水輪發電機推力軸承油槽防甩油措施

霍新新,王 森,武中德,范壽孝,劉 琪

(哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040)

0 引 言

通常，立式水輪發電機組按照結構不同可分為懸式機組、傘式機組和半傘式機組，對立式機組而言，推力軸承和導軸承起軸向和徑向支撐作用。由于摩擦散熱需要，通常在軸承的油槽中儲存有大量潤滑油。在機組運行過程中，潤滑油受轉動部件的帶動，與油槽結構件之間產生激烈的撞擊作用，同時摩擦熱量使油溫升高，降低潤滑油粘度，因此在立式機組中容易發生油霧及甩油問題。從油槽中溢出的油霧凝結在發電機定、轉子線棒的表面，給發電機定子、轉子裝配增加了難度，這種情況在傘式機組和半傘式機組中尤為嚴重。油霧問題還會降低絕緣材料的使用壽命，甚至引發電氣故障。

在水電設備發展歷程中，油槽甩油現象一直是困擾設計者的一大難題。葛洲壩、小灣、洪家渡水電站均發生過推力軸承油槽甩油現象[1-3]。導致油槽甩油現象發生的原因十分復雜，一般認為甩油現象受結構件設計方案及流體運動特點的綜合影響，因此解決甩油問題也就變得十分棘手，通常從零部件制造工藝規劃、提升加工精度和增加油霧收集裝置三方面入手解決軸承甩油問題，取得一定成效[4-6]。此文從潤滑油混合均勻性、油槽液面波動特點、油槽甩油過程三方面對常規水輪發電機油槽進行潤滑油流動狀態仿真分析，提出油槽防甩油的具體措施。

1 油槽幾何結構

當前，在某些水輪發電機組中，通常將推力軸承和導軸承組合在一起，共用1個冷卻油槽。這種油槽中結構件多，位置復雜，更容易引發油槽甩油現象。選取一種推力軸承和導軸承組合油槽，通過粒子流分析法進行潤滑油流動狀態仿真分析，油槽結構如圖1所示。

圖1 推力軸承與導軸承組合結構Fig.1 Combined structure of thrust bearing and guide bearing

圖1中，1為推力軸承，2為導軸承，3為油槽，4為旋轉件，A區域為油槽上部靠近旋轉件區域，B區域為油槽上部靠近外壁區域。

2 油槽流動狀態仿真分析

根據油槽幾何結構，分別建立旋轉零部件和靜止零部件模型，液面高度為常規機組運行要求中規定的導軸承高度的1/2，潤滑油物理參數見表1。將旋轉零部件轉速由0升至428 r/min，并穩定運行7 s。

表1 潤滑油物理參數Table 1 Physical parameters of lubricating oil

2.1 潤滑油混合性研究

將潤滑油分為上、中、下三個區域，在油槽最外端分別隨機選取2個粒子，分析在機組轉動過程中粒子Z方向(軸向)的位移變化如圖2所示。

圖2 粒子Z方向位移Particle displacement in Z-direction

從仿真分析結果可知，在機組轉動過程中，6個被選粒子在Z方向運動軌跡是波動的，通過觀察單個粒子Z方向位移的極大值、極小值可知：潤滑油在油槽中混合均勻性較好，由于劇烈的攪動作用，在油槽內將不存在局部冷熱油分區現象，保證了潤滑油溫度的一致性。

2.2 油槽液面波動特性

對油槽中潤滑油液面在機組轉動過程中的波動狀態進行仿真分析，分別選取0 s(初始狀態)、0.8 s、2.58 s三個時段的液面狀態如圖3所示。

圖3 液面波動狀態Fig.3 Fluctuation state of oil

從仿真分析結果可知，隨著機組轉速的升高，油槽中液面逐漸形成外側高、內側低的潤滑油“攀爬”現象，受離心作用影響，潤滑油逐漸聚集在油槽的B區域，形成高峰。

2.3 甩油過程

當機組運行到6.8 s時，機組轉速已經穩定在428 r/min，此時油槽內部液面流動狀態如圖4所示。

圖4 穩定運行時液面波動狀態Fig.4 Oil fluctuation state during stable operation

從仿真分析結果可知，此時油槽中潤滑油與油槽結構件之間產生劇烈的碰撞，部分潤滑油由于撞擊反彈作用，最終匯聚在油槽的A區域，此區域與油槽的油擋裝置區域接近，容易發生甩油現象。

3 結 語

從潤滑油混合均勻性、油槽液面波動特點、油槽甩油過程三方面對常規水輪發電機組油槽進行潤滑油流動狀態仿真分析，得出如下結論，提出防甩油措施。

1)在推力軸承和導軸承組合的油槽中，受旋轉零部件影響，油槽潤滑油混合均勻性較好，不會存在油槽局部冷熱油分區現象。

2)隨著機組轉動，油槽中潤滑油逐漸出現外側高、內側低的潤滑油“攀爬”現象。為防止油槽甩油現象發生，在油槽結構設計中，應在B區域預留足夠大的空間，能容納潤滑油“攀爬”現象。

3)按照常規水輪發電機組油槽液面設定準則，潤滑油在油擋裝置區域極易發生甩油現象，可從兩方面入手解決：一是在機組運行條件允許的情況下，盡量降低潤滑油液面，或增加油擋與液面之間的空間；二是在油槽的A區域設計副油擋等裝置，有效阻隔潤滑油的溢出。