大型水輪發(fā)電機組水導軸承綜述

孫茂軍，陳 琛，李 浪

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 引言

水輪發(fā)電機組的原理就是把水流從高處流下的能量，經(jīng)過水輪機轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能，通過水輪機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)將機械能轉(zhuǎn)化為電能。我國水輪發(fā)電機組技術起步較晚，但隨著三峽、向家壩、溪洛渡、烏東德、白鶴灘等巨型水電站的建設，特別是白鶴灘16 臺國產(chǎn)1 000 MW 巨型機組的設計制造，中國首次踏進了世界百萬水電機組無人區(qū)，成為了世界水電的引領者。

作為旋轉(zhuǎn)機械，隨著水頭、負荷的波動，水輪發(fā)電機組不可避免的存在振動、擺動，如果振動、擺動過大，將會給機組設備、廠房，甚至電站下游人民帶來巨大的威脅，所以必須將其振動、擺動限制在一定的范圍內(nèi)，而水導軸承就是限制其擺動范圍的一個重要組成。

本文結(jié)合長江干流已投運700 MW 以上大型水輪發(fā)電機組，系統(tǒng)闡述水導軸承結(jié)構(gòu)形式，并對白鶴灘水電站水導軸承進行詳細敘述。

2 水導軸承的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)型式的不同，水導軸承可分為橡膠導軸承、筒式導軸承、分塊瓦導軸承。為保證水導軸承的穩(wěn)定性，并考慮檢修維護性、經(jīng)濟性，大型水輪發(fā)電機組均采用分塊瓦式導軸承結(jié)構(gòu)，為此，本文將重點對分塊瓦式導軸承進行闡述。

分塊瓦式導軸承通過在旋轉(zhuǎn)大軸圓周方向布置多塊水導瓦，以確保大軸在規(guī)定的軸線位置旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)相對復雜，但優(yōu)點突出，匯總?cè)缦拢?/p>

（1）軸承總間隙可根據(jù)機組運行情況在設計范圍內(nèi)靈活調(diào)整。

（2）每塊瓦獨立支撐，可以繞支撐點產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)，間隙可獨立調(diào)整，對軸線擺動適應性強，承載能力高。

（3）導瓦與冷卻介質(zhì)具有較大的接觸面積，散熱能力強。

（4）安裝、調(diào)整、檢修維護方便。

分塊瓦式水導軸承根據(jù)不同屬性又可分為不同的結(jié)構(gòu)形式，按支撐方式可分為抗重螺栓支撐和楔子板支撐結(jié)構(gòu)；按冷卻方式可分為冷卻器冷卻和自然冷卻，其中冷卻器冷卻又可分為自泵外循環(huán)、強迫外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)等結(jié)構(gòu)形式；按滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為有軸領結(jié)構(gòu)和無軸領結(jié)構(gòu)形式。

3 長江干流巨型水輪發(fā)電機組水導軸承簡介

由于尺寸巨大，為便于軸承檢修、維護，長江干流三峽、向家壩、溪洛渡及建造中的烏東德、白鶴灘5 座電站巨型水輪發(fā)電機組水導軸承均為分塊瓦式導軸承，但由于具體結(jié)構(gòu)差異，根據(jù)冷卻方式可分為強迫外循環(huán)和自泵外循環(huán)兩種形式；而根據(jù)滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為有軸領和無軸領兩種結(jié)構(gòu)。

3.1 冷卻方式

3.1.1 自泵外循環(huán)

自泵外循環(huán)結(jié)構(gòu)模式是指水導外循環(huán)系統(tǒng)中未設置電動油泵，油槽油液完全依靠自身結(jié)構(gòu)設計，在機組旋轉(zhuǎn)離心力作用下，將油槽中的熱油泵出送至外置冷卻器冷卻后，再注入油槽對水導瓦進行冷卻的結(jié)構(gòu)模式。溪洛渡左岸哈電、白鶴灘右岸哈電機組均采用該冷卻方式。

3.1.2 強迫外循環(huán)

強迫外循環(huán)結(jié)構(gòu)形式是指水導油槽中的熱油，在外置油泵作用下抽出送至外部冷卻器冷卻后，再注入油槽對水導瓦進行冷卻的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3.2.1 無軸領結(jié)構(gòu)

無軸領結(jié)構(gòu)以主軸自身作為導軸承的滑轉(zhuǎn)子使用。巨型機組由于機組主軸尺寸大，軸領加工工藝復雜，相對帶軸領的水導軸承而言，無軸領結(jié)構(gòu)降低了主軸加工難度，因而受到生產(chǎn)廠家的青睞。但此種結(jié)構(gòu)需設置甩油環(huán)、外油箱等部件，整體較復雜，對泵的可靠性要求高，所需安裝空間大，長時間停機后，因上油箱油液大量滲漏進入外油箱，對軸瓦保護不足。三峽哈電、ALSTOM 機組以及向家壩哈電、ALSTOM 機組均采用此結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 無軸領結(jié)構(gòu)水導軸承

3.2.2 有軸領結(jié)構(gòu)

有軸領結(jié)構(gòu)在水輪機大軸上附加有一圈軸領，并以軸領作為軸承滑轉(zhuǎn)子，由于軸領的設計，導軸承可在軸領及大軸間設置擋油筒，從油箱與滑轉(zhuǎn)子間滲漏油液直接進入到下油盆，故而無需設計下甩油環(huán)，迷宮式密封環(huán)結(jié)構(gòu)也相對簡單，整體尺寸緊湊，對空間要求較低，冷卻方式選擇靈活性高。

由于河道條件的限制，越來越多的電站只能將機組設備建設在地下廠房內(nèi)，對機組設備的空間利用率要求高，所以仍有大量的水輪發(fā)電機組采用有軸領軸承結(jié)構(gòu)。三峽VGS、東電機組以及溪洛渡、烏東德、白鶴灘電站全部機組均采用此結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 有軸領結(jié)構(gòu)水導軸承

4 白鶴灘水電站水導軸承簡介

白鶴灘水電站水導軸承為稀油潤滑分塊瓦、有軸領結(jié)構(gòu)設計，其中東電、哈電機組水導軸承分別設有24 塊、16 塊巴氏合金軸瓦，為楔子板調(diào)整結(jié)構(gòu)。

4.1 東電水導軸承

東電水導軸承整體結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。其冷卻方式采用外加泵強迫外循環(huán)模式，整體設計要求較低，但對油泵工作可靠性要求較高，控制程序復雜，維護工作量大。其冷卻系統(tǒng)如圖4 所示，油盆內(nèi)熱油在油泵作用下依次進入過濾器、冷卻器后再注入油槽，對水導瓦進行冷卻，冷油經(jīng)過水導瓦后被加熱成熱油，密度小于冷油，浮在油箱上部，并翻過溢流板進入下部油盆，再被油泵抽出，形成油路循環(huán)。冷卻水通過冷卻水總管上的支管分別進入冷卻器，冷卻熱油后再排出匯至出水總管排走。

4.2 哈電水導軸承

圖3 東電水導軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 東電水導外循環(huán)冷卻系統(tǒng)示意圖

圖5 哈電水導軸承結(jié)構(gòu)示意圖

哈電水導軸承整體結(jié)構(gòu)形式如圖5 所示。其冷卻方式采用自泵外循環(huán)模式，無需外接電動油泵，故而不存在斷電影響，安全可靠性較高，維護工作量小，但結(jié)構(gòu)設計要求較高。其冷卻系統(tǒng)如圖6 所示。油盆內(nèi)的熱油在大軸旋轉(zhuǎn)離心力作用下，甩入下油箱，并達到一定的壓力，在差壓作用下分別自流進入冷卻器，經(jīng)冷卻器冷卻后注入油槽，對水導瓦進行冷卻，冷油經(jīng)過水導瓦后被加熱成熱油，密度小于冷油，浮在油箱上部，并翻過溢流板進入下部油盆，再被甩入下油箱，形成油路循環(huán)。冷卻水通過冷卻水總管上的支管分別進入冷卻器，冷卻熱油后再排出匯至出水總管排走。

5 結(jié)語

圖6 哈電水導外循環(huán)冷卻系統(tǒng)示意圖

（1）隨著水輪發(fā)電機組的容量增大，水導軸承所承載負荷也越來越高，尺寸越來越大，承載能力強、造價相對較低、檢修維護及調(diào)整方便的分塊瓦式導軸承結(jié)構(gòu)得到廣泛應用。

（2）自泵式外循環(huán)安全可靠性較高，但結(jié)構(gòu)設計技術難度高，而外加泵強迫外循環(huán)雖然控制程序復雜，但設計難度較低，應用更為廣泛。

（3）無軸領結(jié)構(gòu)雖然主軸加工難度較低，但需要的外部輔助設備較多，空間要求較大，日常維護工作量大；而有軸領結(jié)構(gòu)空間利用率高，外循環(huán)方式選擇靈活，且隨著技術進步，加工難度相對越低，得到了越來越廣泛的應用。

作為水輪發(fā)電機組關鍵部件的水導軸承，其工作正常與否，直接影響著機組的安全穩(wěn)定性能，隨著機組單機容量的越來越大，人們對水導軸承的關注度也越來越高。隨著長江干流三峽、向家壩、溪洛渡水電站的建設及投產(chǎn)運行，國內(nèi)已探索出一套巨型水輪發(fā)電機組水導軸承安全、穩(wěn)定、高效運行的管理和使用經(jīng)驗，促進了國內(nèi)水輪發(fā)電機組的技術進步，并將進一步推動世界水電的高質(zhì)量發(fā)展。