大藤峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承設(shè)計(jì)與研究

閣亮成，范小付，羅海強(qiáng)，武中德，劉平安

(1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537200；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的性能參數(shù)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行可靠性和效率起到了至關(guān)重要的作用。大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮支承結(jié)構(gòu)、參數(shù)、冷卻方式等。大型和特大型推力軸承常用的支承結(jié)構(gòu)有彈性油箱、小彈簧、小支柱雙層瓦等[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)三峽等巨型機(jī)組開發(fā)的球面支柱支承的小支柱雙層瓦推力軸承，普遍應(yīng)用于低速重載的巨型水輪發(fā)電機(jī)，此結(jié)構(gòu)的推力軸承是最優(yōu)選擇之一，推力軸承具有承載能力高的特點(diǎn)。

文獻(xiàn)[6-8]開發(fā)了推力軸承油膜的熱流體動(dòng)力分析程序，并借助結(jié)構(gòu)分析軟件的熱傳導(dǎo)和變形分析功能，形成的推力軸承熱彈流分析程序(TBearing/Ansys)。這也是大型滑動(dòng)推力軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算一般采用的方法。

機(jī)組運(yùn)行過程中，普遍采用監(jiān)測瓦溫的方式來監(jiān)視推力軸承的運(yùn)行，慣例則是瓦溫低，軸承性能好，瓦溫高，軸承性能差，因?yàn)橥邷剡^高可能引起燒瓦事故[9-10]。

推力軸承的潤滑冷卻方式一般有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，內(nèi)循環(huán)冷卻器分為立式冷卻器、臥式冷卻器和抽屜式冷卻器3種方式，外循環(huán)則采用管殼式和板式冷卻器。無論是內(nèi)循環(huán)還是外循環(huán)冷卻方式，油槽內(nèi)的油循環(huán)都有合理的路徑，通過把冷、熱油分隔開，才能確保冷卻效率[11-13]。否則，會(huì)造成瓦間油溫提高，即提高了瓦的進(jìn)油溫度，進(jìn)而提高了瓦溫。

1 推力軸承設(shè)計(jì)

1.1 推力軸承設(shè)計(jì)計(jì)算

聯(lián)立求解了潤滑油膜的動(dòng)壓(雷諾方程)、熱能量、黏度-溫度、油膜厚度等方程，并利用結(jié)構(gòu)分析軟件(Ansys)對(duì)推力軸承和鏡板推力頭進(jìn)行三維熱彈變形分析，迭代求解并描述出潤滑過程的特征[6-8]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推力軸承的熱彈流動(dòng)力潤滑性能分析。

1.1.1雷諾方程

(1)

式中h——油膜厚度；μ——油膜黏度；r、θ——極坐標(biāo)；ω——鏡板旋轉(zhuǎn)角速度；p——油膜壓力。

邊界條件：沿瓦面周邊壓力為0。

1.1.2能量方程

(2)

式中 J——熱功當(dāng)量常數(shù)；Jβ——熱交換系數(shù)；ρ——油密度；T——油膜溫度；Cp——油比熱；T0——瓦(鏡板)溫度；K——導(dǎo)熱系數(shù)。

邊界條件：入油邊T=Tin；內(nèi)、外徑邊為絕熱邊界；出油邊為自然邊界。

1.1.3油膜黏度

根據(jù)潤滑劑在某溫度下的已知黏度，由拉格朗日插值曲線公式可求得其各溫度下的黏度分布：

(3)

1.1.4油膜厚度

(4)

式中hij——油膜厚度；h0——瓦面中心點(diǎn)油膜厚度；mθ——瓦周向傾角；mr——瓦徑向傾角；Dij——瓦面的熱彈位移；R0——瓦平均半徑；Wij——鏡板工作面的熱彈位移。

1.2 推力軸承結(jié)構(gòu)

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承見圖1，與三峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承采用相似的結(jié)構(gòu)和冷卻方式(圖2)。

圖1 推力軸承瓦

圖2 推力軸承

采用小支柱雙層瓦，球面支柱支承結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的推力軸承在巨型機(jī)組上常用，三峽、溪洛渡、向家壩、龍灘、拉西瓦、小灣及白鶴灘等水電站均已采用，屬于非常成熟的推力軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的推力軸承承載能力大，各瓦載荷的均勻性達(dá)到5%。推力瓦和托瓦間的34個(gè)小支柱，經(jīng)過特別的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用20、30、35、40 mm 4種直徑規(guī)格。在額定工況下具有合理的瓦面變形，徑向瓦變形和鏡板變形有相同的趨勢，油膜厚度分布趨于均勻，具有最佳的承載能力。

1.3 推力軸承參數(shù)

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承參數(shù)見表1。軸承性能計(jì)算結(jié)果見表1、圖3—9。在額定水頭和額定功率運(yùn)行時(shí)，推力軸承瓦溫不超過80℃(GB/T 7894《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》)。溫度高低不是軸承安全的決定性因素，在各水頭段，推力軸承的最小油膜厚度大于[30 μm]，具有足夠的安全裕度。大藤峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承與類似電站對(duì)比見表2，與三峽、溪洛渡、向家壩等推力軸承性能相當(dāng)。

表1 軸承性能計(jì)算結(jié)果

圖3 推力瓦油膜厚度分布(μm)

圖4 推力瓦油膜壓力分布(MPa)

圖5 推力瓦油膜溫度分布(℃)

圖6 推力瓦溫度分布(℃)

圖7 推力瓦變形

圖8 鏡板推力頭溫度分布

圖9 鏡板推力頭變形

表2 類似結(jié)構(gòu)推力軸承的主要參數(shù)

1.4 冷卻系統(tǒng)

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承屬于重載、低速，推力軸承油槽具有較大的尺寸空間，采用了內(nèi)循環(huán)冷卻方式和適用于傘式電機(jī)推力軸承并方便檢修的抽屜式冷卻器。油冷卻器安裝在軸承油槽內(nèi)并把合在油槽壁上，銅管全部浸在潤滑油中以便進(jìn)行熱交換，距鏡板外圓有一定間隔。冷卻器的大小由每千瓦損耗所用冷卻管長度確定。

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承配設(shè)的抽屜式冷卻器見圖10，共24組。采用φ25/22mm銅管，按最高水溫30℃設(shè)計(jì)，每組冷卻器的水流量433 L/min。

圖10 抽屜式冷卻器示意

大藤峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的油路(圖11)分布是：冷油進(jìn)入推力軸承內(nèi)徑側(cè)，在軸承內(nèi)徑側(cè)形成冷油室，瓦間冷油流向與離心力方向一致，進(jìn)入瓦間的冷油，大部分流入瓦與鏡板摩擦面起潤滑作用;另一部分冷油在瓦塊間參與冷卻流向軸承外徑側(cè)，與從摩擦面間流出的熱油匯合，通過布置在槽壁上的出油管將熱油引出至抽屜式冷卻器迸行冷卻，油經(jīng)過冷卻變?yōu)槔溆汀?/p>

圖11 改進(jìn)后的油循環(huán)路徑

2 機(jī)組初期運(yùn)行推力瓦溫度高的原因分析

現(xiàn)已運(yùn)行的三峽、向家壩、溪洛渡等巨型機(jī)組推力軸承均采用小支柱雙層瓦結(jié)構(gòu)的巴氏合金瓦推力軸承均運(yùn)行良好。

大藤峽機(jī)組推力軸承與三峽、向家壩推力軸承相比，載荷和轉(zhuǎn)速略低，設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果表明，大藤峽機(jī)組的推力軸承運(yùn)行性能應(yīng)優(yōu)于三峽和向家壩的推力軸承性能。

2020年4月大藤峽8號(hào)機(jī)組正式投運(yùn)，機(jī)組初期運(yùn)行平穩(wěn)，推力軸瓦溫度正常。但運(yùn)行水頭較低(16～18 m)，機(jī)組未帶滿負(fù)荷運(yùn)行，冷卻水溫度也未達(dá)到最高。水頭18 m、負(fù)荷100 MW時(shí)，推力瓦溫和調(diào)試初期比有所上升，2020年5月5日最大溫度值為72.6℃，至5月22日水溫升高了約5 K，進(jìn)水溫為25.6℃，出水溫是26.6℃，最高瓦溫75℃。

通過分析，推力軸承油槽內(nèi)的油循環(huán)路徑與設(shè)計(jì)預(yù)期的油路有一定的偏差，引起瓦的進(jìn)油溫度較高，進(jìn)而提高了瓦的溫度。

2.1 油循環(huán)的影響

現(xiàn)場監(jiān)測7、8號(hào)機(jī)組的冷卻水溫較高，但油溫較低，且冷熱油的溫度基本一致，說明油循環(huán)不理想，大部分油在冷卻器周圍循環(huán)。

采用運(yùn)動(dòng)粒子分析方法，模擬大藤峽機(jī)組在額定工況運(yùn)行下油流狀態(tài)，機(jī)組轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，考慮LTSA-46潤滑油黏性參數(shù)，旋轉(zhuǎn)部件與潤滑油接觸區(qū)域?yàn)轲樱抡娣治鰸櫥驮谛D(zhuǎn)件帶動(dòng)下的流場運(yùn)行狀態(tài)。圖12的流場分析表明，冷卻器和瓦之間未安裝隔油板，形成油循環(huán)路徑的短路，進(jìn)油的小部分冷油經(jīng)瓦的下邊流向瓦的內(nèi)徑，使得瓦的進(jìn)油量中的小部分是冷油，大部分是熱油，造成進(jìn)油溫度和瓦溫的升高。

圖12 油的循環(huán)路徑分析

2.2 推力軸承性能

大藤峽發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量1 675 t，根據(jù)大藤峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)電機(jī)出力100 MW(水頭16 m)，水推力約為1 000 t，發(fā)電機(jī)額定出力200 MW(水頭25 m)，水推力約為1 250 t，發(fā)電機(jī)額定出力200 MW(水頭34 m)，水推力約為1 680 t(表3)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 15613—2008，軸向水推力還有±20%的不確定度。發(fā)電機(jī)額定出力200 MW(水頭34 m)時(shí)，推力負(fù)荷為32 880 kN、考慮上浮20%即為36 172 kN(3 691 t)，此時(shí)推力瓦的監(jiān)測溫度通過計(jì)算分析將上升4 K左右。

不同水頭段推力負(fù)荷的變化對(duì)應(yīng)瓦溫和最小油膜厚度見表4、5。推力軸承具有較大的最小油膜厚度，推力軸承的最小油膜厚度大于[30 μm]，就有足夠的安全性。雖然額定工況時(shí)推力瓦的溫度較高，但還是能夠確保推力軸承的安全運(yùn)行。根據(jù)目前實(shí)際的運(yùn)行情況，推力軸承瓦溫的整定值建議調(diào)整為80℃報(bào)警、85℃停機(jī)。

表3 各水頭下對(duì)應(yīng)推力負(fù)荷參數(shù)

表4 26℃水溫時(shí)計(jì)算軸承溫度

表5 30℃水溫時(shí)計(jì)算軸承溫度

3 改進(jìn)措施

3.1 隔油板

對(duì)于高速機(jī)組，油槽內(nèi)油的循環(huán)速度較大，鏡板和瓦面位置甩出的油較多，甩出的油經(jīng)冷卻器和瓦的支墩之間，迅速補(bǔ)充到瓦的內(nèi)徑部位，構(gòu)成冷熱油的循環(huán)路徑，在冷卻器和瓦之間的回油不會(huì)明顯。大藤峽推力軸承的轉(zhuǎn)速較低，對(duì)冷卻器和瓦之間的回油速度的影響就會(huì)較大，造成足夠影響冷卻效果的油量只在冷卻器周圍循環(huán)，也就減少了推力瓦內(nèi)徑部位的冷油的補(bǔ)充，進(jìn)而出現(xiàn)瓦的進(jìn)油溫度提高，瓦溫升高的現(xiàn)象。

在推力瓦與冷卻器之間，以及冷卻器與冷卻器之間加裝隔油板(圖13)，確保油的循環(huán)按照設(shè)定的路徑(圖11)，使瓦面出來的熱油經(jīng)過冷卻器冷卻變成進(jìn)入瓦面的冷油，實(shí)現(xiàn)推力軸承的潤滑和冷卻。

圖13 冷卻器之間及與瓦之間的隔板

3.2 擋油板

瓦間導(dǎo)流板上增設(shè)擋油板(刮油刷)，見圖14。瓦的徑向?qū)挾?50 mm，擋油板徑向長度550 mm，按一定角度設(shè)置，在里側(cè)，與瓦的出油側(cè)間距較小，與瓦的進(jìn)油側(cè)間距較大，在外側(cè)，與瓦的出油側(cè)間距較大，與瓦的進(jìn)油側(cè)間距較小，有利于冷油進(jìn)入瓦間，熱油從瓦間甩出。

圖14 導(dǎo)流板

擋油板可上下浮動(dòng)，彈簧預(yù)緊。

擋油板(刮油刷)可實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)瓦間的冷熱油分隔，熱油出，冷油進(jìn)的狀態(tài)；二是實(shí)現(xiàn)減少鏡板攜帶的熱油進(jìn)入冷油區(qū)。這樣就可以降低瓦的進(jìn)油溫度，進(jìn)而降低瓦溫。

4 改進(jìn)結(jié)果

未安裝隔油板和擋油板的7、8號(hào)機(jī)推力軸承瓦溫與計(jì)算分析的結(jié)果一致。

2020年7月，在大藤峽6號(hào)機(jī)安裝了隔油板和擋油板，與未裝瓦隔油板和擋油板的7、8號(hào)機(jī)相比，機(jī)組出力100 MW時(shí)瓦溫減低4 K，額定工況時(shí)推力瓦溫明顯降低(表6)，瓦溫降低4～5 K。2020年枯水期大藤峽8號(hào)機(jī)停機(jī)改造，加裝了隔離板和擋油板，與未裝瓦隔油板和擋油板前進(jìn)行對(duì)比，推力瓦溫降低非常明顯。

表6 擋油板安裝前后對(duì)比

5 結(jié)論

選取合適的推力軸承結(jié)構(gòu)，其參數(shù)設(shè)計(jì)合理，是保證推力軸承性能的基礎(chǔ)，但有效的潤滑冷卻方式對(duì)降低推力軸承溫度也具有重要的影響。

通過保證油槽內(nèi)油的循環(huán)按照設(shè)計(jì)設(shè)定的路徑進(jìn)行，才能保證推力軸承瓦的冷卻效率，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的冷卻效果。

大藤峽機(jī)組推力軸承采用內(nèi)循環(huán)冷卻方式，通過改造，在推力瓦與冷卻器之間，以及冷卻器與冷卻器之間加裝隔油板，在瓦間導(dǎo)流板上增設(shè)擋油板(刮油刷)，實(shí)現(xiàn)了冷熱油的有效分隔，確保了推力油槽內(nèi)油的循環(huán)能完全按照設(shè)計(jì)設(shè)定的路徑進(jìn)行，從而有效降低瓦的進(jìn)油溫度，進(jìn)而有效減小鏡板熱油攜帶對(duì)瓦溫的影響，達(dá)到降低瓦溫的預(yù)期效果。