自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用

王 俊，王秋楊，洪旭剛

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 前言

自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻技術(shù)因其有軸承熱油取油位置好，自身?yè)p耗低，省去外加泵等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于常規(guī)大型水輪發(fā)電機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)軸承冷卻。特別是在三峽機(jī)組上的成功應(yīng)用使其逐漸被國(guó)內(nèi)行業(yè)所認(rèn)可。該項(xiàng)技術(shù)也被大量應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組，如白蓮河、張河灣、黑麋峰、蒲石河、響水澗等電站。本文以蒲石河電站機(jī)組應(yīng)用為例介紹自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)，為該型軸承冷卻系統(tǒng)科學(xué)合理應(yīng)用提供參考依據(jù)。蒲石河發(fā)電電動(dòng)機(jī)軸承采用半傘式結(jié)構(gòu)，推力下導(dǎo)組合軸承冷卻就是應(yīng)用自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻技術(shù)。

1 結(jié)構(gòu)及原理

自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由推導(dǎo)組合軸承、自泵型導(dǎo)瓦、集油環(huán)管、外置油水冷卻器及其連接管路組成。此處導(dǎo)瓦不是普通導(dǎo)瓦，而是特殊設(shè)計(jì)的自泵型導(dǎo)瓦，如圖1所示。自泵型導(dǎo)瓦為整個(gè)冷卻系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力，決定冷卻系統(tǒng)的冷卻性能，因此有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

以一塊普通導(dǎo)瓦為基礎(chǔ)，在導(dǎo)瓦與滑轉(zhuǎn)子接觸表面從外側(cè)沿滑動(dòng)方向開(kāi)有一定深度、寬度和長(zhǎng)度的油槽。然后從導(dǎo)瓦下部向上開(kāi)一圓筒型內(nèi)空腔，高度與油槽上邊緣齊平，再?gòu)拈_(kāi)好的油槽表面末端沿垂直表面方向開(kāi)與油槽寬度相同的豎槽縫與內(nèi)空腔連通。所有導(dǎo)瓦內(nèi)空腔出口通過(guò)泵盒與集油環(huán)管連接，集油環(huán)管總進(jìn)出油口分別與外置油水冷卻器進(jìn)出油口連接后構(gòu)成整個(gè)冷卻系統(tǒng)。

圖1 自泵型導(dǎo)瓦

因抽水蓄能機(jī)組正反向旋轉(zhuǎn)，自泵型導(dǎo)瓦必須具備正反向運(yùn)轉(zhuǎn)功能。油槽和內(nèi)空腔相連結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)瓦垂直中心線對(duì)稱設(shè)置，使導(dǎo)瓦正反向運(yùn)行都能產(chǎn)生相同的泵吸功能。為保證機(jī)組正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油流向一致，在導(dǎo)瓦下部連接一個(gè)泵盒（如圖2），泵盒內(nèi)部與導(dǎo)瓦內(nèi)空腔連接部位安裝兩個(gè)逆止閥，逆止閥共用一個(gè)出口連接到集油環(huán)管。

圖2 泵盒

外置油水冷卻器有管式、板式等結(jié)構(gòu)形式。通常布置在發(fā)電機(jī)機(jī)墩外側(cè)，通過(guò)潤(rùn)滑油總管與軸承油箱連接。冷卻器無(wú)論采取哪種形式，當(dāng)冷卻水流量和溫度確定后，對(duì)潤(rùn)滑油冷卻效果影響最大的因素就是潤(rùn)滑油的流量了。

圖3 外置油水冷卻器

自泵型導(dǎo)軸承安裝完畢后，導(dǎo)瓦表面油槽和滑轉(zhuǎn)子表面形成油槽縫隙，其功能就像一個(gè)“泵腔”。當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)?dǎo)瓦附近的熱油吸進(jìn)泵腔，通過(guò)豎槽縫進(jìn)入內(nèi)空腔，然后經(jīng)過(guò)逆止閥通過(guò)泵盒出口匯入集油環(huán)管到達(dá)外置油水冷卻器，熱油經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻后回到軸承油箱底部。因?qū)咛幱谳S承油箱的上部，上部的熱油不斷地被送到冷卻器，油箱底部的冷油將不斷上升參與推力瓦、導(dǎo)瓦的潤(rùn)滑冷卻。這就是自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作原理。

2 機(jī)組空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)

檢驗(yàn)軸承冷卻系統(tǒng)性能最有效的手段就是在機(jī)組調(diào)試期間進(jìn)行熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)因水輪機(jī)水力作用較復(fù)雜，致使機(jī)組各軸承運(yùn)行工況較為惡劣。機(jī)組空載運(yùn)行期間，軸承振動(dòng)擺度值較其他工況大，各軸承瓦溫也較其他工況高。因此是檢驗(yàn)機(jī)組軸承各項(xiàng)指標(biāo)的最好時(shí)機(jī)。

機(jī)組空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)就是發(fā)電機(jī)在空載狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行直到各軸承瓦溫度、潤(rùn)滑油溫度不再升高，達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，記錄過(guò)程中軸承各導(dǎo)瓦、推力瓦瓦溫、油溫以及軸承振動(dòng)擺度等指標(biāo)的試驗(yàn)。按照慣例，該試驗(yàn)一般進(jìn)行約4h，此時(shí)機(jī)組各軸承瓦溫及潤(rùn)滑油溫度不再發(fā)生變化，趨于穩(wěn)定。期間如果軸承所有瓦溫均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，說(shuō)明冷卻系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

單就冷卻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)過(guò)程中外置油水冷卻器冷卻水的流量和溫度因變化較小認(rèn)為是恒定不變的。循環(huán)潤(rùn)滑油的流量也因自泵型導(dǎo)瓦油槽尺寸固定和機(jī)組轉(zhuǎn)速不變也被認(rèn)為是不變的。在此過(guò)程中變化的量有推力瓦溫度、導(dǎo)瓦溫度、軸承油槽溫度、冷卻器進(jìn)口熱油和冷油溫度、冷卻器冷卻水出口溫度。

因此通過(guò)熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)可以得到冷卻系統(tǒng)在一定冷卻水溫度和流量的條件下，其他所有瓦溫和油溫的變化趨勢(shì)曲線。然后對(duì)這些變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，研究冷卻系統(tǒng)的工作性能。

3 冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行

蒲石河電站發(fā)電機(jī)推力下導(dǎo)組合軸承自泵型導(dǎo)瓦，設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油流量為189m3/h。外置冷卻器設(shè)計(jì)冷卻水流量為 123m3/h，冷卻水冷水溫度設(shè)計(jì)值為 25℃。在保證所有瓦溫小于75℃的條件下，潤(rùn)滑油溫升為7.7℃，冷卻水溫升為4.6℃。

表1為蒲石河某臺(tái)機(jī)組進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)推力下導(dǎo)軸承冷卻系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1說(shuō)明冷卻系統(tǒng)基本參數(shù)滿足設(shè)計(jì)條件時(shí)（潤(rùn)滑油流量稍大于設(shè)計(jì)流量），軸承冷卻系統(tǒng)能夠滿足軸承冷卻要求，驗(yàn)證了冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

4 冷卻系統(tǒng)異常運(yùn)行

軸承冷卻系統(tǒng)正常工作往往不能體現(xiàn)出冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵原理，只有通過(guò)對(duì)事故運(yùn)行事例的分析才能對(duì)自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作原理有深刻的理解。

表1 正常工況下空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

蒲石河電站另一臺(tái)機(jī)組在進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)生瓦溫突升事故。該機(jī)在熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)行約2h之后，在所有導(dǎo)瓦和推力瓦溫度基本趨于穩(wěn)定的時(shí)候，某塊下導(dǎo)瓦溫度在3min之內(nèi)突然從71.0℃躍升到75.5℃，指揮部果斷下達(dá)命令緊急停機(jī)。表2為該機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 下導(dǎo)瓦瓦溫突升時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，盡管冷卻水流量符合設(shè)計(jì)要求，冷卻水溫度只有 3.81℃，但下導(dǎo)瓦平均溫度仍高達(dá)63.84℃。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，軸承油箱油溫和潤(rùn)滑油熱油溫度并不是很高，相反對(duì)比其他機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)還較低。初步懷疑導(dǎo)致事故發(fā)生最直觀的因素就是潤(rùn)滑油流量偏低，只有100m3/h。在隨即展開(kāi)的事故原因分析過(guò)程中，主要圍繞這一因素進(jìn)行排查工作。

在徹底檢查了整個(gè)冷卻系統(tǒng)油路之后，排除了油管路堵塞的原因。最終只能打開(kāi)軸承油箱檢查導(dǎo)瓦情況。在拆開(kāi)下導(dǎo)軸承油箱后，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)下導(dǎo)瓦油槽尺寸不符合設(shè)計(jì)要求，油槽深度只有1mm左右。這樣，基本確定是由于導(dǎo)瓦油槽深度過(guò)小導(dǎo)致潤(rùn)滑油流量低。軸承內(nèi)部熱交換效率因潤(rùn)滑油流量低大打折扣，使下導(dǎo)瓦附近的熱量不能被潤(rùn)滑油及時(shí)帶走，個(gè)別導(dǎo)瓦因熱能的累積達(dá)到一定限度發(fā)生瓦溫突升現(xiàn)象。

事故原因查明后將所有下導(dǎo)瓦油槽深度加工至1.4mm。恢復(fù)安裝后進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 下導(dǎo)瓦處理后空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了事故原因分析的正確性。

5 結(jié)論

檢驗(yàn)自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻性能的有效手段就是在機(jī)組調(diào)試期間進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)。要達(dá)到理想冷卻效果的關(guān)鍵是要保證潤(rùn)滑油流量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，而潤(rùn)滑油流量是由自泵型導(dǎo)瓦油槽尺寸決定的。自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，自身?yè)p耗低，特別是在高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]劉平安, 武中德. 三峽發(fā)電機(jī)推力軸承外循環(huán)冷卻技術(shù)[J]. 2008(1).