大型水輪發(fā)電機推力軸承外加泵外循環(huán)冷卻技術(shù)

李明宇，武中德，吳軍令

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

0 前言

對于大型水輪發(fā)電機，冷卻技術(shù)對推力軸承的性能有著非常重要的影響。

在哈爾濱大電機研究所的 3000t推力軸承試驗臺上，進行了外加泵外循環(huán)冷卻方式的1000MW級水輪發(fā)電機彈性金屬塑料瓦推力軸承試驗，2012年進行了外加泵外循環(huán)冷卻方式的溧陽雙向巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦推力軸承試驗。

本文介紹了大型水輪發(fā)電機推力軸承外加泵外循環(huán)冷卻技術(shù)，分析了推力軸承瓦冷卻技術(shù)特性。對大型水輪發(fā)電機推力軸承的外加泵外循環(huán)冷卻技術(shù)設(shè)計提出了建議。

1 外加泵外循環(huán)特性

對外加泵外循環(huán)系統(tǒng)，在油的循環(huán)回路系統(tǒng)中外加一組互為備用的電動油泵，作為循環(huán)動力，由冷卻器、濾油器、壓力表、流量顯示器和閥門等元件組成，如圖1和圖2所示。潤滑油在油槽內(nèi)部可采用瓦間噴管結(jié)構(gòu)或瓦間隔板結(jié)構(gòu)進行潤滑。外加泵外循環(huán)系統(tǒng)對外部管路和元件的阻力要求不高，適用于大負荷、低速推力軸承。

（1）瓦間噴管結(jié)構(gòu)。進、出油環(huán)管布置在油槽內(nèi)。在進油（冷油）環(huán)管上按瓦數(shù)布置帶有小孔的噴油管，冷油直接噴入瓦間鏡板面或瓦的入油邊進行潤滑冷卻。在出油（熱油）環(huán)管上布置吸油管，將熱油吸走，進入冷卻器，重復(fù)循環(huán)。適用于一般負荷的推力軸承。

（2）瓦間隔板結(jié)構(gòu)。將隔板插入兩瓦之間并與鏡板平行，其與鏡板面之間形成一個徑向通道。該結(jié)構(gòu)油槽中必須設(shè)隔油板，將油槽分成上、下兩腔。上部腔為熱油區(qū)，下部腔為冷油區(qū)。但必須采用連通管將冷油區(qū)的一部分油引到穩(wěn)油板上方，以改善軸承運行條件。根據(jù)情況，也可將進、出油環(huán)管布置在油槽外部。此結(jié)構(gòu)適用于大型或超大型推力軸承。

龍灘、官地、溧陽等是采用外加泵外循環(huán)冷卻的典型機組。

推力軸承的外加泵外循環(huán)冷卻方式，冷卻器、泵、油過濾器及相應(yīng)閥門等均應(yīng)100%備用，故障時可自動切換到備用管線工作，并發(fā)出報警信號，以保證油循環(huán)系統(tǒng)的可靠運行。

相對于內(nèi)循環(huán)冷卻方式，外加泵外循環(huán)冷卻方式的油泵及油循環(huán)的控制設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資比內(nèi)循環(huán)的大，管路部件多，管理維護不便。但其優(yōu)點是拆卸推力瓦不需拆卸冷卻器，且油冷卻器、推力軸承檢修相對便利。單個冷卻器可拆卸維修，不影響其他冷卻器的使用。

2 循環(huán)冷卻計算

潤滑冷卻的油量，包括油槽和管路及冷卻器中的所有用油，其最少要保證推力軸承斷水運行（巴氏合金瓦15min，塑料瓦20min）的要求。

圖1 外加泵外循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)示意

圖2 外加泵外循環(huán)冷卻系統(tǒng)

外循環(huán)的油和水的流量根據(jù)軸承損耗確定，計算公式如下：

式中，Q（L/min）為流量，P（kW）為軸承損耗，ΔT（K）為循環(huán)油（水）溫差，C（cal/kg/K）為油（水）比熱，ρ（kg/m3）為油（水）密度。

對于循環(huán)油，ΔT=5～10 K，對于冷卻水，溫差可取油溫差的1/2。油泵電機的功率：

式中，F(xiàn)（kW）為電機的功率，ppump為泵壓力，0.6MPa，μ為泵和電機的效率。

3 試驗測量結(jié)果

試驗軸承基本參數(shù)見表1。試驗?zāi)Ｐ捅壤?:1，模擬軸承的實際運行狀態(tài)。

表1 推力軸承基本參數(shù)

多波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)（軸承1）的塑料瓦推力軸承采用外加泵外循環(huán)冷卻方式，額定工況下，油溫37.9～39.2℃＜ [50℃]（表2），推力瓦溫度 48.3～50.6℃＜ [60℃]（RTD），推力瓦間溫度差 2.3K ＜ [5K]，瓦面溫度 79.9℃＜ [90℃]。

單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)的（軸承2）巴氏合金瓦推力軸承在額定工況下，油溫 34.1～36.3℃＜ [50℃]（表3），推力瓦溫度 71.2～74.6℃＜ [75℃]（RTD），推力瓦間溫度差4.4K＜ [5K]，瓦面溫度81℃＜ [90℃]。

單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)的（軸承2）塑料瓦推力軸承在額定工況下，油溫28.2～33.5℃＜ [50℃]（表4），推力瓦溫度41.6～44.8℃＜ [60℃]（RTD），推力瓦間溫度差 3.2K＜ [5K]，瓦面溫度 51℃＜ [90℃]。

試驗軸承的油溫和瓦溫符合相關(guān)規(guī)范。油槽內(nèi)沒有明顯的冷熱油區(qū)域，說明外加泵外循環(huán)的油溫分布合理，冷卻效果較好。

表2 油槽內(nèi)油溫

表3 油槽內(nèi)油溫（℃）

表4 油槽內(nèi)油溫（℃）

4 結(jié)論

推力軸承采用外循環(huán)或內(nèi)循環(huán)潤滑冷卻，其效果相近，可根據(jù)推力軸承負荷的大小、轉(zhuǎn)速高低等進行選擇。內(nèi)循環(huán)冷卻、鏡板泵、導(dǎo)瓦泵和外加泵外循環(huán)冷卻均有一定的優(yōu)點，它們都是大型水輪發(fā)電機推力軸承可選用的潤滑冷卻方式之一。

采用外加泵外循環(huán)冷卻方式的試驗結(jié)果表明，采用油槽內(nèi)瓦間隔板結(jié)構(gòu)合理，冷卻器的容量選擇適當(dāng)。

大型推力軸承采用外加泵外循環(huán)冷卻方式是安全可靠的。已在龍灘、官地、溧陽等機組上采用。

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