大型臥式水輪發電機可傾瓦徑向軸承試驗研究

范壽孝，吳軍令，武中德（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

大型臥式水輪發電機可傾瓦徑向軸承試驗研究

范壽孝，吳軍令，武中德
（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

可傾瓦徑向軸承將會在大型臥式水輪發電機中得到廣泛應用。利用可傾瓦徑向軸承試驗臺對所開發的大型臥式水輪發電機組可傾瓦徑向軸承進行了尺寸1:1的工況模擬試驗。通過分析試驗數據，對所開發軸承結構的性能有全面認識。所開發的可傾瓦徑向軸承滿足大型臥式水輪發電機的運行要求，保證了機組運行的可靠性。

可傾瓦徑向軸承；水輪發電機；試驗研究

0 引言

隨著臥式水輪發電機的容量增大，徑向軸承的負荷、尺寸、軸承比壓也隨之增大，使其制造、安裝調整、檢修的難度增大。因此50MW以上的兩支點結構臥式水輪發電機不宜再使用圓柱瓦徑向軸承。可傾瓦徑向軸承不受尺寸限制幵且安裝調試方便，將會在大型臥式水輪發電機的重載徑向軸承中得到廣泛應用。另外，可傾瓦徑向軸承在潮汐發電機組，水泵，汽輪發電機組等大型臥式旋轉設備中也有著廣闊的應用前景。

1 軸承方案

軸承基本設計參數見表1，其結構方案如圖1所示。

試驗軸承由6塊瓦組成，轉子下方的4塊瓦為主要承載瓦，位置上為對稱分布。理想載荷作用點為兩瓦間。上面兩塊瓦間隔90°分布，主要起著限制大軸位置的作用。下方4塊瓦配有高壓油頂起系統。

表1　試驗軸承基本設計參數

圖1　試驗軸承結構簡圖

2 可傾瓦徑向軸承試驗臺

為了對開發的軸承進行全尺寸模擬試驗，研制了一臺大型可傾瓦徑向軸承試驗臺。其技術參數及要求如下：

（1）試驗臺最高轉速200r/min，且可實現0～200r/min范圍內的任意轉速下運行；

（2）試驗臺額定試驗負荷為200t，且可實現0～200t范圍內的任意負荷的試驗；

（3）能實現試驗軸承各潤滑性能參數的測試；

（4）能實現試驗數據和運行狀態的在線監測。

可傾瓦徑向軸承試驗臺由試驗臺機械及動力系統、潤滑冷卻系統、加載系統、試驗軸承高壓油頂起系統、測試控制系統等組成，主要模擬被試軸承在不同轉速、載荷、潤滑條件下的運行狀況。該試驗臺的測控系統可控制試驗臺各系統的起閉及運行，實時監測試驗臺的運行工況幵實現數據的實時在線采集與處理。試驗臺整體結構如圖2所示。

圖2　試驗臺整體結構

3 可傾瓦徑向軸承試驗

3.1測試內容及方法

（1）利用安裝在軸端部的光電編碼器測量試驗臺實際運行轉速。

（2）用埋裝在試驗軸承進油、排油管路中的PT100溫度傳感器作為測量元件，通過HP34980數據采集系統測量循環油的進油、排油溫度。

（3）在潤滑油進入試驗軸承前的管路上安裝標準壓力表測量循環油壓力。

（4）在潤滑油進、出試驗軸承的管路上安裝渦輪流量計測量循環油流量。

（5）利用安裝在加載系統中的壓力變送器測量加載液壓缸的壓力，通過換算得到試驗載荷。

（6）通過在各工況下測得的試驗軸承進、排油溫度及流量，利用熱平衡法計算出軸承損耗。

（7）用 PT100溫度傳感器作為測量元件，通過HP34980數據采集系統測量瓦溫。根據電站運行監測要求，在每個瓦上都安裝1個溫度傳感器監測瓦的運行狀況。在3號瓦的瓦面和低于瓦面30mm的位置安裝兩層溫度傳感器測試瓦面溫度。

（8）在滑轉子外表面上沿軸向均勻安裝位移傳感器，以測量油膜厚度。可測量多個瓦面的油膜厚度分布。

3.2試驗數據分析

主要進行了靜止狀態和起停瞬間的高壓油頂起測試、低速運行開啟高壓油頂起試驗及變化運行轉速的工況試驗等。

（1）高壓油頂起試驗

在靜止狀態和起停瞬間分別對高壓油頂起進行測試。測得結果如表2所示。高壓油頂起滿足運行要求。

表2　高壓油頂起試驗

（2）瓦溫運行監測

各工況的瓦溫監測見表3。數據顯示各工況運行條件下，3號、4號瓦溫最高，承載較大。轉子上方的兩瓦溫度與循環油溫度類似，說明其承載較小，主要起到限制約束的作用。

（3）潤滑性能試驗

試驗數據表4及圖3、4表明，隨著轉速增加，油膜功耗及轉子攪拌損耗均增大，導致潤滑油溫升提高和軸承損耗增加。而線速度增大有利于動壓潤滑油膜的形成，致使最小油膜厚度增加。因此，在損耗和溫升允許的條件下，適當增加轉速，有利于提高軸承的運行特性。

表3　監測瓦溫 （oC）

表4　潤滑性能試驗

圖3　額定工況3號瓦面溫度分布/oC

圖4　額定工況3號瓦面油膜厚度分布/μm

3.3計算與試驗結果對比

轉速為75r/min。負荷200t額定工況時，計算結果與試驗結果對比見表5。試驗結果和計算結果基本一致。

表5　計算與試驗對比

4 結論

（1）高壓油頂起系統的設計滿足機組起停、低速運行的要求。

（2）實測數據顯示，最下面兩塊瓦承載較大，轉子上方的兩塊瓦承載很小。在損耗和溫升允許的情況下，適當增加轉速，有利于提高軸承的運行特性。

（3）軸承計算結果與測試結果一致。

（4）試驗結果表明，該軸承結構滿足大型臥式機組的運行要求。

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范壽孝(1984-)，2008年7月畢業于哈爾濱工業大學機械設計系，碩士學位，現從事大型發電機軸承技術研究，工程師。

審稿人：劉公直

Experimental Investigation of the Tilting Pad Journal Bearing For Large Horizontal Hydro-generators

FAN Shouxiao, WU Junling, WU Zhongde
（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

Tilting Pad Journal bearing can be used widely in large Horizontal Hydro-generators. The new developed bearing structure of 1:1 size for the large Horizontal Hydro-generators was tested on the large tilting Pad Journal bearing tested stand. The comprehensive characters of the new developed bearing were understood through analysis of experimental data. The new developed bearing structure is available for large Horizontal Hydro-generators and can ensure the reliability of the unit.

tilting pad journal bearing; hydro-generators; experimental investigation

TM312

A

1000-3983(2016)03-0006-03

2015-05-26