水輪發電機流線型導軸承結構方案優化

霍新新,范壽孝,王曉斌,武中德

(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，推力軸承和導軸承分別起軸向和徑向支撐作用，導軸承一般可設計為獨立油槽結構或與推力軸承一起被設計為推導組合結構。

無論何種導軸承結構形式，為了滿足摩擦散熱的需要，通常在油槽中設計有大量潤滑油。在機組運行過程中，潤滑油受轉動部件的帶動，與導軸承側壁之間產生激烈的撞擊作用，容易引起甩油現象，同時摩擦熱使油溫升高，降低潤滑油粘度，所以油霧問題經常伴隨甩油現象一起發生。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，甩油現象一直是困擾設計者的一大難題。龍門灘二級水電站、楓樹壩2號機組、構皮灘等電站均發生過導軸承甩油問題[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。針對水輪發電機導軸承，通常采用增加1套機械密封、設計附加接油盆、均衡壓差等方式解決軸承甩油問題[4-6]。此文從導軸承自身結構出發，提出采用流線型導軸承結構設計方案，在不同方案下對油槽內潤滑油流動狀態進行仿真分析，并計算導軸承受力形變，以證明解決方案的可行性。

1 導軸承結構

圖1為某電站水輪發電機下導軸承結構示意圖，導軸承為扇形瓦，在支撐端位置加工有60 mm×60 mm的2個倒角，導軸承結構參數見表1。

圖1 導軸承結構

表1 導軸承結構參數

2 流線型導軸承結構設計

對導軸承幾何結構進行優化，設計流線型導軸承結構如圖2(b)、2(c)所示。圖2(a)為導軸承原設計方案三維示意圖；圖2(b)為保持瓦長、瓦寬、瓦厚不變基礎上對軸承背部進行倒角處理，使其在潤滑油流動方向上圓滑過渡；圖2(c)為在圖2(b)基礎上增加頂部擋板，其目的是防止油滴飛濺。

圖2 流線型結構設計方案

3 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，潤滑油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2。將旋轉零部件轉速由0升至428 r/min(額定轉速)，對3種結構的導軸承液面波動狀態進行等條件仿真分析，穩定運行后液面狀態如圖3～5所示。

表2 潤滑油物理參數

圖3 液面波動狀態(原始結構)

圖4 液面波動狀態(流線型結構)

圖5 液面波動狀態(擋板結構)

從仿真分析結果可知：

1)圖3為原導軸承設計方案，在額定轉速下油槽液面波動較為劇烈，潤滑油在流動過程中與導軸承側壁發生撞擊作用，產生較多飛濺的油滴，容易發生甩油現象。

2)圖4為不帶擋板結構的流線型導軸承設計方案，在額定轉速下，液面波動呈現交替的波峰、波谷形式，潤滑油流動過程中與導軸承側壁發生撞擊作用的程度較原方案低，因此幾乎不產生飛濺的油滴。

3)圖5為帶有擋板結構的流線型導軸承設計方案，在額定轉速下，液面波動狀態同樣較為劇烈，擋板結構加強了對潤滑油流動的阻礙作用，但液面波動的劇烈程度與圖3相比較小。

4 導軸承承載性能分析

當水輪發電機轉速為428.6 r/min、導軸承徑向載荷為490 kN、供油溫度為40 ℃條件下，導軸承承載性能計算結果見表3。

表3 導軸承性能計算

分別對圖2(a)及圖2(b)兩種結構的導軸承進行綜合變形分析，施加作用力為490 kN，施加溫度載荷為導軸承計算所得溫度場數據，計算結果如圖6、圖7所示，其中從瓦面指向瓦背方向為徑向正方向。

圖6 徑向變形計算(原始結構)

圖7 徑向變形計算(流線型結構)

流線型導軸承設計方案徑向變形趨勢與原導軸承設計方案一致，瓦面呈現凹變形狀態，有利于導軸承承載。流線型導軸承有效厚度減薄，徑向剛度減弱，在承受徑向力及摩擦熱綜合作用下，徑向壓縮變形增加，就瓦面平均壓縮變形而言，變形增量約為18 μm，與油膜厚度60 μm相比，壓縮變形量完全可以接受，證明流線型導軸承設計方案是可行的。

5 結 語

在水輪發電機組中，甩油現象的成因十分復雜。采用流線型導軸承結構優化方案，即從設計源頭出發穩定液面波動狀態的一種有效方法，其作用類似于油槽內部的穩油板。如果參數設計合理，流線型導軸承設計優化方案并不會降低軸承承載性能。依據油槽內部潤滑油流動狀態，優化軸承外形結構，減弱液面飛濺程度，可提升潤滑油流動的整體平穩性。這是解決導軸承甩油現象的有效方法，值得更深入的研究。