水輪機水潤滑軸承的應用及展望

王 鑒，王春雷

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

1 水潤滑軸承在水輪機上的應用背景

20世紀初，水輪機廣泛用作水力發電機組的原動機，其主軸導軸承主要采用稀油潤滑巴氏合金軸承。這種軸承為防止水浸入油中，在下部需設密封裝置。密封裝置故障頻繁，難以保證長期可靠運行，尤其是軸流式水輪機，軸承下部空間窄小，安裝維護難度更大。為簡化密封結構，多數采用干油潤滑軸承。直至20世紀中葉，歐洲、日本等國家生產的轉槳式水輪機仍采用干油潤滑軸承。用過的潤滑油不能收回，泄入水中，污染河流，引起人們的非議。

水潤滑軸承應用的歷史可追溯到和水輪機應用同樣遠古。是美國最先把船用螺旋槳的水潤滑軸承移植到水輪機上。后來，前蘇聯由于當時密封材質欠佳，水輪機應用稀油潤滑軸承矛盾突出，因而進行了大量應用研究，軸承材料初期采用鐵梨木，樺木疊層塑膠板等天然材料，由于吸水膨脹和對泥沙磨損敏感，后來采用橡膠。水潤滑橡膠軸承，在20世紀的50～70年代是前蘇聯大、中、小型水輪機導軸承的主導結構方案。

2 水潤滑軸承在水輪機上應用的經驗

水潤滑軸承是以結構簡單，且簡化了周邊裝置和部件而代替稀油潤滑軸承在水輪機上應用的。早在1935年列寧格勒金屬工廠在為莫斯科運河卡拉美舍夫電站提供的 1350kW 轉槳式水輪機，首先安裝了直徑為380mm的水潤滑橡膠導軸承[1]。水潤滑橡膠軸承的廣泛應用是對稀油潤滑軸承改造成功之后，由于其環保和結構簡單的優勢才得以推廣。對水潤滑橡膠軸承和稀油潤滑巴氏合金軸承進行比較，采用水潤滑橡膠軸承，取消下轉動油盆使軸承布置更靠近轉輪，減小轉輪的懸臂伸長度，增加了運行穩定性。稀油潤滑巴氏合金軸承由很多個零件構成，重量大，而水潤滑的橡膠軸承零件較少，重量較輕，節省了大量的加工工時。此外，還節省了大量潤滑油和運行中油的清理、再生處理等耗費，更重要的是減少了對河流的污染。

水潤滑橡膠軸承也是國際上水輪機最通用的一種結構型式。具有可以接受的耐磨性能、較低的摩擦系數和良好的運行質量，使用壽命約17～20年。國際上已積累了豐富的設計制造和運行維護經驗。我國在上世紀的50～70年代也廣泛應用，為水輪機導軸承的主要型式之一[2]。如單機容量300MW的白山水電站，采用水潤滑橡膠軸承，軸承規格為φ1620mm×880mm。運行至今，情況良好。

3 關于水潤滑軸承的潤滑和摩擦磨損問題

通過研究對水潤滑橡膠軸承在水輪機上代替稀油潤滑軸承的應用進行了許多試驗，證明了應用的可行性并加以推廣，但對橡膠軸承的摩擦理論研究沒有深入進行。

運行實踐表明，水潤滑橡膠軸承的軸瓦和軸頸都有不同程度的磨損，不如稀油潤滑軸承那樣穩定。認為水潤滑橡膠軸承運行中不能恒定地保持水動力潤滑膜，而是在混合摩擦范圍運行。根據雷諾方程，當給定軸承的尺寸和滑動速度時，在液體摩擦下運行，其承載能力與液體的粘度成正比與最小潤滑膜厚度的平方成反比，即p∝η/ho2

式中： p——軸承的承載能力，kN；

η——液體動力粘度，mm2/s；

ho——最小潤滑膜厚度，μm。

從軸承潤滑油和水的粘溫曲線上可以查到，當溫度為40℃時，油的動力粘度為68mm2/s，水的動力粘度為 0.65mm2/s。計算軸承在 40℃時，在液體摩擦狀態下承受同樣載荷時，最小水膜厚度和最小油膜厚度的關系為：

式中： hos——最小水膜厚度；

hoy——最小油膜厚度；

即水潤滑軸承最小水膜厚度約為油潤滑的 1/10。稀油潤滑軸承的間隙 δ，一般按 δ=0.15+0.2D/1000選取，設軸承直徑D=1000mm，則間隙δ=0.35mm，依此，水潤滑軸承間隙δs=0.35×0.098=0.034mm，顯然，直徑為1000mm的軸承，間隙為0.034mm是有困難的。設計實踐中水潤滑橡膠軸承的間隙并非像分析那樣選擇，而是取與稀油潤滑軸承相同或略小些。因此認為水潤滑橡膠軸承在運行中難以恒定保持液體潤滑膜，可能出現混合摩擦，磨損或多或少要發生。這是目前認為水潤滑軸承除水中含沙的磨粒磨損外，還發生摩擦磨損的理論根據。

實際上，上述按雷諾方程分析水潤滑橡膠軸承運行摩擦狀態有失偏頗，因為雷諾方程的前提是組成間隙的兩個固體表面是剛性的，而橡膠是軟性的。從圖1可以看出，油潤滑的巴氏合金軸承，軸瓦是剛性的，在載荷作用下，軸承潤滑間隙的幾何形狀由軸和軸承的幾何尺寸而定，則軸承的壓力特性曲線由此間隙形狀確定。而軟性的橡膠軸承受載后，橡膠變形，軸被壓入軟性的橡膠襯中，此時，測量不同轉速下的水膜壓力分布表明和通常的油潤滑的剛性軸承中壓力分布的特征相似，但是由于橡膠的彈性，最大壓力值分布平緩。橡膠軸承摩擦是液體的，這也可從圓周速度增加、摩擦系數降低和壓強增加摩擦損失比油潤滑金屬軸承增加慢的試驗資料得到證實。因此，所謂水潤滑橡膠軸承在混合摩擦范圍運行應是瞬時的，基本是液體摩擦。這些性能的進一步表述有待進一步研究。

圖1

4 展望水潤滑軸承結構、材料的應用

水輪機導軸承的主要形式有：稀油潤滑的巴氏合金軸承、干油(脂)潤滑的巴氏合金軸承和水潤滑軸承。其中，干油潤滑軸承到二十世紀中后期很少應用。水潤滑軸承，已成為典型的主導結構，后來隨著形勢變化，開始應用油潤滑軸承，盡管如此，在1960～1986年間列寧格勒金屬工廠和哈爾科夫透平廠等生產的大型轉槳式和混流式水輪機中，除為境外20多座電站按用戶要求提供油潤滑軸承外，有半數是采用水潤滑軸承，表明水潤滑軸承和稀油潤滑的巴氏合金軸承在水輪機上都有廣泛應用，各有長短。我國在二十世紀70年代以前廣泛采用水潤滑橡膠軸承，改革開放以來開始與油潤滑軸承對比，認為水潤滑橡膠軸承結構簡單、可靠，安裝檢修方便，但軸瓦與軸頸都有不同程度的磨損，支持剛度略差，不如油潤滑軸承運行穩定，此外，還受到水質條件限制，開始較少應用。目前，各國對環境高度重視，無污染或少污染的水潤滑軸承又受到青睞。

本文試圖通過綜合分析水潤滑軸承運行經驗，提出改進提高的具體措施，擴大其應用前景：

（1）關于潤滑水質

水潤滑軸承的潤滑冷卻水傳統的供應方案是：主水源取自水輪機蝸殼，經過濾器引至軸承水箱，備用水源取自電站的技術用水。但是過濾器不能保證軸承用水充分清潔，實踐證明，只有水中懸浮物不超過0.1 g/l的清水電站水潤滑軸承的磨損輕微，并有較長的使用壽命[2]。因此，認為水潤滑軸承的應用受到了電站水質的限制，不適用于渾水電站。

其實像黃河上劉家峽電站 300MW 機組，直徑為φ1620mm，如果采用水潤滑軸承，計算最大潤滑冷卻水量不超過20 l/s(實際還小很多)，因此，軸承的潤滑冷卻水的主水源完全可以取自電站的技術用水或生活用水，通過技術經濟論證是可行的。這就從根本上消除了軸承的磨粒磨損和電站水質的限制，保證了軸承更長的使用壽命。

（2）關于軸頸的磨損

傳統水潤滑軸承軸頸是采用不銹鋼板鑲焊在主軸上，然后和主軸一起加工，為不可拆的襯套。當出現磨損需運回制造廠上大設備修復。這是水潤滑軸承的缺點之一。豐滿電站某水輪機運行8年后，因軸頸磨損，運回制造廠修復不銹鋼襯套。這曾引起水電同行對水潤滑軸承的不放心。其實，該軸頸修復原因是與填料密封配合處磨損引起的，而與橡膠瓦配合處軸頸的磨損不太嚴重。目前水潤滑軸承上部采用不磨損主軸的端面平板密封，軸頸磨損檢修期將遠遠大于8年。推薦軸頸采用可拆卸的不銹鋼襯套結構代替鑲焊的不可拆不銹鋼襯套結構，完全不必運回制造廠修復，甚至可制成互換件，提供備品隨時更換免于修復。

（3）關于軸瓦磨損

傳統的水潤滑軸承為筒式結構，軸瓦磨損后允許背面加墊或更換軸瓦。軸瓦檢修周期較長，這樣的檢修方案并不復雜，也不存在困難。下面將推薦采用分塊瓦結構，橡膠分塊瓦的瓦塊硫化壓制后，瓦面可不再進行機械加工，因而瓦面可獲得更高的粗糙度等級，提高了瓦面的耐磨性能，此外，軸瓦可互換，只需按一定數量提供備品，便可取消瓦面修復手續，瓦面的磨損便不成問題。

（4）關于軸承材料

水潤滑軸承材料由天然的木質改為橡膠材料后，長期廣泛應用。近來有彈性金屬聚四氟乙烯塑料瓦、賽龍瓦和聚酰亞胺塑料瓦的水潤滑軸承在水輪機上應用，都著眼于采用自潤滑耐磨材料把水潤滑橡膠軸承的性能再提升一步。賽龍材料和彈性金屬聚四氟乙烯與橡膠材料的主要性能如表1所示。

表1

從表1中可以看出，彈性金屬聚四氟乙烯材料和賽龍材料的主要性能都優于橡膠，尤其是彈性金屬聚四氟乙烯材料，無論是水脹率、摩擦性能還是強度性能均有突出的優點，適合做軸承瓦面。哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電機）承制的俄羅斯茲姆列斯卡亞水輪機改造的水導軸承采用了聚四氟乙烯軸瓦，希望通過該項目進行嘗試，深入研究，從而獲得廣泛的應用。

（5）尋求合適的材料彈性模量

前面已經提到，稀油潤滑的巴氏合金軸承為剛性瓦襯，在載荷作用下軸心偏移，形成楔形潤滑間隙，其油膜壓力特性能被確定。而軟性瓦襯的橡膠軸承，在載荷作用下，軸被壓入橡膠瓦襯中，其水膜的壓力特性與油潤滑巴氏合金軸承相似，實測表明壓力較為平緩，其差別與材料的彈性模量有關。上面提到的采用聚四氟乙烯材料提高水潤滑軸承性能的試驗已在進行，應用彈性流體動力潤滑理論在水輪機導軸承壓強范圍內，研究最適宜的材料彈性模量，這是提高水潤滑軸承性能的一個重要方面。

（6）關于軸承結構

目前水輪機導軸承的主要型式有：稀油潤滑的筒式軸承和分塊瓦式軸承以及水潤滑的筒式軸承。早在1958年列寧格勒金屬工廠就提出了采用水潤滑橡膠分塊瓦導軸承。1967年哈爾科夫透平廠在為普良文水電站的水輪機上采用了減摩層為石墨-橡膠混合物的水潤滑分塊瓦導軸承[2]，如圖2所示，用兩條管路——主用和備用供水，運行中不盡人意。該廠未能及時提出解決措施，這種軸承便被擱置，放棄采用。但列寧格勒金屬工廠于 1971年在那爾夫斯克電站試用并于1974年在烏斯基-依里姆斯克水電站正式應用[4]。水輪機采用水潤滑分塊導軸承，雖然是從無到有的結構創新，但是，大量的油潤滑巴氏合金分塊瓦導軸承多年的運行經驗，不斷完善進步，已演變為典型的成熟結構，其經驗可以直接借鑒。

圖2 普朗文水電站水輪機軸承

眾所周知，分塊瓦導軸承，當主軸在中心旋轉時，即偏心值為零，主軸也受到來自各個分塊瓦的向心推力，使主軸運行穩定。而筒式導軸承在運轉中，只有主軸偏離幾何中心，即產生偏心值后，才承受來自軸瓦楔形間隙側的推力，這是分塊瓦軸承性能的優越性。水潤滑分塊瓦導軸承特別是大型機組，在生產制造、安裝調整、運行維護都優于筒式導軸承。

水潤滑分塊瓦導軸承，在大型水電機組的應用，更主要是由于水電站的設計專家們推出把機組推力軸承支架布置在水輪機頂蓋上，以縮小機組高度，節約電站建筑成本。例如前蘇聯的克拉斯諾雅爾斯克水電站就是這樣。此時，在推力軸承支架的內部布置導軸承和密封裝置，無論是油潤滑的筒式軸承和分塊瓦軸承以及水潤滑的筒式軸承都有困難。而采用水潤滑的分塊瓦軸承，因密封裝置簡化可以縮小高度尺寸，主軸不設軸領，徑向尺寸減小，如圖3所示，就完美地做到了結構緊湊，滿足了買方需要。該電站第一階段的低水頭運行，由于轉輪水力不平衡的動態作用力（超過計算值的 1.6倍）造成軸承體徑向振動達0.45～0.5mm，頂蓋達 0.2mm。對軸承的工作能力提出了嚴酷的考驗。理所當然地頻繁故障，頻繁處理，最終通過增加軸承體的剛度；加強軸承體和頂蓋的固定；加強分塊瓦的支承部件；增大墊塊接觸面的曲率半徑等措施得以完善。改進的水潤滑分塊瓦軸承已在該電站運行，證明它和目前廣泛應用的油潤滑筒式軸承，分塊瓦軸承和水潤滑的筒式軸承同樣是最可靠的軸承型式。該電站的密封通過改造也解決了調相運轉時的發熱失效。類似這種密封哈電機生產的大型水輪機已有運行經驗。

圖3 水潤滑橡膠自調整分塊瓦導軸承

5 小結

評價了水輪機稀油潤滑的巴氏合金軸承和水潤滑軸承。從水電機組的運行實踐中已經認識到，水輪機的軸承和密封屬于配套裝置。必須把軸承裝置、密封裝置、潤滑冷卻裝置都包括在內，即軸承系統，進行整體的綜合分析。這樣，水潤滑軸承系統比油潤滑軸承系統有以下優點：結構簡單、布置緊湊；事故率低，可靠性高；維護方便，檢修容易；水的熱容量大，冷卻效果好；水的粘度低，摩擦損失小。在此優點上，本文提出的改變潤滑冷卻水方式及結構改進的措施將進一步提高其摩擦磨損性能，擴大其應用。特別是，水電站用水方便，采用水潤滑軸承做到了因地制宜。應用對環境友好型材料，取消潤滑油，改變了水輪機油污染環境，符合環保理念。因此，在水輪機上有理由優先采用水潤滑軸承。特別是在大型水輪機上采用水潤滑分塊瓦軸承具有明顯的優點。

[1]阿?波?達威多夫, 等. 水輪機橡膠導軸承[M].1958.

[2]哈爾濱大電機研究所. 水輪機設計者手冊[M]. 北京：機械工業出版, 1976.

[3]J. M Water-lubricated Bearings in Hydraulic Machinery IAHR[C]. Symposium, 1986.

[4]關于水輪機橡膠軸承的設計和運行經驗[J]. 國外大電機, 2008, (1)：68-71.

[5]尼?尼?卡瓦廖夫. 水輪機[M]. 1971.

[6]吳新潤, 等. 水電站機電設備手冊[M]. 哈爾濱：黑龍江科學技術出版社, 1991.

[7]黃源芳. 水電機組修復與現代化改造[M]. 北京：長江出版社, 2008.