推力軸承外循環(huán)冷卻方式在實(shí)際應(yīng)用中具有的優(yōu)缺點(diǎn)

鄢 天 留， 劉 旭 東

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司，四川 樂(lè)山 614013；2.四川美姑河水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 611130)

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，起承受整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量和軸向水推力的作用，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，推力軸承鏡板與推力瓦之間不斷摩擦產(chǎn)生熱量，通過(guò)儲(chǔ)存于推力油槽內(nèi)的透平油與推力冷卻器的熱量交換建立動(dòng)態(tài)平衡，使推力瓦溫保持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，推力軸承透平油的冷卻至關(guān)重要。筆者介紹了大渡河流域下游沙灣水電站、安谷水電站機(jī)組的技術(shù)參數(shù)、推力軸承結(jié)構(gòu)形式以及采取的冷卻方式，并對(duì)兩種推力軸承冷卻方式在實(shí)際應(yīng)用中的冷卻效果進(jìn)行了比較，總結(jié)了兩種冷卻方式各自具有的優(yōu)缺點(diǎn)和采取的改進(jìn)措施。

1 兩座電站采用的推力軸承冷卻型式

沙灣水電站是大渡河干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的下游電站，與最后一級(jí)開(kāi)發(fā)的安谷水電站相毗鄰，屬河床式電站，安裝4×120 MW半傘式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，推力軸承采用內(nèi)循環(huán)冷卻方式:由18個(gè)抽屜式冷卻器鑲嵌在推力油槽四周，推力軸承內(nèi)注有一定量的潤(rùn)滑油(透平油)，其油位高于冷卻器上端面，冷卻器銅管浸泡于推力潤(rùn)滑油內(nèi)。推力軸承冷卻原理見(jiàn)圖1：當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，隨發(fā)電機(jī)組大軸旋轉(zhuǎn)的推力鏡板與固定的推力瓦不斷摩擦產(chǎn)生熱量，由于兩部件均位于潤(rùn)滑油液面以下，將推力鏡板和推力瓦的熱量傳遞給潤(rùn)滑油，同時(shí)，帶有一定壓力的機(jī)組冷卻水經(jīng)冷卻水管路流入推力冷卻器，隨冷卻器內(nèi)環(huán)形布置、緊密排列的冷卻銅管往復(fù)流動(dòng)，與冷卻銅管外的潤(rùn)滑油產(chǎn)生充分地?zé)崃拷粨Q，再由冷卻器出水管流出，降低潤(rùn)滑油溫度，達(dá)到冷卻推力軸承的效果。

圖1 推力軸承冷卻原理圖

安谷水電站安裝4×190 MW全傘式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)單機(jī)容量為12 MW軸流轉(zhuǎn)槳式生態(tài)機(jī)組。筆者以大機(jī)組為例予以介紹。機(jī)組推力軸承采用外循環(huán)冷卻方式:推力鏡板內(nèi)部開(kāi)有由內(nèi)向外的徑向油孔，鏡板外立面裝配有與之緊密配合的“U”型油室，間隙約為0.4 mm，油室外側(cè)接有油管路，將熱油引至外置冷卻器，其冷卻原理見(jiàn)圖2。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，推力鏡板隨發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通孔內(nèi)的積油在離心力作用下向外側(cè)甩出，同時(shí)油槽內(nèi)的潤(rùn)滑油不斷流入鏡板內(nèi)側(cè)油孔，往復(fù)循環(huán)，產(chǎn)生泵效應(yīng)，稱為鏡板泵。鏡板泵將甩出的、帶有一定壓力的潤(rùn)滑油聚集于油室內(nèi)，由于油室內(nèi)側(cè)與鏡板外立面間隙很小，大部分壓力油流入外接管路中，經(jīng)油過(guò)濾器輸送到外罩式冷卻器，在冷卻器內(nèi)產(chǎn)生熱交換冷卻后回流到油槽底部，使油槽潤(rùn)滑油實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。

圖2 外置冷卻器冷卻原理圖

2 機(jī)組參數(shù)及產(chǎn)熱量比較

安谷水電站位于四川省樂(lè)山市大渡河下游，系大渡河流域開(kāi)發(fā)的最后一級(jí)電站，與上游相鄰的沙灣水電站同屬河床式水電站，同為軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，水文參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸基本相似，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 沙灣及安谷水電站機(jī)組技術(shù)參數(shù)表

機(jī)組運(yùn)行時(shí)推力軸承鏡板在推力瓦上旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦熱，產(chǎn)生熱量的多少與滑動(dòng)摩擦力的大小和相對(duì)滑動(dòng)的距離有關(guān)，根據(jù)滑動(dòng)摩擦熱量計(jì)算公式：

Q=FS

式中F為滑動(dòng)摩擦力；S為一個(gè)物體在另一個(gè)物體上滑動(dòng)的距離。

又有:S=vt=ωrt

鏡板各質(zhì)點(diǎn)速度v為鏡板旋轉(zhuǎn)的角速度ω與半徑r的乘積，由于兩電站推力軸承瓦內(nèi)經(jīng)、外徑尺寸基本相同，故可初約認(rèn)為:

可得:S沙∶S安=ω沙∶ω安≈0.87

另一影響機(jī)組熱量產(chǎn)生的因素則為F，根據(jù)滑動(dòng)摩擦力F的大小跟正壓力成正比，即：

F=μN(yùn)

式中μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，與接觸面的材料、粗糙程度有關(guān)；查閱相關(guān)資料，在同等條件下，塑料瓦比巴氏合金瓦的摩擦損耗降低5%～7%，此處取6%，巴氏合金瓦的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.005；N為機(jī)組推力負(fù)荷的重力。

由此可以計(jì)算出沙灣水電站、安谷水電站機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)推力軸承產(chǎn)生的熱量：

F沙=μN(yùn)=0.004 7×2 350×1 000×9.81

=108.35(kN)

F安=μN(yùn)=0.005×2 974×1 000×9.81

=145.87(kN)

Q沙：Q安=(F沙×S沙)∶(F安×S安)

≈0.64

即沙灣水電站機(jī)組推力軸承產(chǎn)生的熱量約為安谷水電站推力軸承產(chǎn)生熱量的0.64倍。

3 運(yùn)行情況分析

2015年3～6月,我們連續(xù)3個(gè)月對(duì)兩電站機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的推力軸承瓦溫、油溫、冷卻水壓進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出：兩電站機(jī)組在額定負(fù)荷、推力軸承冷卻基本相同的情況下，安谷水電站機(jī)組推力軸承瓦溫維持在61 ℃左右，較沙灣水電站機(jī)組推力瓦溫35 ℃高出約26 ℃；推力軸承油溫為27 ℃左右，高出沙灣水電站機(jī)組推力瓦溫26 ℃約1 ℃?？紤]到推力軸承冷卻的原理是冷卻水與油水質(zhì)、水壓槽內(nèi)潤(rùn)滑油產(chǎn)生的熱量進(jìn)行交換，沙灣水電站推力軸承產(chǎn)熱量小，冷卻器用水量多，而安谷水電站推力軸承產(chǎn)熱量大，冷卻器用水量少，推力軸承油溫約高于沙灣水電站推力軸承的瓦溫屬正?，F(xiàn)象，所以，可以認(rèn)為采用內(nèi)循環(huán)冷卻方式的沙灣水電站機(jī)組推力軸承和采用外循環(huán)冷卻方式的安谷水電站機(jī)組推力軸承冷卻效果基本相同。

表3 沙灣水電站、安谷水電站運(yùn)行參數(shù)表

另外,由于推力瓦材質(zhì)不同，導(dǎo)熱能力不同，以及測(cè)溫元件安裝位置不同而導(dǎo)致兩類型推力瓦瓦溫相差較大，推力瓦溫的高低對(duì)推力軸承的冷卻效果參考意義不大。

4 兩種冷卻方式具有的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)內(nèi)循環(huán)冷卻方式具有的優(yōu)點(diǎn)：軸承的普通內(nèi)循環(huán)即自然循環(huán)，利用軸承自身的循環(huán)動(dòng)力而無(wú)需外力，總損耗小，沒(méi)有外循環(huán)油泵事故之憂；內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)管路部件少，裝置相對(duì)集中，無(wú)附加備用設(shè)備，節(jié)省設(shè)備投資；內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)冷卻器鑲?cè)胗筒?，與潤(rùn)滑油充分接觸，熱交換充分；軸承內(nèi)部鏡板外無(wú)鏡泵積油室，安裝方便，密封簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠。

缺點(diǎn)：油冷卻器裝設(shè)在油槽內(nèi)，冷卻油路循環(huán)相對(duì)復(fù)雜，拆卸推力瓦需先拆卸冷卻器。冷卻器數(shù)量多，一旦有冷卻器出現(xiàn)滲漏時(shí)排查困難；油槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，不便于檢修、清掃。

(2)外循環(huán)冷卻方式具有的優(yōu)點(diǎn)：油槽小，方便結(jié)構(gòu)布置，拆卸推力瓦不需拆卸冷卻器；冷卻器用水量少，節(jié)約冷卻水，節(jié)省技術(shù)供水系統(tǒng)費(fèi)用；冷卻器放置在機(jī)坑外，空間大，冷卻器、推力軸承檢修和技術(shù)改造相對(duì)便利，單個(gè)冷卻器可拆卸維修，不影響其它冷卻器的使用。

缺點(diǎn)：冷卻器裝設(shè)在油槽外，有油循環(huán)的動(dòng)力設(shè)備，如鏡板泵或外加油泵、油循環(huán)的控制設(shè)備、管路連接頭及閥門等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了油的滲漏點(diǎn)，出現(xiàn)故障的概率高；外部循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備投資比內(nèi)循環(huán)大。

5 結(jié) 語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)推力軸承外置式冷卻器如今已得到廣泛應(yīng)用，從沙灣水電站和安谷水電站推力軸承兩種冷卻方式的比較中可見(jiàn)：巴氏合金推力瓦溫大大高于金屬塑料推力瓦；兩種冷卻方式冷卻效果基本相同；但瓦溫的高低與材質(zhì)的熱容量、導(dǎo)熱性、測(cè)溫元件安裝位置等因素有一定的關(guān)系，安谷水電站可考慮更換新型材質(zhì)推力瓦，增加推力鏡板甩油通孔，增加熱油循環(huán)，降低鏡板溫度等方式降低推力瓦溫。同時(shí)，可根據(jù)推力軸承油溫變化情況適當(dāng)調(diào)整冷卻水壓，必要時(shí)可增設(shè)抽油泵、加速熱油循環(huán)。

抽屜式內(nèi)循環(huán)冷卻和鏡板泵外循環(huán)冷卻均具有一定的優(yōu)點(diǎn)，它們都是大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承可靠的潤(rùn)滑冷卻方式之一，各電站可根據(jù)推力軸承的大小、轉(zhuǎn)速高低等綜合情況進(jìn)行選擇。