推力軸承外循環冷卻方式在實際應用中具有的優缺點

鄢 天 留， 劉 旭 東

(1.中國水電建設集團圣達水電有限公司，四川 樂山 614013；2.四川美姑河水電開發有限公司，四川 成都 611130)

推力軸承是水輪發電機組的重要組成部分，起承受整個轉動部分重量和軸向水推力的作用，當機組運行時，推力軸承鏡板與推力瓦之間不斷摩擦產生熱量，通過儲存于推力油槽內的透平油與推力冷卻器的熱量交換建立動態平衡，使推力瓦溫保持在正常運行范圍內，保證機組的穩定運行。因此，推力軸承透平油的冷卻至關重要。筆者介紹了大渡河流域下游沙灣水電站、安谷水電站機組的技術參數、推力軸承結構形式以及采取的冷卻方式，并對兩種推力軸承冷卻方式在實際應用中的冷卻效果進行了比較，總結了兩種冷卻方式各自具有的優缺點和采取的改進措施。

1 兩座電站采用的推力軸承冷卻型式

沙灣水電站是大渡河干流梯級開發中的下游電站，與最后一級開發的安谷水電站相毗鄰，屬河床式電站，安裝4×120 MW半傘式軸流轉槳式水輪發電機組，推力軸承采用內循環冷卻方式:由18個抽屜式冷卻器鑲嵌在推力油槽四周，推力軸承內注有一定量的潤滑油(透平油)，其油位高于冷卻器上端面，冷卻器銅管浸泡于推力潤滑油內。推力軸承冷卻原理見圖1：當機組運行時，隨發電機組大軸旋轉的推力鏡板與固定的推力瓦不斷摩擦產生熱量，由于兩部件均位于潤滑油液面以下，將推力鏡板和推力瓦的熱量傳遞給潤滑油，同時，帶有一定壓力的機組冷卻水經冷卻水管路流入推力冷卻器，隨冷卻器內環形布置、緊密排列的冷卻銅管往復流動，與冷卻銅管外的潤滑油產生充分地熱量交換，再由冷卻器出水管流出，降低潤滑油溫度，達到冷卻推力軸承的效果。

圖1 推力軸承冷卻原理圖

安谷水電站安裝4×190 MW全傘式軸流轉槳式水輪發電機組和一臺單機容量為12 MW軸流轉槳式生態機組。筆者以大機組為例予以介紹。機組推力軸承采用外循環冷卻方式:推力鏡板內部開有由內向外的徑向油孔，鏡板外立面裝配有與之緊密配合的“U”型油室，間隙約為0.4 mm，油室外側接有油管路，將熱油引至外置冷卻器，其冷卻原理見圖2。機組運行時，推力鏡板隨發電機旋轉，通孔內的積油在離心力作用下向外側甩出，同時油槽內的潤滑油不斷流入鏡板內側油孔，往復循環，產生泵效應，稱為鏡板泵。鏡板泵將甩出的、帶有一定壓力的潤滑油聚集于油室內，由于油室內側與鏡板外立面間隙很小，大部分壓力油流入外接管路中，經油過濾器輸送到外罩式冷卻器，在冷卻器內產生熱交換冷卻后回流到油槽底部，使油槽潤滑油實現循環冷卻。

圖2 外置冷卻器冷卻原理圖

2 機組參數及產熱量比較

安谷水電站位于四川省樂山市大渡河下游，系大渡河流域開發的最后一級電站，與上游相鄰的沙灣水電站同屬河床式水電站，同為軸流轉槳式機組，水文參數、結構尺寸基本相似，具體參數見表1。

表1 沙灣及安谷水電站機組技術參數表

機組運行時推力軸承鏡板在推力瓦上旋轉，產生滑動摩擦，進而產生摩擦熱，產生熱量的多少與滑動摩擦力的大小和相對滑動的距離有關，根據滑動摩擦熱量計算公式：

Q=FS

式中F為滑動摩擦力；S為一個物體在另一個物體上滑動的距離。

又有:S=vt=ωrt

鏡板各質點速度v為鏡板旋轉的角速度ω與半徑r的乘積，由于兩電站推力軸承瓦內經、外徑尺寸基本相同，故可初約認為:

可得:S沙∶S安=ω沙∶ω安≈0.87

另一影響機組熱量產生的因素則為F，根據滑動摩擦力F的大小跟正壓力成正比，即：

F=μN

式中μ為動摩擦因數，與接觸面的材料、粗糙程度有關；查閱相關資料，在同等條件下，塑料瓦比巴氏合金瓦的摩擦損耗降低5%～7%，此處取6%，巴氏合金瓦的滑動摩擦系數為0.005；N為機組推力負荷的重力。

由此可以計算出沙灣水電站、安谷水電站機組滿負荷運行時推力軸承產生的熱量：

F沙=μN=0.004 7×2 350×1 000×9.81

=108.35(kN)

F安=μN=0.005×2 974×1 000×9.81

=145.87(kN)

Q沙：Q安=(F沙×S沙)∶(F安×S安)

≈0.64

即沙灣水電站機組推力軸承產生的熱量約為安谷水電站推力軸承產生熱量的0.64倍。

3 運行情況分析

2015年3～6月,我們連續3個月對兩電站機組額定負荷運行時的推力軸承瓦溫、油溫、冷卻水壓進行了統計，其數據見表2。

從表3中的數據可以看出：兩電站機組在額定負荷、推力軸承冷卻基本相同的情況下，安谷水電站機組推力軸承瓦溫維持在61 ℃左右，較沙灣水電站機組推力瓦溫35 ℃高出約26 ℃；推力軸承油溫為27 ℃左右，高出沙灣水電站機組推力瓦溫26 ℃約1 ℃。考慮到推力軸承冷卻的原理是冷卻水與油水質、水壓槽內潤滑油產生的熱量進行交換，沙灣水電站推力軸承產熱量小，冷卻器用水量多，而安谷水電站推力軸承產熱量大，冷卻器用水量少，推力軸承油溫約高于沙灣水電站推力軸承的瓦溫屬正常現象，所以，可以認為采用內循環冷卻方式的沙灣水電站機組推力軸承和采用外循環冷卻方式的安谷水電站機組推力軸承冷卻效果基本相同。

表3 沙灣水電站、安谷水電站運行參數表

另外,由于推力瓦材質不同，導熱能力不同，以及測溫元件安裝位置不同而導致兩類型推力瓦瓦溫相差較大，推力瓦溫的高低對推力軸承的冷卻效果參考意義不大。

4 兩種冷卻方式具有的優缺點

(1)內循環冷卻方式具有的優點：軸承的普通內循環即自然循環，利用軸承自身的循環動力而無需外力，總損耗小，沒有外循環油泵事故之憂；內循環系統管路部件少，裝置相對集中，無附加備用設備，節省設備投資；內循環系統冷卻器鑲入油槽，與潤滑油充分接觸，熱交換充分；軸承內部鏡板外無鏡泵積油室，安裝方便，密封簡單，運行維護簡單、可靠。

缺點：油冷卻器裝設在油槽內，冷卻油路循環相對復雜，拆卸推力瓦需先拆卸冷卻器。冷卻器數量多，一旦有冷卻器出現滲漏時排查困難；油槽內部結構緊密，不便于檢修、清掃。

(2)外循環冷卻方式具有的優點：油槽小，方便結構布置，拆卸推力瓦不需拆卸冷卻器；冷卻器用水量少，節約冷卻水，節省技術供水系統費用；冷卻器放置在機坑外，空間大，冷卻器、推力軸承檢修和技術改造相對便利，單個冷卻器可拆卸維修，不影響其它冷卻器的使用。

缺點：冷卻器裝設在油槽外，有油循環的動力設備，如鏡板泵或外加油泵、油循環的控制設備、管路連接頭及閥門等，結構復雜，增加了油的滲漏點，出現故障的概率高；外部循環系統設備投資比內循環大。

5 結 語

水輪發電機推力軸承外置式冷卻器如今已得到廣泛應用，從沙灣水電站和安谷水電站推力軸承兩種冷卻方式的比較中可見：巴氏合金推力瓦溫大大高于金屬塑料推力瓦；兩種冷卻方式冷卻效果基本相同；但瓦溫的高低與材質的熱容量、導熱性、測溫元件安裝位置等因素有一定的關系，安谷水電站可考慮更換新型材質推力瓦，增加推力鏡板甩油通孔，增加熱油循環，降低鏡板溫度等方式降低推力瓦溫。同時，可根據推力軸承油溫變化情況適當調整冷卻水壓，必要時可增設抽油泵、加速熱油循環。

抽屜式內循環冷卻和鏡板泵外循環冷卻均具有一定的優點，它們都是大型水輪發電機推力軸承可靠的潤滑冷卻方式之一，各電站可根據推力軸承的大小、轉速高低等綜合情況進行選擇。