新型重載低速導軸承的研究及在清水塘水電站的應用

東芝水電設備（杭州）有限公司 吳金水

湖南辰溪清水塘水電開發(fā)有限責任公司 范文勝

0. 前言

近年來燈泡貫流式水輪發(fā)電機組向大容量、大尺寸的方向發(fā)展。由于燈泡貫流式電站的低水頭特性，機組的轉速較低，大多都在150r/min以下。因為機組的低轉速特性，在機組向大容量化發(fā)展時機組轉動部件的重量大幅增加。而常規(guī)燈泡貫流式機組為臥式布置，使承載轉動部件重力的徑向導軸承成為燈泡貫流式機組的關鍵技術之一。

按照常規(guī)的看法，燈泡式機組單個導軸承的荷載一般在170t以下。因此在20世紀90年代初期以前，燈泡貫流式機組的軸系采用兩導軸承時，單機容量一般在30MW以下。當單機容量超過30MW以上時，一般需采用三導軸承的軸系結構以減輕單個導軸承的荷載。

但是相對于三導軸承，兩導軸承具有機組總體結構簡單緊湊、安裝調整檢修方便、造價低等優(yōu)勢，因此在可能的情況下都會盡力避免使用三導軸承。兩導軸承的燈泡機組中布置見圖1。

經(jīng)過國內(nèi)外各制造廠的持續(xù)努力，最近十年，雙導軸承機組的應用已擴展到45MW級以上的燈泡貫流機組，單導軸承的實際荷載達到了190-200t級。

圖1 燈泡貫流式機組導軸承布置

清水塘水電站機組的功率為32MW，但機組的轉速僅為62.5r/min，屬于大容量、特低轉速的燈泡機組。而且發(fā)電機的GD2又較大，如采用兩導軸承的軸系設計方案，發(fā)電機導軸承的荷載將達到230t，已大大超出常規(guī)兩導軸承軸系的應用范圍以及單個導軸承的允許承載力。而采用三導軸承軸系的設計方案時會使機組的結構復雜、安裝維護不便以及造價高。

因此，在清水塘水電站的機組上，有必要攻克世界性的技術難題，創(chuàng)新、開發(fā)出適應荷載重、轉速低的燈泡貫流式機組導軸承。

1. 針對清水塘水電站重載、低速導軸承的開發(fā)研究

清水塘水電站位于湖南省辰溪縣境內(nèi)，是沅水干流梯級開發(fā)中湖南省境內(nèi)第六級電站。電站裝有4臺單機容量為32MW的低水頭燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為128MW。

根據(jù)清水塘水電站發(fā)電機的初步設計結果，我們將重載導軸承的開發(fā)目標定為：荷載230t。考慮到國內(nèi)也只有極少數(shù)幾個電站的導軸承實際負荷達到將近200t，而且機組轉速也相對較高。因此，本課題的重載、低轉速導軸承的創(chuàng)新開發(fā)難度和首先在大容量機組上使用都是一個極大的挑戰(zhàn)。

1.1 新型導軸承結構形式的確定

考慮到機組總體結構布置的限制，燈泡機組發(fā)電機側的導軸承，一般都采用與正向推力軸承、反向推力軸承組合成緊湊、復雜的組合軸承。而待開發(fā)的新型重載導軸承要求不能與成熟的原傳統(tǒng)型組合軸承結構形式有沖突，或者說原組合軸承的總體結構形式不允許作大的改變。

初步分析表明，對清水塘導軸承也無法采用原傳統(tǒng)圓筒形導軸承結構的簡單延長設計，因為簡單的延長設計時導軸承的尺寸很大、潤滑參數(shù)不合理、過大的導瓦和支撐體的熱變形和受力變形使導瓦的偏心量和瓦間隙等難以合理選取，以及大尺寸的圓筒型導瓦制造困難等諸多問題。

在作了區(qū)別于傳統(tǒng)結構的多種結構方案的參數(shù)可靠性、結構可行性以及制造的可能性等綜合研究對比后，基本確定了新型導軸承采用分塊、雙排、固定式、塑料滑動面的導軸承結構，如圖2所示。該構造特點如下：

(1)以周向及軸向分割的多塊扇型瓦結構替代傳統(tǒng)的圓筒型瓦結構；

(2)滑動面材料采用PTFE塑料；

(3)采用通常的強制給油方式。

而對于燈泡貫流式機組的導軸承，采用雙排、固定扇形分塊瓦、塑料滑動面都是創(chuàng)新的結構。

圖2 導軸承結構

1.2 新型導軸承的潤滑解析

確定新型導軸承的結構形式后，根據(jù)近似業(yè)績和導軸承基本參數(shù)可以初步確定導軸承及相關部件的結構尺寸。為了驗證新型導軸承設計結構的合理性和軸承潤滑冷卻的可靠性，采用現(xiàn)代計算機技術對導軸承采用油膜彈性流體潤滑機理進行CFD潤滑解析，以理論證明新型導軸承設計的科學性。模型見圖3。

對導軸承的潤滑解析，得到瓦的變形、溫度分布、油膜壓力分布、油膜厚度分布等。根據(jù)解析的結果分析，優(yōu)化導軸承的結構尺寸，并再次進行潤滑解析，如此循環(huán)，最終得出較為合理的結構尺寸方案。

圖3 導軸承模型

對新型導軸承的基本參數(shù)和解析條件如下：

導軸承荷載：230 ton；

主軸轉速： 62.5 r/min；

主軸直徑： 1200mm；

潤滑油牌號：ISO-VG68；

給油溫度： 40℃；

對導軸承在不同的設計間隙和不同轉速工況下，潤滑解析結果的特征參數(shù)列表對比如表1。

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上述解析結果表明，最終確定的導軸承設計參數(shù)是完全可行的。

以下圖4、圖5、圖6是3號瓦在額定轉速下瓦間隙為0.65mm時，導軸瓦油膜厚度、油膜壓力、油膜溫度潤滑三特性的解析結果，以及圖7所示55%過速下的油膜分布。

潤滑解析結果說明，機組在額定狀態(tài)下導軸承油膜的最高溫度不超過90℃，平均約65℃，導軸承瓦面負載中心的油膜厚度在45μm以上，油膜厚度在最小點也有約20μm。由于在導軸承結構上采取了創(chuàng)新的固定雙排瓦以及塑料滑動面結構，并且優(yōu)化了導軸承設計配合尺寸，使各瓦面上油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力的分布均呈合理的狀態(tài)。

因此，雖然清水塘水電站發(fā)電機導軸承的荷載達到創(chuàng)紀錄的230t、額定轉速低至62.5r/min，但從解析結果的理論上證明，該導軸承設計的潤滑參數(shù)是合理可行的。

2. 新型導軸承的模型試驗

2.1 考慮到清水塘水電站采用的導軸承為創(chuàng)新的結構形式，而且導軸承荷載也是創(chuàng)紀錄的。雖然潤滑解析計算從理論上證明了新型導軸承的可行性和合理性，但從保證機組能順利投產(chǎn)、長期安全、可靠運行的角度出發(fā)，有必要對新型結構的導軸承進行模型試驗，以進一步驗證設計結構參數(shù)的合理性。

2.2 模型導軸承的結構、尺寸按與真機導軸承的特征參數(shù)——索末菲數(shù)相一致的真機1/2的比例進行設計制造。下表2列舉了真機導軸承與模型導軸承的相關尺寸、參數(shù)對比。

圖4 油膜厚度分布

圖5 油膜壓力分布

圖6 油膜溫度分布

圖7 過速油膜厚度分布

表2 真機和驗證模型用導軸承的基本參數(shù)對此

圖8 模型導軸承試驗裝置

2.3 模型導軸承試驗

模型導軸承試驗裝置如圖8，它可以按要求通過下加載方式施加不同的徑向荷載，主軸通過調速馬達直接驅動。導軸承運行狀態(tài)的檢測通過渦流傳感器測量主軸的上浮和水平位移來監(jiān)測油膜的厚度，用埋置在模型導瓦體上不同位置、不同深度的測溫元件測量導軸承的運行溫度。

2.4 對模型導軸承進行試驗的基本項目是額定工況、飛逸轉速、30%低轉速30min持續(xù)運行試驗等。

模型導軸承在額定工況下試驗時主軸的軸位移情況見圖9。從試驗結果看，反映運行時油膜厚度的主軸上浮量為46-50μm，和理論潤滑解析的結果相一致。

圖9 模型導軸承試驗的軸位移

模型導軸承在額定工況試驗時下端瓦各測點的溫度見圖10。供油溫度：40℃，環(huán)境溫度：25℃。

圖10 各測點瓦溫

上述試驗結果表明，模型導軸承在額定狀態(tài)下運行穩(wěn)定，軸承溫度、油膜形成厚度等運行狀態(tài)參數(shù)良好。

飛逸轉速試驗的突然提速和降速，雖然軸承溫度及油膜厚度隨著轉速的變化而變化的，軸瓦的溫度有4-5℃的升高，見圖11，但并沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導軸承繼續(xù)保持良好的運行狀態(tài)。

圖11 飛逸試驗下導軸承溫度

另外對模型導軸承在無高壓頂起供油的情況下進行30%低轉速30min連續(xù)運行試驗也表明，穩(wěn)定的油膜厚度為18μm。由于導軸瓦滑動面采用了PTFE塑料，長時間的低轉速、低油膜運行也非常穩(wěn)定。試驗后對導軸承滑動面和轉軸表面進行了檢查，均呈完好的原始光潔狀態(tài)。

新型導軸承的模型試驗，驗證了導軸承的潤滑解析結果，并以試驗證明新型導軸承所確定的結構、尺寸和各設計參數(shù)是合理的。

3. 新型導軸承在清水塘水電站的應用

新型導軸承的結構確定、理論解析并經(jīng)模型導軸承運行試驗的成功驗證，最終確定了在清水塘水電站燈泡貫流式機組上采用該創(chuàng)新的導軸承結構。

前期進行的新型導軸承的結構設計、潤滑冷卻解析、以及模型導軸承的模擬運行試驗，都是從理論上進行驗證。而實際導軸承運行的可靠性還和制造、組裝、安裝調整、現(xiàn)場環(huán)境、運行條件等各種綜合因素都有密切的關系，因此真機運行的考驗才是檢驗新型導軸承技術是否成功的最有效、最終的依據(jù)。

在著手新型導軸承研究約兩年后，清水塘水電站首臺機組于2008年9月底完成72h試運行，試運行期間對新型導軸承進行了各種試驗，試驗結果證明導軸承各項參數(shù)合理、穩(wěn)定，并且與理論解析以及模型試驗結果相吻合。各項試驗結束機組隨后投入正式的商業(yè)運行。

清水塘機組發(fā)電機設計后導軸承的實際基本參數(shù)為：導軸承荷載：220t，額定轉速：62.5r/min; 大軸直徑：1200mm。

首臺機組72h試運行的前5h導軸承運行數(shù)據(jù)如下表3，運行溫度曲線如圖12。

清水塘電站首臺機組投運后，其它機組也陸續(xù)投入運行，其中最后一臺4#機組在2009年8月底投入商業(yè)運行。電站四臺機組先后投入運行后，新型導軸承的運行狀態(tài)優(yōu)良、穩(wěn)定。 各臺機組的運行情況表明，各項性能指標全面達到了設計要求，得到用戶的高度贊揚。

4. 新型導軸承的應用前景

應用于清水塘水電站的新型重載低速導軸承的研制前后歷時兩年多時間。制造廠、電站業(yè)主面對全新結構和荷載創(chuàng)紀錄的雙重重大挑戰(zhàn)，經(jīng)過多方艱苦努力，從導軸承的設計結構、潤滑解析、模型試驗到實際運行都取得豐富的成果。

本課題最終采用的新型導軸承中有多項技術和結構形式為國內(nèi)外首創(chuàng)，清水塘機組導軸承的運行情況表明，課題的研究取得了圓滿成功。

新型導軸承同時具有結構簡單、制造難度適中、可取消高壓油頂起裝置、運行安全可靠、荷載大等優(yōu)點，在大型燈泡貫流式機組上具有廣闊的應用前景，也為解決巨型燈泡貫流式機組的關鍵技術打下了堅實的基礎。

圖12 真機導軸承初始運行溫度

表3 新型導軸承初始運行數(shù)據(jù)

[1]吳金水，南波聰，三上誠著，燈泡貫流式水輪發(fā)電機組用重載塑料導軸承開發(fā)，第二屆水力發(fā)電國際會議論文集