濟比較,并以一臺運行壽命為 40a的 70MW混流式機組為例加以說明。①可量化的經濟價值。因降低維護成本、具有更高的可用性而減少發電廠停電,因減少摩擦和泄漏損失而提高效率。②不可量化的經濟價值。因環境友善、增加發電廠使用壽命以及降低健康與安全風險。通過幾個工程實例研究得知,水潤滑軸承的投資基本可在 2 a內收回,給顧客帶來很大的附加值。

1.7 社會效益

阿爾斯通水電公司開發的靜水潤滑軸承已安裝在 20多臺機組上,累計總運行時間超過 124 a。

第1個靜水潤滑軸承安裝在法國勒特呂埃勒(Le Truel)發電廠的一臺水泵水輪機(45 MW,450m水頭)上。該軸承已經與原有設備一起運行了 20多年。這證明了該系統高度可靠。顧客對水潤滑軸承的環境、效率和可用性反映良好。

塔斯馬尼亞(Tasmania)水電咨詢公司對于 4 a前在特雷瓦林(Trevallyn)發電廠投運的靜水潤滑軸承發表如下評論:

“該工程水潤滑軸承的效益包括無油的環境效益、簡化了水輪機和軸承設計、降低了靠近水輪機轉輪的軸承、新軸承也用作軸密封,因此消除了需要單獨水輪機軸密封的必要性”。“現在已經安裝了 2個軸承,第1個調試與運行已超過 12個月,第2個接近 12個月。自最初為保證足夠的流量和壓力而進行的調試試驗和供水調整以來,新軸承從未發生過任何故障,甚至在甩負荷期間也能應付接近水輪機飛逸的過速”。

1.8 實例

最近,在通阿提奈(Tungatinah)改造工程中,塔斯馬尼亞水電公司也要求阿爾斯通公司為塔斯馬尼亞電站 (裝機 31.5 MW,水頭 295 m,轉速 600r/min)安裝一個靜水潤滑軸承。該靜水潤滑軸承的直徑為 690mm,有 6個槽(圖 7)。工程做了以下技術改進:

(1)軸承體材料為鑄造不銹鋼;

(2)軸承體由螺栓連接的 2個部件構成。

2 靜水潤滑推力軸承

2.1 一般原理

如同對待導軸承那樣,阿爾斯通水電公司開發了一個系統,用靜水潤滑推力軸承替代傳統的油潤滑推力軸承。該推力軸承與靜水潤滑導軸承技術類似,沒有污染風險,且效率較高。

圖7 通阿提奈工程的靜水潤滑軸承

推力軸承的作用是支撐由水輪機各部件的重量和水推力產生的軸向荷載。推力軸承鏡板(圖 8)與軸相連,通過兩個板之間的水膜將軸向荷載傳遞到發電廠土建工程部件。

圖8 靜水潤滑推力軸承的原理

第1個靜水潤滑推力軸承是為法國的勒特呂埃勒工程制造的(電站裝機 45MW,水頭 450m),是一臺多級水泵水輪機。

推力軸承槽中所需供水取自壓力鋼管,如果所需水壓不夠,也可由增壓泵供水。水經過濾(采用水力旋離器和過濾器)并流至槽的孔口系統。旋轉鏡板與固定板之間的水膜產生軸向推力。圖 8表示靜水潤滑推力軸承的原理。

水推力軸承在起動階段和低速時期仍能發揮功能。無論軸轉速的高低,均能建立水膜。正常、暫態和異常條件下的功能得到保證。在失去供水的情況下,陶瓷涂層的鏡板和固定板可保護軸承系統。

2.2 油潤滑與水潤滑推力軸承的比較

現將導軸承的實例研究與推力軸承作一比較。在該實例中,目標是評價油和水潤滑推力軸承的總損耗。在正常情況下,軸的轉速和軸向推力分別為430r/min和 1800kN(表 2)。

在相同的軸向載荷下,水潤滑推力軸承的總損耗大大下降。而且,與油推力軸承不同,不需要冷卻系統,因為溫升為0.8℃。

表3表示油導軸承和推力軸承與水潤滑系統的比較。水潤滑導軸承和推力軸承的供水壓力相同。水潤滑導軸承和推力軸承的安裝可使損耗從 100kW降低至 25 kW。另外,還有組合供水回路和減小安裝空間的優點。

表2 等值軸向載荷的油潤滑和水潤滑推力軸承的比較

表3 水技術替代油技術的實例研究

2.3 安全和輔助設備

安裝了壓力傳感器、流量計、溫度探頭和位移傳感器用以檢測推力軸承的功能。位移傳感器檢測推力軸承 2個塊板之間的水膜厚度。如果出現任何異常事件,這些安全元件將會向數字控制系統發出報警和停機令。

與導軸承的情況一樣,陶瓷涂層保證了在失去供水情況下推力軸承的安全和使用壽命。推力軸承供水的技術與前面說明的靜水潤滑導軸承相似。

2.4 附加值

靜水潤滑推力軸承能提供與水導軸承系統可比的附加值:

(1)環境。沒有油推力軸承漏油的污染風險。

(2)效率。使用水潤滑,總損耗下降。溫升很小,不再需要冷卻系統。在勒特呂埃勒工程的原型機上計算與測量了損耗的降低,效率增加了0.3%。

(3)維護。供水系統與輔助設備的簡化減少了維護工作量。

(4)可用性。靜水潤滑推力軸承由于降低了維護工作,為發電廠提供了高水平的可用性。

3 結 語

靜水潤滑軸承和推力軸承能使發電廠運行人員以較高的效率和可靠性來生產清潔能源。油系統用水技術的替代,改進了發電廠的環境狀況以及生產效率,并降低了維護費用。