筒式水導(dǎo)軸承瓦溫度偏高的分析與處理

郭江

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川都江堰 611830)

1 概述

某水電站位于四川省康定縣境內(nèi)的大渡河支流上，裝機(jī)容量2×48 MW。發(fā)電機(jī)為懸垂式密閉循環(huán)空氣冷卻同步發(fā)電機(jī)，型號(hào):SF48-14/4650;水輪機(jī)為立軸、水斗沖擊式，型號(hào)為:CJA237-L-215/6×16.5。主機(jī)設(shè)備廠家:昆明水輪發(fā)電機(jī)廠。

推力軸承為聚四氟乙稀塑料瓦，上導(dǎo)和下導(dǎo)為巴氏合金分塊瓦。

水導(dǎo)軸承為巴氏合金筒式瓦F950。D=950 mm，H=350 m，設(shè)計(jì)軸承與軸頸間隙為0.2～0.3 mm(單邊)。冷卻器為φ17銅管，分為四層，上三層為4根，第四層為2根，分成兩半布置在φ1300的油盆里。軸承位置見圖1。

圖1 軸承示意圖

2 實(shí)際安裝中出現(xiàn)的問題

(1)盤車下導(dǎo)和水導(dǎo)處凈擺度值見表1。

盤車數(shù)據(jù)按“規(guī)范”0.02 mm/m 驗(yàn)證，下導(dǎo)數(shù)據(jù)有較小的超標(biāo)，但考慮到下導(dǎo)與水導(dǎo)最大點(diǎn)存在錯(cuò)點(diǎn)問題且下導(dǎo)瓦為分塊瓦，綜合分析后報(bào)經(jīng)監(jiān)理和設(shè)備廠家同意決定不再做削墊盤車處理。

表1 盤車下導(dǎo)和水導(dǎo)處凈擺度值表 /mm

(2)水導(dǎo)瓦與軸頸間隙檢查數(shù)據(jù)見表2。

表2 水導(dǎo)瓦與軸頸間隙檢查數(shù)據(jù)表 /mm

設(shè)備廠家設(shè)計(jì)的水導(dǎo)軸承總間隙為0.4～0.6 mm。

由于水導(dǎo)軸承的實(shí)際間隙小于設(shè)備廠家設(shè)計(jì)的下限且水導(dǎo)軸承橢圓度偏大，安裝單位在安裝過程中將該問題向監(jiān)理、業(yè)主提出，由監(jiān)理主持與設(shè)備廠家磋商，但設(shè)備廠家的設(shè)計(jì)人員堅(jiān)持從機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性考慮認(rèn)為該水導(dǎo)瓦合格，不作處理并書面否定了安裝單位提出的問題，監(jiān)理和業(yè)主采納了設(shè)備廠家設(shè)計(jì)人員的意見，同意暫時(shí)不做任何處理。各導(dǎo)軸瓦安裝成果見表3。

表3 各導(dǎo)軸瓦安裝成果表 /mm

(3)機(jī)組運(yùn)行工況。

水輪發(fā)電機(jī)組空轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行6 h 后機(jī)組各軸承溫度穩(wěn)定后的記錄見表4，運(yùn)行時(shí)間為當(dāng)年的11月。對(duì)應(yīng)瓦溫記錄值運(yùn)行工況下機(jī)組的振動(dòng)、擺度見表5。

表4 各軸承試運(yùn)行時(shí)溫度表 /℃

3 問題分析

設(shè)備廠家提供的瓦溫保護(hù)技術(shù)資料要求:上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承報(bào)警溫度為65℃，停機(jī)溫度為70℃。上述空載運(yùn)行中水導(dǎo)瓦溫臨界于報(bào)警溫度。考慮到機(jī)組僅為空載運(yùn)行，機(jī)組在帶負(fù)荷后軸向力會(huì)增大從而造成水導(dǎo)軸承溫度上升，加之以上工況為冬季環(huán)境溫度(廠房?jī)?nèi)溫度為10℃左右)，夏季環(huán)境溫度會(huì)提高許多(廠房?jī)?nèi)溫度約為26℃左右)，環(huán)境溫度的升高會(huì)造成水導(dǎo)軸承溫度升高。綜上分析后認(rèn)為，該水導(dǎo)軸承空載運(yùn)行的溫度過高，遂暫停進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)。經(jīng)業(yè)主會(huì)同設(shè)備廠家、監(jiān)理、安裝單位協(xié)商決定，必須對(duì)水導(dǎo)軸承溫度進(jìn)行處理。

表5 機(jī)組振動(dòng)、擺度表 /mm

(1)對(duì)水導(dǎo)軸承冷卻器的冷卻效果進(jìn)行分析。

①水導(dǎo)軸承摩擦功發(fā)熱量驗(yàn)算:

式中 K 為間隙比沙麥爾德系數(shù)，經(jīng)計(jì)算查表取K 為1.4;ц為圓周速度;L 為軸承高度;δ為水導(dǎo)瓦最小間隙，0.31 mm;D 為水導(dǎo)軸直徑，950 mm;η為運(yùn)行粘度系數(shù)，LTSA46水輪機(jī)油為60℃時(shí)摩擦運(yùn)行粘度系數(shù)為0.002186 kg·s/m2。

機(jī)組轉(zhuǎn)速為:426.8 rpm/min;

軸承高度L=0.35 m。

將以上數(shù)值代入公式進(jìn)行驗(yàn)算，得水導(dǎo)軸承發(fā)熱量功率為:

②對(duì)冷卻器冷卻銅管進(jìn)行驗(yàn)算:

按經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式L=14πD 計(jì)算，水輪機(jī)稀油筒式軸承管內(nèi)流速為1.2～1.5 m/s，冷卻銅管φ17每kW 功取1.2～2 m。

當(dāng)取2 m 進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，銅管長(zhǎng)度L=2 W=85.85 m;取1.2 m 驗(yàn)算，L=52 m。油冷卻器冷卻銅管長(zhǎng)度計(jì)算為:

(2)該電站冷卻器為分瓣連接，實(shí)際銅管長(zhǎng)度不足上式計(jì)算長(zhǎng)度，約為53 m 左右。通過以上計(jì)算表明:該機(jī)組冷卻器的冷卻功率基本上在冷卻器效率的下臨界點(diǎn)上，加之技術(shù)供水等外部原因，致使該機(jī)水導(dǎo)軸承溫度偏高。該機(jī)組水導(dǎo)冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，散熱條件有限，油冷卻器冷卻容量與水導(dǎo)軸承的發(fā)熱量不匹配，偏小。為此，安裝單位提出了兩套解決方案:①增設(shè)水導(dǎo)軸承外冷卻器以增大冷卻效果。②加工水導(dǎo)筒式軸承，增大軸承油膜間隙，減小水導(dǎo)軸承的發(fā)熱量，從而降低運(yùn)行溫度。

方案分析比較:

方案①:由于水輪機(jī)室結(jié)構(gòu)緊湊，空間位置上增加冷卻器容量比較困難，加之增加冷卻器需要在水導(dǎo)軸承油盆上開孔，同時(shí)要修改擋油板的結(jié)構(gòu)，從而改變油路循環(huán)路徑，工程量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且處理周期約為8個(gè)工作日。經(jīng)濟(jì)性分析:業(yè)主詢價(jià)購置外置冷卻器約為7000元，加工處理改造油盆費(fèi)用約為35000元。

方案②:不對(duì)油盆進(jìn)行改造，不改變?cè)O(shè)備廠家的設(shè)備構(gòu)造。處理時(shí)間:拆除約0.5個(gè)工作日，送出加工4個(gè)工作日，返回安裝約為1個(gè)工作日，總計(jì)5.5個(gè)工作日。經(jīng)濟(jì)性分析:拆除費(fèi)用約為5000元，加工和運(yùn)輸費(fèi)用約為3500元。風(fēng)險(xiǎn):可能造成機(jī)組的穩(wěn)定性下降，機(jī)組擺度增加。

在對(duì)兩方案進(jìn)行比較分析后業(yè)主決定:對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行車床加工，增大水導(dǎo)瓦間隙并修圓，以解決水導(dǎo)瓦軸承溫度過高的問題。

4 問題的處理

根據(jù)業(yè)主的決定，安裝單位將水導(dǎo)軸承拆除，上車床加工，將導(dǎo)軸承總間隙控制在0.52 mm 左右。加工完成后再次回裝，測(cè)得水導(dǎo)軸承實(shí)際間隙見表6。

表6 水導(dǎo)軸承實(shí)際間隙表 /mm

機(jī)組帶負(fù)荷(36 MW。由于是冬季，水量不足，無法帶滿負(fù)荷運(yùn)行)運(yùn)行穩(wěn)定后的工況見機(jī)組軸瓦溫度(表7)、機(jī)組振動(dòng)擺度運(yùn)行工況(表8)。

將處理后的間隙代入式(1)進(jìn)行驗(yàn)算:

表7 機(jī)組軸瓦溫度表 /℃

表8 機(jī)組振動(dòng)擺度運(yùn)行工況表 /mm

再代入式(2)進(jìn)行驗(yàn)證得知，冷卻器能夠保證軸承的功率要求。

從實(shí)際運(yùn)行情況和理論驗(yàn)證看，通過對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行加工，增大了瓦隙，解決了水導(dǎo)軸承冷卻效果不足的問題，也保證了機(jī)組的穩(wěn)定性能。從處理的周期上看節(jié)約了時(shí)間，從經(jīng)濟(jì)上看為業(yè)主節(jié)省了處理的開支，更為重要的是讓業(yè)主提前了發(fā)電的時(shí)間，贏得了收益。

第二臺(tái)機(jī)組水導(dǎo)軸承的間隙與第一臺(tái)機(jī)組一樣偏小，根據(jù)第一臺(tái)機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，在機(jī)組啟動(dòng)前即對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行了加工處理。第二臺(tái)機(jī)組在啟動(dòng)試驗(yàn)中各道軸承溫度一次性試驗(yàn)合格。

該電站在第二年夏季帶滿負(fù)荷運(yùn)行中，兩臺(tái)機(jī)組各水導(dǎo)軸承溫度正常，振動(dòng)、擺度正常。

5 結(jié)語

筒式軸承由于加工簡(jiǎn)單，運(yùn)行中穩(wěn)定性好，在機(jī)電行業(yè)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。但筒式軸承間隙的大小與機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)系密切，間隙大了，機(jī)組穩(wěn)定性較差;間隙小了，機(jī)組軸承冷卻器的容量必須增大，相應(yīng)油盆的結(jié)構(gòu)尺寸也增大。

在處理類似由于軸承間隙過小、軸承溫度偏高的問題中，改進(jìn)油流途徑、增加冷卻器容量、增大軸承間隙均有一定效果。但增加冷卻器容量，中小型機(jī)組由于空間問題一般較難且施工工藝復(fù)雜;增大軸承間隙相對(duì)而言工藝簡(jiǎn)捷、處理周期短。該工藝值得同行在處理類似問題中借鑒。