燈泡貫流式水輪發電機組兩種常用軸承潤滑系統分析

王巖祿，柳 梅

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

燈泡貫流式水輪發電機組兩種常用軸承潤滑系統分析

王巖祿，柳 梅

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

本文介紹了間歇泵潤滑、連續泵潤滑兩種貫流機組常用的軸承潤滑系統。分析了兩種潤滑系統的設計特點、工作方式等。在此基礎上提出系統布置方式，對高、低位油箱油位的設置進行了分析，并給出了管路阻力損失的計算方法，對貫流機組軸承潤滑系統的設計具有一定的指導意義。

間歇泵潤滑；連續泵潤滑；潤滑油泵；高位油箱；低位油箱；重力油壓；阻力損失

0 前言

隨著國內外水電事業的蓬勃發展，可利用的中、高水頭水資源不斷減少。貫流機組以其獨有的低水頭適應性越來越受到國內外用戶的重視。由于貫流機組一般為水平軸布置，水輪機和發電機的本體均布置在完全浸沒在水中的狹小的燈泡體內。受機組整體結構的限制，機組軸承的油槽容積很小，無法布置常規的內循環油冷卻器，也無法容納維持機組各部分軸承工作時潤滑和散熱所需的潤滑油量。因此國內外貫流機組普遍采用由外部向機組軸承油槽持續供油，潤滑油在機組外部循環冷卻的外循環結構。貫流機組的軸承包括正向推力軸承、反向推力軸承、發電機導軸承和水輪機導軸承。各軸承均采用同一套潤滑油泵供油。為檢修和維護方便，潤滑油泵通常布置在機組的低位油箱上或流道蓋板上。為保證電站安全運行，同時考慮冗余設計要求，潤滑油泵、冷卻系統、過濾系統等均按一主一備兩套布置。

按潤滑油泵的工作方式區分，目前常用的外循環潤滑方式主要有：間歇泵潤滑和連續泵潤滑。

本文將對上述兩種潤滑方式的設計特點及適用性加以分析。

1 間歇泵潤滑

1.1 工作方式

間歇泵潤滑指潤滑油泵工作方式為間歇工作，機組采用由高位油箱向各個軸承供油的方式。潤滑油泵（主泵）每次工作時間一般為 5～6min，向高位油箱充油，使高位油箱內的潤滑油由正常低油位提升到工作高油位。這期間高位油箱持續向軸承的各個油槽供油，維持機組正常工作。當潤滑油泵因故障停止供油時，高位油箱中的潤滑油能維持機組正常工作 5～6min。受高位油箱容積限制，潤滑油泵的停機時間一般為 1～2min。當高位油箱內的潤滑油由工作高位油量降低至正常低油位時油泵重新起動。潤滑油泵以這樣的規律間歇工作。

1.2 適用性

由于間歇泵潤滑方式的潤滑油供油壓力取決于來自高位油箱與機組軸承油槽入口的高差產生的潤滑油的重力油壓，考慮管路的沿程損失、管路附件引起的局部阻力損失等壓降，采用間歇泵潤滑的貫流機組，其高位油箱與機組中心線的高差應不低于15m。為提高軸承油槽潤滑油進口處的進油壓力，高位油箱的布置應盡量抬高。但受廠房高度、低位油箱供油油泵揚程等限制，高位油箱距機組中心線的高度一般不超過30m。

1.3 潤滑系統的常規布置

間歇泵潤滑的潤滑系統如圖1所示。

圖1 間歇泵潤滑方式潤滑系統

（1）機組起動前，潤滑油泵的主泵起動，沿①油路向高位油箱供油，當油位達到高位油箱工作高油位后，潤滑泵組關閉，機組具備起動條件；

（2）正常工作時，高位油箱中的潤滑油靠重力沿②油路分別向發電機導軸承、水輪機導軸承、正向推力軸承、反向推力軸承供油，維持各個軸承的潤滑冷卻；

（3）當高位油箱內的油面降至正常低油位時，潤滑油泵起動，沿①油路向高位油箱注油，直至高位油箱內油位重新達到工作高油位后，潤滑油泵再次關閉；

從各個軸承流出的熱油沿⑤油路回到低位油箱。當高位油箱內油位已達到工作高油位，潤滑油泵仍向高位油箱注油時，高位油箱內多出的潤滑油將沿③油路溢出并回到低位油箱。

油路④為高位油箱檢修時的放油油路。油路⑥為管路檢修時的放油油路。

1.4 油位的設置

1.4.1 高位油箱上油位的設置

如圖 1所示，高位油箱內應至少設置：保護油位A1、停機油位A2、報警油位A3、正常低油位A4、工作高油位A5。潤滑油泵的啟停受高位油箱內油位控制。各油位的關系為：

（1）A1油面距油箱底應不小于 100mm，是高位油箱出油管管口高度，以防油箱內雜質通過出油管進入軸承；

（2）A2與A1的差值油量應能滿足電站5～10min事故停機時間的要求，以便機組完成停機流程；

（3）A3與A2的差值油量應能滿足1～2min機組運行的供油量；

（4）A4與A3的差值油量應為2～3min機組運行的供油量，此時應發單泵起動信號，使主油泵工作，向高位油箱供油；

（5）A5與A4的差值油量為5～6min機組運行的供油量，此時應發油泵停機信號，利用高位油箱內的潤滑油維持機組運行。工作高油位向上設置溢油油位。

1.4.2 低位油箱上油位的設置

如圖1所示，低位油箱內應至少設置下述油位：保護油位 B1、報警油位 B2、正常油位 B3、最大容積油位B4。

各油位的關系如下：

（1）B1油面距油箱底應不小于 150mm，以保證油泵的吸油口浸沒在油面以下，防止油泵發生空吸；

（2）B2與B1的差值油量應能滿足1.5～2min機組運行的供油量，該油位油量為低位油箱的沉淀用油。達到該油位時，潤滑油泵均應停機；

（3）B3與B2油量的差值油量應能滿足一定時間機組運行的供油量，為油箱內的備用油。該油位油量不含高位油箱的工作油位油量、各軸承油箱的油量、管路內的油量和冷卻器內的油量；

（4）B4即低位油箱的有效容積時的油位。

有效容積應為以下油量的總和：高位油箱自工作油位放空時的總油量、機組各軸承油箱的油量、管路內的油量、冷卻器內的油量、低位油箱的保護油量。潤滑油泵單泵的工作流量應大于機組運行的供油量，并留有一定余量，以保證單泵能夠迅速完成對高位油箱補充潤滑油的需要。

1.5 間歇泵潤滑方式特點

間歇泵潤滑方式的潤滑泵組正常工作時為單泵運行、間歇工作。潤滑油泵的啟停受高位油箱內油位控制。允許在機組運行時泵組交替工作，有利于保護泵組；機組采用由高位油箱向各個軸承供油，高位油箱的容積一般較大，可以存儲維持機組較長時間工作的潤滑用油；利用高位油箱與機組各油槽間形成的固定高差產生的潤滑油重力油壓供油，軸承各個油槽的入口油壓穩定。同時，由于高差產生的重力油壓有限，管路布置應盡量簡潔，閥門、彎頭等應盡量減少，以降低沿程損失、局部阻力損失等造成的壓降。

當高位油箱的布置高度可實現時，采用間歇泵潤滑是較經濟、安全的。

2 連續泵潤滑

2.1 工作方式

連續泵潤滑指潤滑油泵工作方式為連續工作，利用油泵的輸出壓力和輸出油量為機組各個軸承直接供油。機組的高位油箱僅存儲滿足機組事故停機時間的軸承供油量。當潤滑油泵故障時由高位油箱供油，完成機組事故停機。

2.2 適用性

軸承油槽的供油壓力取決于潤滑油泵的輸出壓力，連續泵潤滑可適應各種廠房高度的貫流式機組，尤其是受廠房結構等限制，高位油箱與機組中心線的高差低于15m，僅靠高位油箱油位的重力勢能無法保證足夠的油壓和流量滿足機組正常工作需要的電站。

2.3 潤滑系統的常規布置

連續泵潤滑的潤滑系統如圖2所示。

（1）機組起動前，潤滑泵組的主泵起動，沿①油路直接向各個軸承油槽供油，同時沿②油路向高位油箱供油；

（2）當高位油箱內油面達到溢油油位后，沿④油路溢出并回到低位油箱，在機組工作期間，沿②油路向高位油箱供油和沿④油路的溢油均持續進行；

（3）當主泵、備用泵組均發生故障停機時，①油路和②油路均自動關閉，同時③油路自動打開，由高位油箱向各個軸承油槽供油，維持各個軸承的潤滑冷卻，同時機組開始事故停機。

從各個軸承流出的熱油沿⑥油路回到低位油箱。油路⑤為高位油箱檢修時的放油油路。油路⑦為管路檢修時的放油油路。

2.4 油位的設置

2.4.1 高位油箱上油位的設置

如圖2所示，高位油箱內應至少設置下述油位：保護油位 C1、報警油位 C2、工作油位 C3。各油位的關系為：

（1）C1油面距油箱底應不小于 100mm，是高位油箱出油管管口高度，以防油箱內雜質通過出油管進入軸承；

（2）C2與C1的差值油量應能滿足7min左右機組運行的供油量。該油量為高位油箱的備用油量；

（3）C3與C2的差值油量應能滿足電站5～10min事故停機時間的要求，以便機組在該時間內完成停機流程。C3可同時為溢油油位。

2.4.2 低位油箱上油位的設置

如圖2所示，低位油箱內應至少設置下述油位：報警油位D1、工作油位D2、停機存油油位D3、最大容積油位 D4。潤滑油泵的啟停受低位油箱內油位控制。各油位的關系如下：

（1）D1的油量應為低位油箱的沉淀用油和備用油；

圖2 連續泵潤滑方式潤滑系統

（2）D2油量可取2倍D1油量，以保證潤滑油在低位油箱里充分沉淀、混合。該油位為機組工作時，潤滑油泵單泵工作時的油位；

（3）D3為低位油箱D2油量與各個軸承油槽內油量、管路內油量、冷卻器內油量的總和。即當機組停機時除高位油箱內潤滑油外，系統和管路中所有潤滑油均流回低位油箱后的油位；

（4）D4即低位油箱的有效容積時的油位。

有效容積應為以下油量的總和：高位油箱自工作油位放空時的總油量、機組各軸承油槽的油量、管路內的油量、冷卻器內的油量、低位油箱的保護油量。

潤滑油泵單泵的工作流量應大于機組運行的供油量，以保證單泵工作時不僅能夠滿足機組正常工作的循環油量，還有一定的剩余的油量向高位油箱補充。

2.5 連續泵潤滑方式特點

軸承油槽的供油壓力取決于潤滑油泵的輸出壓力，所以連續泵潤滑適用于各種廠房高度的貫流式機組，尤其是受廠房結構等限制，高位油箱與機組中心線的高差低于 15m，僅靠高位油箱油位的重力勢能無法保證足夠的油壓和流量滿足機組正常工作需要的電站。工作時高位油箱有少量潤滑油持續充入，也有等量的潤滑油持續溢出，以保證高位油箱內潤滑油緩慢更換，防止存油長期不用發生變質。機組正常運行時，軸承采用低位油箱直接供油，潤滑油泵的啟停受低位油箱內油位控制，可適當減小高位油箱的體積，高位油箱內存油僅在機組事故停機時使用。

3 重力油壓和阻力損失計算

間歇泵潤滑和連續泵潤滑都有高位油箱供油，所以計算潤滑油重力油壓和管路的阻力損失非常必要。

由高差產生的重力油壓可由下式計算：

式中：P——由高差產生的潤滑油重力油壓，MPa

ρ——潤滑油在高位油箱油溫下的密度，kg/m3

g——重力加速度，g=9.81 m/s2

h——高位油箱到機組軸承油箱進油口間的高差，m。

管路的阻力損失包括：直管段的沿程阻力損失和由管路上的附件產生的局部阻力損失。

直管段的沿程阻力損失是潤滑油在管路內流動與管路內壁摩擦引起的，其計算公式如下：

局部阻力損失指潤滑油通過管件、閥門、流量計等時，由于受到阻礙而產生的阻力損失，其計算公式如下

為計算方便，可把各種局部阻力損失折合成直管長度的阻力損失，用沿程阻力損失的計算公式進行計算：

式中：LK——管路附件的當量長度（湍流，見表1），m。

表1 管路附件當量長度（僅適用于湍流）LK m

為保證軸承供油順暢，軸承油槽入口的油壓不低于0.05MPa為宜，且綜合考慮管路及附件的成本，應按管路內潤滑油流速不超過1m/s選取管徑為宜，并盡量選擇長半徑彎頭，減少三通、管路突然變徑等情況，閥門盡量選擇球閥。

由低位油箱通過油泵向高位油箱供油時，管路的沿程阻力損失和局部阻力損失也可按上述公式計算。由于供油過程中油溫會有所上升，潤滑油的動力粘度下降明顯，潤滑油的實際阻力損失可能小于計算值。潤滑油由低位油箱進入高位油箱的出口壓力在0.1MPa左右較為合適，潤滑油應從高位油箱底部進入，以防止在高位油箱內產生過大的涌浪現象。

5 結論

（1）當電站廠房布置允許，高位油箱與機組中心線的高差大于15m時，采用間歇泵潤滑是最經濟、安全的方案。此時高位油箱為主供油油箱。

（2）連續泵潤滑適合于各種廠房高度的貫流機組，尤其是高位油箱與機組中心線的高差小于15m的機組。此時的高位油箱僅作為事故油箱使用。

（3）考慮潤滑系統的安全性和經濟性，軸承油槽入口的油壓不低于 0.05MPa，管路內潤滑油流速不宜超過1m/s。

（4）計算公式表明，管路的阻力損失受管路的直徑、潤滑油的流速影響較大。對于高程差小的機組，可采用加大供油管徑的辦法獲得足夠的軸承油箱入口的油壓和流量。在設計和部件選型時要綜合考慮部件成本和機組軸承油槽潤滑油進口處的進油壓力。這一點對連續泵潤滑方式的高位油箱供油的油路尤為重要。

[1] 徐灝, 等. 機械設計手冊第四卷. 機械工業出版社, 1991.

審稿人：劉公直

Analysis of Two Common Use Lubrication System for Bulb Generating Unit

WANG Yanlu, LIU Mei
（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

This paper describes two common use lubrication systems for bulb generating of unit which are lubrication with intermittent operating pump and lubrication with continuous operating pump, and the design features, working methods, etc are analyzed for the two lubricating system.Based on these, the lubrication system arrangements are given, as well as the setting for upper oil tank and lower oil tank. And the calculation of the pipes resistance losses is also given. This paper has a certain significance for the design of the bulb unit lubrication system.

lubrication with intermittent operating pump; lubrication with continuous operating pump; oil pump; upper oil tank; lower oil tank; gravity oil pressure; resistance loss

TM312

A

1000-3983(2014)05-0009-05

2013-07-26

王巖祿（1972-），1996年畢業于佳木斯工學院機械制造專業，主要從事水輪發電機設計工作及設計管理工作，高級工程師。