自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用

王 俊，王秋楊，洪旭剛

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 前言

自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻技術(shù)因其有軸承熱油取油位置好，自身損耗低，省去外加泵等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于常規(guī)大型水輪發(fā)電機(jī)和發(fā)電電動機(jī)軸承冷卻。特別是在三峽機(jī)組上的成功應(yīng)用使其逐漸被國內(nèi)行業(yè)所認(rèn)可。該項技術(shù)也被大量應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組，如白蓮河、張河灣、黑麋峰、蒲石河、響水澗等電站。本文以蒲石河電站機(jī)組應(yīng)用為例介紹自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作原理及特點，為該型軸承冷卻系統(tǒng)科學(xué)合理應(yīng)用提供參考依據(jù)。蒲石河發(fā)電電動機(jī)軸承采用半傘式結(jié)構(gòu)，推力下導(dǎo)組合軸承冷卻就是應(yīng)用自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻技術(shù)。

1 結(jié)構(gòu)及原理

自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由推導(dǎo)組合軸承、自泵型導(dǎo)瓦、集油環(huán)管、外置油水冷卻器及其連接管路組成。此處導(dǎo)瓦不是普通導(dǎo)瓦，而是特殊設(shè)計的自泵型導(dǎo)瓦，如圖1所示。自泵型導(dǎo)瓦為整個冷卻系統(tǒng)提供循環(huán)動力，決定冷卻系統(tǒng)的冷卻性能，因此有必要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

以一塊普通導(dǎo)瓦為基礎(chǔ)，在導(dǎo)瓦與滑轉(zhuǎn)子接觸表面從外側(cè)沿滑動方向開有一定深度、寬度和長度的油槽。然后從導(dǎo)瓦下部向上開一圓筒型內(nèi)空腔，高度與油槽上邊緣齊平，再從開好的油槽表面末端沿垂直表面方向開與油槽寬度相同的豎槽縫與內(nèi)空腔連通。所有導(dǎo)瓦內(nèi)空腔出口通過泵盒與集油環(huán)管連接，集油環(huán)管總進(jìn)出油口分別與外置油水冷卻器進(jìn)出油口連接后構(gòu)成整個冷卻系統(tǒng)。

圖1 自泵型導(dǎo)瓦

因抽水蓄能機(jī)組正反向旋轉(zhuǎn)，自泵型導(dǎo)瓦必須具備正反向運轉(zhuǎn)功能。油槽和內(nèi)空腔相連結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)瓦垂直中心線對稱設(shè)置，使導(dǎo)瓦正反向運行都能產(chǎn)生相同的泵吸功能。為保證機(jī)組正反方向轉(zhuǎn)動時，潤滑油流向一致，在導(dǎo)瓦下部連接一個泵盒（如圖2），泵盒內(nèi)部與導(dǎo)瓦內(nèi)空腔連接部位安裝兩個逆止閥，逆止閥共用一個出口連接到集油環(huán)管。

圖2 泵盒

外置油水冷卻器有管式、板式等結(jié)構(gòu)形式。通常布置在發(fā)電機(jī)機(jī)墩外側(cè)，通過潤滑油總管與軸承油箱連接。冷卻器無論采取哪種形式，當(dāng)冷卻水流量和溫度確定后，對潤滑油冷卻效果影響最大的因素就是潤滑油的流量了。

圖3 外置油水冷卻器

自泵型導(dǎo)軸承安裝完畢后，導(dǎo)瓦表面油槽和滑轉(zhuǎn)子表面形成油槽縫隙，其功能就像一個“泵腔”。當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時，滑轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)動方向?qū)?dǎo)瓦附近的熱油吸進(jìn)泵腔，通過豎槽縫進(jìn)入內(nèi)空腔，然后經(jīng)過逆止閥通過泵盒出口匯入集油環(huán)管到達(dá)外置油水冷卻器，熱油經(jīng)過冷卻器冷卻后回到軸承油箱底部。因?qū)咛幱谳S承油箱的上部，上部的熱油不斷地被送到冷卻器，油箱底部的冷油將不斷上升參與推力瓦、導(dǎo)瓦的潤滑冷卻。這就是自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作原理。

2 機(jī)組空載熱穩(wěn)定運行試驗

檢驗軸承冷卻系統(tǒng)性能最有效的手段就是在機(jī)組調(diào)試期間進(jìn)行熱穩(wěn)定運行試驗。發(fā)電機(jī)空載運行狀態(tài)因水輪機(jī)水力作用較復(fù)雜，致使機(jī)組各軸承運行工況較為惡劣。機(jī)組空載運行期間，軸承振動擺度值較其他工況大，各軸承瓦溫也較其他工況高。因此是檢驗機(jī)組軸承各項指標(biāo)的最好時機(jī)。

機(jī)組空載熱穩(wěn)定運行試驗就是發(fā)電機(jī)在空載狀態(tài)下連續(xù)運行直到各軸承瓦溫度、潤滑油溫度不再升高，達(dá)到一個動態(tài)平衡時，記錄過程中軸承各導(dǎo)瓦、推力瓦瓦溫、油溫以及軸承振動擺度等指標(biāo)的試驗。按照慣例，該試驗一般進(jìn)行約4h，此時機(jī)組各軸承瓦溫及潤滑油溫度不再發(fā)生變化，趨于穩(wěn)定。期間如果軸承所有瓦溫均在設(shè)計范圍之內(nèi)，說明冷卻系統(tǒng)符合設(shè)計要求。

單就冷卻系統(tǒng)來說，試驗過程中外置油水冷卻器冷卻水的流量和溫度因變化較小認(rèn)為是恒定不變的。循環(huán)潤滑油的流量也因自泵型導(dǎo)瓦油槽尺寸固定和機(jī)組轉(zhuǎn)速不變也被認(rèn)為是不變的。在此過程中變化的量有推力瓦溫度、導(dǎo)瓦溫度、軸承油槽溫度、冷卻器進(jìn)口熱油和冷油溫度、冷卻器冷卻水出口溫度。

因此通過熱穩(wěn)定運行試驗可以得到冷卻系統(tǒng)在一定冷卻水溫度和流量的條件下，其他所有瓦溫和油溫的變化趨勢曲線。然后對這些變化趨勢進(jìn)行分析，研究冷卻系統(tǒng)的工作性能。

3 冷卻系統(tǒng)正常運行

蒲石河電站發(fā)電機(jī)推力下導(dǎo)組合軸承自泵型導(dǎo)瓦，設(shè)計潤滑油流量為189m3/h。外置冷卻器設(shè)計冷卻水流量為 123m3/h，冷卻水冷水溫度設(shè)計值為 25℃。在保證所有瓦溫小于75℃的條件下，潤滑油溫升為7.7℃，冷卻水溫升為4.6℃。

表1為蒲石河某臺機(jī)組進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運行試驗推力下導(dǎo)軸承冷卻系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)。

表1說明冷卻系統(tǒng)基本參數(shù)滿足設(shè)計條件時（潤滑油流量稍大于設(shè)計流量），軸承冷卻系統(tǒng)能夠滿足軸承冷卻要求，驗證了冷卻系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

4 冷卻系統(tǒng)異常運行

軸承冷卻系統(tǒng)正常工作往往不能體現(xiàn)出冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵原理，只有通過對事故運行事例的分析才能對自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作原理有深刻的理解。

表1 正常工況下空載熱穩(wěn)定運行試驗數(shù)據(jù)

蒲石河電站另一臺機(jī)組在進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運行試驗時發(fā)生瓦溫突升事故。該機(jī)在熱穩(wěn)定運行試驗進(jìn)行約2h之后，在所有導(dǎo)瓦和推力瓦溫度基本趨于穩(wěn)定的時候，某塊下導(dǎo)瓦溫度在3min之內(nèi)突然從71.0℃躍升到75.5℃，指揮部果斷下達(dá)命令緊急停機(jī)。表2為該機(jī)試驗數(shù)據(jù)。

表2 下導(dǎo)瓦瓦溫突升時試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)表明，盡管冷卻水流量符合設(shè)計要求，冷卻水溫度只有 3.81℃，但下導(dǎo)瓦平均溫度仍高達(dá)63.84℃。從試驗數(shù)據(jù)分析，軸承油箱油溫和潤滑油熱油溫度并不是很高，相反對比其他機(jī)組運行數(shù)據(jù)還較低。初步懷疑導(dǎo)致事故發(fā)生最直觀的因素就是潤滑油流量偏低，只有100m3/h。在隨即展開的事故原因分析過程中，主要圍繞這一因素進(jìn)行排查工作。

在徹底檢查了整個冷卻系統(tǒng)油路之后，排除了油管路堵塞的原因。最終只能打開軸承油箱檢查導(dǎo)瓦情況。在拆開下導(dǎo)軸承油箱后，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)下導(dǎo)瓦油槽尺寸不符合設(shè)計要求，油槽深度只有1mm左右。這樣，基本確定是由于導(dǎo)瓦油槽深度過小導(dǎo)致潤滑油流量低。軸承內(nèi)部熱交換效率因潤滑油流量低大打折扣，使下導(dǎo)瓦附近的熱量不能被潤滑油及時帶走，個別導(dǎo)瓦因熱能的累積達(dá)到一定限度發(fā)生瓦溫突升現(xiàn)象。

事故原因查明后將所有下導(dǎo)瓦油槽深度加工至1.4mm。恢復(fù)安裝后進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運行試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 下導(dǎo)瓦處理后空載熱穩(wěn)定運行試驗數(shù)據(jù)

表3試驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗證了事故原因分析的正確性。

5 結(jié)論

檢驗自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻性能的有效手段就是在機(jī)組調(diào)試期間進(jìn)行空載熱穩(wěn)定運行試驗。要達(dá)到理想冷卻效果的關(guān)鍵是要保證潤滑油流量在設(shè)計范圍內(nèi)，而潤滑油流量是由自泵型導(dǎo)瓦油槽尺寸決定的。自泵型導(dǎo)軸承外循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，自身損耗低，特別是在高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]劉平安, 武中德. 三峽發(fā)電機(jī)推力軸承外循環(huán)冷卻技術(shù)[J]. 2008(1).