1000MW水輪發(fā)電機噴淋式低損耗推力軸承技術

鐘海權，歐陽寧東，楊培平，駱 林，徐建偉，劉 政

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

推力軸承損耗由瓦面油膜的摩擦損耗和鏡板等旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的攪拌損耗組成，攪拌損耗與油位成正相關。為了保證推力瓦面能充分潤滑，油槽內(nèi)的初始油位均較高，一般淹沒到鏡板背面，推導組合軸承至少淹沒到導軸瓦一半高度。油位高，意味著鏡板等轉(zhuǎn)動部件淹沒的面積也大，鏡板高速運轉(zhuǎn)時，將造成很大的攪拌損耗、降低機組效率，而且會升高軸承運行油溫和瓦溫，加速潤滑油老化，降低軸承性能和可靠性，增加潤滑油內(nèi)部的氣泡，加重油霧問題。隨著抽水蓄能機組單機容量的不斷增長，機組轉(zhuǎn)速不斷提高，軸承損耗會迅速增大，前述問題更加突出。

采用噴淋式潤滑系統(tǒng)，可以將推力軸承油位降低到鏡板工作面附近甚至以下運行，降低油位可以大幅降低攪拌損耗30%～90%，在冷卻系統(tǒng)不變的情況下，可以降低軸承運行油溫和瓦溫，提高軸承性能和可靠性。

1 推力軸承的損耗分析

推力軸承的損耗本質(zhì)上是油層之間的摩擦損耗，層流狀態(tài)滿足黏性牛頓定律：

式中τ——運動壁面處的剪切應力；

μ——動力黏度；

U——流速；

Z——垂直于運動壁面的坐標；

P——軸承的損耗；

A——摩擦面積。

為了方便分析，將推力軸承損耗分為瓦面油膜的摩擦損耗P1、鏡板等旋轉(zhuǎn)件背面的攪拌損耗P2、鏡板等旋轉(zhuǎn)件內(nèi)圓柱面的攪拌損耗P3、鏡板等旋轉(zhuǎn)件外圓柱面的攪拌損耗P4、瓦間邊界層內(nèi)的攪拌損耗P5。

由瓦面油膜產(chǎn)生的摩擦損耗始終存在，不因采用的潤滑方式而改變。

1.1 旋轉(zhuǎn)件背面的攪拌損耗[1]

式中ns——轉(zhuǎn)速；

D1——旋轉(zhuǎn)件內(nèi)徑；

D2——旋轉(zhuǎn)件外徑；

A2——系數(shù)。

1.2 旋轉(zhuǎn)件內(nèi)圓柱面的攪拌損耗[1]

式中H——旋轉(zhuǎn)件浸油深度；

A3——系數(shù)。

1.3 旋轉(zhuǎn)件外圓柱面的攪拌損耗[1]

式中A4——系數(shù)。

1.4 瓦間邊界層內(nèi)的攪拌損耗[1]

式中m——瓦塊數(shù)；

α——瓦間圓心角；

A5——系數(shù)。

鏡板等旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的攪拌損耗與油位成正相關，較低的油位可能導致沒有P2、P3、P4、P5項。

采用低油位的浸泡潤滑將導致沒有P2項，P3、P4項也會減小。采用非浸泡潤滑將導致沒有P2、P3、P4項，P5項也會減小。本項目開發(fā)的噴淋式低損耗推力軸承技術可以實現(xiàn)噴淋式低油位浸泡潤滑或者噴淋式非浸泡潤滑，可以降低推力軸承攪拌損耗30%～90%[2]。

2 噴淋式低損耗推力軸承技術原理

噴淋式低損耗推力軸承技術系統(tǒng)[3]由外加泵、冷卻器、付油箱、瓦間噴油、軸承、油槽組成，見圖1。

圖1 噴淋式低損耗推力軸承技術系統(tǒng)Figure 1 Spray type thrust bearing technology system with low power loss

在正常運行時，供油泵將油槽內(nèi)的熱潤滑油泵入油冷卻器，冷油注入付油箱，油槽油位下降至工作油位，見圖1。在油泵壓力作用下，通過供油環(huán)管向瓦間鏡板面噴油，鏡板再將潤滑油帶入瓦面油膜。此時，大幅度降低了推力軸承的攪拌損耗。

圖1是低油位的噴淋式浸泡潤滑，圖2是噴淋式非浸泡潤滑。

圖2 噴淋式非浸泡潤滑F(xiàn)igure 2 Spray type non-immersion lubrication

當泵由于停電或其他故障停運時，此時付油箱不再充油。付油箱中的油在重力作用下，會繼續(xù)向油槽排油，同時自動補氣，油槽油位會逐漸上升。當付油箱排空后，油箱中的潤滑油完全排入油槽，軸承處于傳統(tǒng)的全浸泡潤滑狀態(tài)，見圖3。在此過程中，不會出現(xiàn)斷油風險。

圖3 全浸泡潤滑F(xiàn)igure 3 Immersion lubrication

3 噴淋式低損耗推力軸承技術的試驗驗證

模擬試驗在東方電機有限公司2000t級高速重載雙向推力軸承試驗臺上進行。分別采用了4套模型軸承進行1∶1的抽水蓄能機組低損耗推力軸承試驗，采用了2套模型軸承進行常規(guī)巨型機組低損耗推力軸承試驗。

3.1 全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑的損耗測試

測試推力軸承試驗臺的拖動電機功率可以間接反映被試推力軸承的損耗。在同種轉(zhuǎn)速、相同油溫時，全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑軸承對應的電機功率之差即為攪油損耗，見圖4。

圖4 全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑的損耗對比Figure 4 Comparison of immersion and spray type nonimmersion lubrication losses

利用油循環(huán)參數(shù)采用量熱法計算軸承損耗，見表1。某抽水蓄能機組試驗軸承采用噴淋式非浸泡潤滑，比全浸泡潤滑降低損耗約520kW，降幅約40%。

表1 推力軸承油循環(huán)損耗測試Table 1 Thrust bearing oil cycling power loss test

3.2 啟動過程中油膜厚度測試

啟動過程中，油膜厚度見表2，全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑相近。

3.3 額定工況推力軸承性能對比

推力軸承采用噴淋式非浸泡潤滑幾乎沒有攪拌損耗，其中，發(fā)電機工況總損耗比全浸泡潤滑減少464kW（見表3），水泵工況總損耗比全浸泡潤滑減少500kW（見表4）。在相同的冷卻水條件下，發(fā)電機工況噴淋式非浸泡潤滑的油槽油溫比全浸泡潤滑低6.2K，水泵工況4.2K，相應的RTD平均溫度降低4.5K和4.1K，其他性能也有不同程度的改善。

表2 10%～50%轉(zhuǎn)速的油膜厚度測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of oil film thickness at 10%～50% rotational speed

表3 發(fā)電機工況推力軸承性能對比表Table 3 thrust bearing performance comparison Table under generator working conditions

表4 水泵工況推力軸承性能對比表Tabel 4 Thrust bearing performance comparison table under pump working conditions

3.4 斷水工況推力軸承性能對比

設定推力軸承斷水運行時的RTD報警溫度均為80℃，采用噴淋式非浸泡潤滑的斷水運行時間比全浸泡潤滑延長約6分鐘（見表5）。

4 結束語

本文分析了推力軸承攪拌損耗的組成成分，介紹了東方電機有限公司開發(fā)的噴淋式低損耗推力軸承技術的研究成果和試驗驗證情況，得出以下結論：

表5 推力軸承斷水運行時間對比Table 5 Comparison of running time of thrust bearing with cooling water off condition

（1）降低油位可以降低推力軸承攪拌損耗30%～90%。推力軸承采用噴淋式非浸泡潤滑幾乎沒有攪拌損耗，相對全浸泡潤滑，降低總損耗40%～50%。

（2）在冷卻系統(tǒng)不變的情況下，可以降低軸承運行油溫和瓦溫，延長意外斷水的運行時間，提高軸承性能和可靠性。