蘇布雷水電站推力瓦溫度偏高的原因分析及處理

郭 真 景

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

蘇布雷水電站位于西非科特迪瓦國西部，安裝3臺、單機(jī)容量為90 MW的立軸半傘式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速107.14 r/min，額定推力負(fù)荷1 011 t，下導(dǎo)軸承和推力軸承共用一個油槽，潤滑油的冷卻方式為內(nèi)循環(huán)冷卻。3臺機(jī)組在調(diào)試過程中72 MW負(fù)荷下運行時推力瓦溫度均達(dá)到設(shè)計報警值75 ℃，機(jī)組無法在滿負(fù)荷下穩(wěn)定運行，必須采取有效的措施降低推力瓦的溫度。

蘇布雷水電站發(fā)電機(jī)推力組合軸承位于轉(zhuǎn)子下方的下機(jī)架上，由推力頭、推力瓦、下導(dǎo)瓦、彈性油箱裝配、密封蓋裝配、穩(wěn)油板裝配、擋油筒、油冷卻器裝配等組成。推力頭為帶鏡板鍛件結(jié)構(gòu)，推力瓦采用鎢金瓦，其摩擦面為一層巴氏合金，每塊瓦上安裝一個RTD用于測量不同工況下推力瓦熱油邊的溫度。推力瓦外徑為2 980 mm，內(nèi)徑為1 900 mm，共12塊，支撐直徑為2 450 mm。推力軸承的相關(guān)參數(shù)見表1。下導(dǎo)軸承采用8塊鎢金瓦，瓦與推力頭的摩擦直徑為2 980 mm。推力瓦與鏡板之間設(shè)置有高壓油潤滑裝置(簡稱高頂裝置)，以減少推力瓦與鏡板之間的摩擦系數(shù)，額定油壓為15 MPa。潤滑油的循環(huán)冷卻方式為內(nèi)循環(huán)冷卻。機(jī)組在運轉(zhuǎn)時推力瓦與鏡板之間及下導(dǎo)瓦與推力頭之間摩擦產(chǎn)生的熱量使推力瓦及下導(dǎo)瓦周圍潤滑油溫度升高變?yōu)闊嵊?，熱油在推力頭旋轉(zhuǎn)帶動下通過油冷卻器進(jìn)行冷卻變成冷油，冷油進(jìn)入推力軸承座下方的油槽，然后流向推力瓦和下導(dǎo)瓦周圍對推力瓦和下導(dǎo)瓦進(jìn)行冷卻以降低推力瓦和下導(dǎo)瓦的溫度。推力下導(dǎo)組合軸承結(jié)構(gòu)及潤滑油內(nèi)循環(huán)路徑見圖1。

2 推力軸承調(diào)試期間存在的問題

推力瓦溫、油槽內(nèi)的潤滑油溫、冷卻器進(jìn)出水溫度和冷卻水流量是推力軸承運行時的重要性能指標(biāo)。蘇布雷水電站機(jī)組在帶負(fù)荷運行時下導(dǎo)瓦溫及油槽內(nèi)潤滑油溫均未超過設(shè)計要求；但當(dāng)機(jī)組在72 MW負(fù)荷下運行時，推力瓦溫達(dá)到設(shè)計報警值75 ℃，導(dǎo)致機(jī)組無法在額定負(fù)荷90 MW下安全運行，因此，必須查找原因并采取有針對性的措施降低推力瓦的溫度，以滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

3 推力瓦溫度偏高的原因分析

1.推力頭鏡板組合體；2.油槽密封蓋；3.下導(dǎo)瓦；4.內(nèi)油槽蓋板；5.推力瓦；6.擋油板；7.油冷卻器；8.彈性油箱；9.內(nèi)擋油筒圖1 推力組合軸承結(jié)構(gòu)及潤滑油內(nèi)循環(huán)路徑示意圖

表1 蘇布雷水電站發(fā)電機(jī)推力軸承設(shè)計參數(shù)表

常見的影響推力瓦溫度偏高的原因有：(1)冷卻器冷卻效果不好，無法將熱油溫度帶走。(2)潤滑油質(zhì)量不好，潤滑效果不佳。(3)推力瓦質(zhì)量差，當(dāng)瓦溫高時瓦面發(fā)生變形，不利于油膜的形成。(4)機(jī)組軸向調(diào)整不好，推力瓦受力不均。由分析可知，首先，蘇布雷水電站的推力軸承冷卻水流量設(shè)計的最小值為77.4 m3/h，而實際運行的流量為94 m3/h，進(jìn)水管最高溫度為30 ℃。但冷卻器設(shè)計是按最小流量77.4 m3/h、最高進(jìn)水溫度33 ℃進(jìn)行的，故可以排除冷卻器冷卻效果不好的原因。其二，推力軸承油槽內(nèi)所加的潤滑油是經(jīng)過檢驗合格的新油且機(jī)組運行時間不長，故可以排除潤滑油質(zhì)量不好對瓦溫的影響。雖然受現(xiàn)場條件限制，不能測試推力瓦油膜厚度及溫度場，但根據(jù)推力瓦設(shè)計計算書，推力瓦受熱變形有很大的富裕度，現(xiàn)場檢查推力瓦面亦完好，故推力瓦質(zhì)量不好影響瓦溫的因素也可以排除。其三，蘇布雷水電站推力瓦支撐為固定式彈性油箱結(jié)構(gòu)，能夠保證各塊推力瓦受力均勻，現(xiàn)場不需要調(diào)整推力瓦受力，且調(diào)試時推力瓦之間的溫差在1 ℃之內(nèi)，故可以排除推力瓦受力不均對瓦溫的影響。鑒于以上影響推力瓦溫度偏高的主要因素均已排除，為解決問題，必須進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

眾所周知，推力油槽內(nèi)的熱量主要是通過潤滑油的循環(huán)、經(jīng)過冷卻器冷卻，然后通過冷卻水帶走熱量。推力油槽內(nèi)的潤滑油循環(huán)方式分為兩種：一種是外循環(huán)。冷卻器布置在油槽外，潤滑油通過鏡板泵或油泵將油帶出油槽，通過油槽外的油冷卻器冷卻后再回到油槽；另外一種是內(nèi)循環(huán)。冷卻器布置在油槽內(nèi)，油槽內(nèi)設(shè)置各種擋油板形成油循環(huán)路徑，潤滑油在轉(zhuǎn)動部件(推力頭和鏡板)的帶動下、依靠離心力的作用沿循環(huán)路徑循環(huán)，通過冷卻器冷卻后將熱量帶走，冷油再流向推力瓦周圍，進(jìn)而降低推力瓦的溫度。蘇布雷水電站推力軸承采用的是內(nèi)循環(huán)方式。從圖1可以看出，如果潤滑油沿設(shè)計的路徑進(jìn)行循環(huán)，推力軸承產(chǎn)生的熱量是可以通過冷卻器冷卻后再流向推力瓦周圍對瓦進(jìn)行冷卻的。從圖1中亦可以看出，轉(zhuǎn)動部件中的鏡板底部(該機(jī)組推力頭和鏡板為一體)比冷卻器頂面高，基本與下導(dǎo)油槽底部在一個平面上，故當(dāng)機(jī)組運行時，鏡板旋轉(zhuǎn)所帶動的油大部分只能在下導(dǎo)內(nèi)油槽循環(huán)，而鏡板周圍的潤滑油由于動力不足，只有很少一部分油能通過冷卻器進(jìn)行冷卻，潤滑油無法按設(shè)計的路徑進(jìn)行循環(huán)，導(dǎo)致推力瓦周圍大部分潤滑油的熱量無法被帶走，同時，也只有少量的冷油能循環(huán)過來對推力瓦進(jìn)行冷卻，進(jìn)而導(dǎo)致推力瓦溫度偏高。

4 針對推力瓦溫度偏高采取的處理措施及取得的效果

針對推力瓦溫度過高的原因是由于推力油槽內(nèi)潤滑油循環(huán)路徑不暢引起的，故有效的解決方案應(yīng)該是大幅度降低鏡板的安裝高度，只有這樣，才能保證潤滑油在油槽內(nèi)有足夠的動力按設(shè)計的循環(huán)路徑循環(huán)。但要降低鏡板的安裝高度則需要重新設(shè)計、制造整個推力組合軸承(這是不現(xiàn)實的)，故只能考慮采取其他的處理方案。最終采取的處理措施為：(1)拆除推力瓦之間的穩(wěn)油板，以增加推力瓦周圍潤滑油的循環(huán)動力。(2)拆除油冷卻器的外側(cè)和上側(cè)擋油板，以增大潤滑油與冷卻器的接觸面積，有利于更多的熱量被冷卻水帶走。(3)采用刮削推力瓦出油邊瓦面的方式增加推力瓦的周向偏心率，降低推力瓦的溫升值。通常，水輪發(fā)電機(jī)組的推力瓦一般采用偏心布置。對于推力瓦周向偏心量(推力瓦支點偏心角/推力瓦夾角)國內(nèi)一般取4%～10%，國外取7%～18%。偏心量越大，越有利于推力瓦油膜的形成；推力瓦溫升越低，推力瓦的承載能力越小。蘇布雷水電站的推力瓦周向偏心量設(shè)計值為10%，在保證推力瓦承載能力的情況下，現(xiàn)場將推力瓦出油邊的瓦面刮削了2°，瓦面刮削深度為2.5 mm，從而使推力瓦周向偏心量增加到15.2%，所采用的推力瓦處理方法見圖2。經(jīng)過上述處理后，機(jī)組在72 MW負(fù)荷運行時推力瓦溫度較處理前降低了4 ℃，在額定負(fù)荷90 MW下運行時，推力瓦最高溫度為73 ℃，低于推力瓦溫報警值(推力瓦溫度報警值為75 ℃，停機(jī)值為80 ℃)，機(jī)組能夠在額定負(fù)荷下安全運行。

圖2 推力瓦處理示意圖

5 結(jié) 語

機(jī)組運行時推力瓦溫偏高是眾多水輪發(fā)電機(jī)組存在的問題。對于采用潤滑油內(nèi)循環(huán)冷卻方式的推力軸承，在設(shè)計階段必須認(rèn)真考慮油循環(huán)的路徑及其合理性，避免設(shè)計失誤造成推力瓦溫偏高而增加將來機(jī)組運行時的處理難度。