新型重載低速導(dǎo)軸承的研究及在清水塘水電站的應(yīng)用

東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司 吳金水

湖南辰溪清水塘水電開發(fā)有限責(zé)任公司 范文勝

0. 前言

近年來燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組向大容量、大尺寸的方向發(fā)展。由于燈泡貫流式電站的低水頭特性，機(jī)組的轉(zhuǎn)速較低，大多都在150r/min以下。因?yàn)闄C(jī)組的低轉(zhuǎn)速特性，在機(jī)組向大容量化發(fā)展時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)動部件的重量大幅增加。而常規(guī)燈泡貫流式機(jī)組為臥式布置，使承載轉(zhuǎn)動部件重力的徑向?qū)лS承成為燈泡貫流式機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。

按照常規(guī)的看法，燈泡式機(jī)組單個(gè)導(dǎo)軸承的荷載一般在170t以下。因此在20世紀(jì)90年代初期以前，燈泡貫流式機(jī)組的軸系采用兩導(dǎo)軸承時(shí)，單機(jī)容量一般在30MW以下。當(dāng)單機(jī)容量超過30MW以上時(shí)，一般需采用三導(dǎo)軸承的軸系結(jié)構(gòu)以減輕單個(gè)導(dǎo)軸承的荷載。

但是相對于三導(dǎo)軸承，兩導(dǎo)軸承具有機(jī)組總體結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安裝調(diào)整檢修方便、造價(jià)低等優(yōu)勢，因此在可能的情況下都會盡力避免使用三導(dǎo)軸承。兩導(dǎo)軸承的燈泡機(jī)組中布置見圖1。

經(jīng)過國內(nèi)外各制造廠的持續(xù)努力，最近十年，雙導(dǎo)軸承機(jī)組的應(yīng)用已擴(kuò)展到45MW級以上的燈泡貫流機(jī)組，單導(dǎo)軸承的實(shí)際荷載達(dá)到了190-200t級。

圖1 燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)軸承布置

清水塘水電站機(jī)組的功率為32MW，但機(jī)組的轉(zhuǎn)速僅為62.5r/min，屬于大容量、特低轉(zhuǎn)速的燈泡機(jī)組。而且發(fā)電機(jī)的GD2又較大，如采用兩導(dǎo)軸承的軸系設(shè)計(jì)方案，發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承的荷載將達(dá)到230t，已大大超出常規(guī)兩導(dǎo)軸承軸系的應(yīng)用范圍以及單個(gè)導(dǎo)軸承的允許承載力。而采用三導(dǎo)軸承軸系的設(shè)計(jì)方案時(shí)會使機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝維護(hù)不便以及造價(jià)高。

因此，在清水塘水電站的機(jī)組上，有必要攻克世界性的技術(shù)難題，創(chuàng)新、開發(fā)出適應(yīng)荷載重、轉(zhuǎn)速低的燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)軸承。

1. 針對清水塘水電站重載、低速導(dǎo)軸承的開發(fā)研究

清水塘水電站位于湖南省辰溪縣境內(nèi)，是沅水干流梯級開發(fā)中湖南省境內(nèi)第六級電站。電站裝有4臺單機(jī)容量為32MW的低水頭燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為128MW。

根據(jù)清水塘水電站發(fā)電機(jī)的初步設(shè)計(jì)結(jié)果，我們將重載導(dǎo)軸承的開發(fā)目標(biāo)定為：荷載230t。考慮到國內(nèi)也只有極少數(shù)幾個(gè)電站的導(dǎo)軸承實(shí)際負(fù)荷達(dá)到將近200t，而且機(jī)組轉(zhuǎn)速也相對較高。因此，本課題的重載、低轉(zhuǎn)速導(dǎo)軸承的創(chuàng)新開發(fā)難度和首先在大容量機(jī)組上使用都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

1.1 新型導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)形式的確定

考慮到機(jī)組總體結(jié)構(gòu)布置的限制，燈泡機(jī)組發(fā)電機(jī)側(cè)的導(dǎo)軸承，一般都采用與正向推力軸承、反向推力軸承組合成緊湊、復(fù)雜的組合軸承。而待開發(fā)的新型重載導(dǎo)軸承要求不能與成熟的原傳統(tǒng)型組合軸承結(jié)構(gòu)形式有沖突，或者說原組合軸承的總體結(jié)構(gòu)形式不允許作大的改變。

初步分析表明，對清水塘導(dǎo)軸承也無法采用原傳統(tǒng)圓筒形導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的簡單延長設(shè)計(jì)，因?yàn)楹唵蔚难娱L設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)軸承的尺寸很大、潤滑參數(shù)不合理、過大的導(dǎo)瓦和支撐體的熱變形和受力變形使導(dǎo)瓦的偏心量和瓦間隙等難以合理選取，以及大尺寸的圓筒型導(dǎo)瓦制造困難等諸多問題。

在作了區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多種結(jié)構(gòu)方案的參數(shù)可靠性、結(jié)構(gòu)可行性以及制造的可能性等綜合研究對比后，基本確定了新型導(dǎo)軸承采用分塊、雙排、固定式、塑料滑動面的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該構(gòu)造特點(diǎn)如下：

(1)以周向及軸向分割的多塊扇型瓦結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的圓筒型瓦結(jié)構(gòu)；

(2)滑動面材料采用PTFE塑料；

(3)采用通常的強(qiáng)制給油方式。

而對于燈泡貫流式機(jī)組的導(dǎo)軸承，采用雙排、固定扇形分塊瓦、塑料滑動面都是創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)。

圖2 導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

1.2 新型導(dǎo)軸承的潤滑解析

確定新型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)形式后，根據(jù)近似業(yè)績和導(dǎo)軸承基本參數(shù)可以初步確定導(dǎo)軸承及相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)尺寸。為了驗(yàn)證新型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和軸承潤滑冷卻的可靠性，采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對導(dǎo)軸承采用油膜彈性流體潤滑機(jī)理進(jìn)行CFD潤滑解析，以理論證明新型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)的科學(xué)性。模型見圖3。

對導(dǎo)軸承的潤滑解析，得到瓦的變形、溫度分布、油膜壓力分布、油膜厚度分布等。根據(jù)解析的結(jié)果分析，優(yōu)化導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)尺寸，并再次進(jìn)行潤滑解析，如此循環(huán)，最終得出較為合理的結(jié)構(gòu)尺寸方案。

圖3 導(dǎo)軸承模型

對新型導(dǎo)軸承的基本參數(shù)和解析條件如下：

導(dǎo)軸承荷載：230 ton；

主軸轉(zhuǎn)速： 62.5 r/min；

主軸直徑： 1200mm；

潤滑油牌號：ISO-VG68；

給油溫度： 40℃；

對導(dǎo)軸承在不同的設(shè)計(jì)間隙和不同轉(zhuǎn)速工況下，潤滑解析結(jié)果的特征參數(shù)列表對比如表1。

?

上述解析結(jié)果表明，最終確定的導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)參數(shù)是完全可行的。

以下圖4、圖5、圖6是3號瓦在額定轉(zhuǎn)速下瓦間隙為0.65mm時(shí)，導(dǎo)軸瓦油膜厚度、油膜壓力、油膜溫度潤滑三特性的解析結(jié)果，以及圖7所示55%過速下的油膜分布。

潤滑解析結(jié)果說明，機(jī)組在額定狀態(tài)下導(dǎo)軸承油膜的最高溫度不超過90℃，平均約65℃，導(dǎo)軸承瓦面負(fù)載中心的油膜厚度在45μm以上，油膜厚度在最小點(diǎn)也有約20μm。由于在導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)上采取了創(chuàng)新的固定雙排瓦以及塑料滑動面結(jié)構(gòu)，并且優(yōu)化了導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)配合尺寸，使各瓦面上油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力的分布均呈合理的狀態(tài)。

因此，雖然清水塘水電站發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承的荷載達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的230t、額定轉(zhuǎn)速低至62.5r/min，但從解析結(jié)果的理論上證明，該導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)的潤滑參數(shù)是合理可行的。

2. 新型導(dǎo)軸承的模型試驗(yàn)

2.1 考慮到清水塘水電站采用的導(dǎo)軸承為創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式，而且導(dǎo)軸承荷載也是創(chuàng)紀(jì)錄的。雖然潤滑解析計(jì)算從理論上證明了新型導(dǎo)軸承的可行性和合理性，但從保證機(jī)組能順利投產(chǎn)、長期安全、可靠運(yùn)行的角度出發(fā)，有必要對新型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軸承進(jìn)行模型試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

2.2 模型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)、尺寸按與真機(jī)導(dǎo)軸承的特征參數(shù)——索末菲數(shù)相一致的真機(jī)1/2的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。下表2列舉了真機(jī)導(dǎo)軸承與模型導(dǎo)軸承的相關(guān)尺寸、參數(shù)對比。

圖4 油膜厚度分布

圖5 油膜壓力分布

圖6 油膜溫度分布

圖7 過速油膜厚度分布

表2 真機(jī)和驗(yàn)證模型用導(dǎo)軸承的基本參數(shù)對此

圖8 模型導(dǎo)軸承試驗(yàn)裝置

2.3 模型導(dǎo)軸承試驗(yàn)

模型導(dǎo)軸承試驗(yàn)裝置如圖8，它可以按要求通過下加載方式施加不同的徑向荷載，主軸通過調(diào)速馬達(dá)直接驅(qū)動。導(dǎo)軸承運(yùn)行狀態(tài)的檢測通過渦流傳感器測量主軸的上浮和水平位移來監(jiān)測油膜的厚度，用埋置在模型導(dǎo)瓦體上不同位置、不同深度的測溫元件測量導(dǎo)軸承的運(yùn)行溫度。

2.4 對模型導(dǎo)軸承進(jìn)行試驗(yàn)的基本項(xiàng)目是額定工況、飛逸轉(zhuǎn)速、30%低轉(zhuǎn)速30min持續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)等。

模型導(dǎo)軸承在額定工況下試驗(yàn)時(shí)主軸的軸位移情況見圖9。從試驗(yàn)結(jié)果看，反映運(yùn)行時(shí)油膜厚度的主軸上浮量為46-50μm，和理論潤滑解析的結(jié)果相一致。

圖9 模型導(dǎo)軸承試驗(yàn)的軸位移

模型導(dǎo)軸承在額定工況試驗(yàn)時(shí)下端瓦各測點(diǎn)的溫度見圖10。供油溫度：40℃，環(huán)境溫度：25℃。

圖10 各測點(diǎn)瓦溫

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，模型導(dǎo)軸承在額定狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定，軸承溫度、油膜形成厚度等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)良好。

飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的突然提速和降速，雖然軸承溫度及油膜厚度隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，軸瓦的溫度有4-5℃的升高，見圖11，但并沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)軸承繼續(xù)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。

圖11 飛逸試驗(yàn)下導(dǎo)軸承溫度

另外對模型導(dǎo)軸承在無高壓頂起供油的情況下進(jìn)行30%低轉(zhuǎn)速30min連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)也表明，穩(wěn)定的油膜厚度為18μm。由于導(dǎo)軸瓦滑動面采用了PTFE塑料，長時(shí)間的低轉(zhuǎn)速、低油膜運(yùn)行也非常穩(wěn)定。試驗(yàn)后對導(dǎo)軸承滑動面和轉(zhuǎn)軸表面進(jìn)行了檢查，均呈完好的原始光潔狀態(tài)。

新型導(dǎo)軸承的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了導(dǎo)軸承的潤滑解析結(jié)果，并以試驗(yàn)證明新型導(dǎo)軸承所確定的結(jié)構(gòu)、尺寸和各設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的。

3. 新型導(dǎo)軸承在清水塘水電站的應(yīng)用

新型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)確定、理論解析并經(jīng)模型導(dǎo)軸承運(yùn)行試驗(yàn)的成功驗(yàn)證，最終確定了在清水塘水電站燈泡貫流式機(jī)組上采用該創(chuàng)新的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)。

前期進(jìn)行的新型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、潤滑冷卻解析、以及模型導(dǎo)軸承的模擬運(yùn)行試驗(yàn)，都是從理論上進(jìn)行驗(yàn)證。而實(shí)際導(dǎo)軸承運(yùn)行的可靠性還和制造、組裝、安裝調(diào)整、現(xiàn)場環(huán)境、運(yùn)行條件等各種綜合因素都有密切的關(guān)系，因此真機(jī)運(yùn)行的考驗(yàn)才是檢驗(yàn)新型導(dǎo)軸承技術(shù)是否成功的最有效、最終的依據(jù)。

在著手新型導(dǎo)軸承研究約兩年后，清水塘水電站首臺機(jī)組于2008年9月底完成72h試運(yùn)行，試運(yùn)行期間對新型導(dǎo)軸承進(jìn)行了各種試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明導(dǎo)軸承各項(xiàng)參數(shù)合理、穩(wěn)定，并且與理論解析以及模型試驗(yàn)結(jié)果相吻合。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)束機(jī)組隨后投入正式的商業(yè)運(yùn)行。

清水塘機(jī)組發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)后導(dǎo)軸承的實(shí)際基本參數(shù)為：導(dǎo)軸承荷載：220t，額定轉(zhuǎn)速：62.5r/min; 大軸直徑：1200mm。

首臺機(jī)組72h試運(yùn)行的前5h導(dǎo)軸承運(yùn)行數(shù)據(jù)如下表3，運(yùn)行溫度曲線如圖12。

清水塘電站首臺機(jī)組投運(yùn)后，其它機(jī)組也陸續(xù)投入運(yùn)行，其中最后一臺4#機(jī)組在2009年8月底投入商業(yè)運(yùn)行。電站四臺機(jī)組先后投入運(yùn)行后，新型導(dǎo)軸承的運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良、穩(wěn)定。 各臺機(jī)組的運(yùn)行情況表明，各項(xiàng)性能指標(biāo)全面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，得到用戶的高度贊揚(yáng)。

4. 新型導(dǎo)軸承的應(yīng)用前景

應(yīng)用于清水塘水電站的新型重載低速導(dǎo)軸承的研制前后歷時(shí)兩年多時(shí)間。制造廠、電站業(yè)主面對全新結(jié)構(gòu)和荷載創(chuàng)紀(jì)錄的雙重重大挑戰(zhàn)，經(jīng)過多方艱苦努力，從導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、潤滑解析、模型試驗(yàn)到實(shí)際運(yùn)行都取得豐富的成果。

本課題最終采用的新型導(dǎo)軸承中有多項(xiàng)技術(shù)和結(jié)構(gòu)形式為國內(nèi)外首創(chuàng)，清水塘機(jī)組導(dǎo)軸承的運(yùn)行情況表明，課題的研究取得了圓滿成功。

新型導(dǎo)軸承同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造難度適中、可取消高壓油頂起裝置、運(yùn)行安全可靠、荷載大等優(yōu)點(diǎn)，在大型燈泡貫流式機(jī)組上具有廣闊的應(yīng)用前景，也為解決巨型燈泡貫流式機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖12 真機(jī)導(dǎo)軸承初始運(yùn)行溫度

表3 新型導(dǎo)軸承初始運(yùn)行數(shù)據(jù)

[1]吳金水，南波聰，三上誠著，燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組用重載塑料導(dǎo)軸承開發(fā)，第二屆水力發(fā)電國際會議論文集