中小型水輪發(fā)電機(jī)組橡膠水導(dǎo)軸承的適用性及改進(jìn)探討

王 俊，劉 婷

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司水電分公司，湖南 長沙 410011；2.長沙礦山研究院，湖南 長沙 410012）

1 引言

早在20世紀(jì)40年代美國的船舶就有使用水潤滑橡膠軸承的記載，在其后蘇聯(lián)、英國和日本在20世紀(jì)50～60年代也進(jìn)行了這類開發(fā)研究。蘇聯(lián)首先將水潤滑橡膠軸承應(yīng)用到水輪發(fā)電機(jī)組，在我國亦有60余年的水潤滑橡膠軸承使用歷史。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、摩擦系數(shù)低、彈性好、消振能力高、維護(hù)簡單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，水潤滑橡膠導(dǎo)瓦已在我國早期水電廠中得到普遍推廣應(yīng)用。

2 水潤滑橡膠軸承在長期使用中發(fā)現(xiàn)的問題

在水電機(jī)組長期運(yùn)行過程中，由于橡膠材質(zhì)本身的特性，橡膠軸承在運(yùn)行中逐漸暴露出一些比較嚴(yán)重的問題：

2.1 易造成軸頸磨損

由于橡膠瓦彈性強(qiáng)，彈性模量低（≤100 MPa），為了有效的限制大軸擺度只有減少水導(dǎo)軸瓦的間隙，甚至零間隙運(yùn)行，潤滑水中微小沙礫易鑲嵌在橡膠瓦中，運(yùn)行中不斷的對(duì)軸領(lǐng)進(jìn)行刮磨，久而久之，造成軸頸磨損嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，豐滿水電廠因不銹鋼軸頸磨損導(dǎo)致水輪機(jī)主軸返廠加工6臺(tái)次，柘溪水電廠因不銹鋼軸頸磨損導(dǎo)致水輪機(jī)主軸返廠加工4臺(tái)次。

2.2 對(duì)潤滑水供水的可靠性要求高

因橡膠軸瓦不耐高溫（不能高于50 ℃），對(duì)冷卻潤滑水供水的可靠性要求特別高，潤滑水中斷后即使立即停機(jī)，水導(dǎo)軸瓦也會(huì)出現(xiàn)不同程度燒損。如果運(yùn)行時(shí)間稍長，甚至可引起軸頸的嚴(yán)重磨損或裂紋。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)柘溪水電廠已燒損水導(dǎo)軸瓦4次，豐滿水電廠燒損軸瓦3次，新安江水電廠燒損軸瓦4次。

2.3 對(duì)潤滑水的水質(zhì)要求高

橡膠軸承的潤滑水對(duì)水質(zhì)要求高，水中含有懸浮物不能超過0.1 g/L，一方面水中的泥沙加劇軸領(lǐng)的磨損，另一方面，軸瓦間隙本身就小，大量的懸浮物易堵塞過水槽，導(dǎo)致水流不暢，冷卻、潤滑效率降低，甚至引起瓦的燒損。

2.4 承載能力差、易老化

橡膠軸瓦承載能力差。由于橡膠材質(zhì)本身偏軟，承載能力有限，在機(jī)組水力不平衡力較大時(shí)，易造成橡膠瓦的燒損。同時(shí)橡膠抗氧化、抗腐蝕能力差、易老化，橡膠軸瓦在常溫情況下，在倉庫中儲(chǔ)存3～4年就可能老化，失去彈性，出現(xiàn)開膠、脫膠等現(xiàn)象，不能應(yīng)用，故水導(dǎo)橡膠軸瓦使用壽命一般在10年左右。

綜上所述，為了解決橡膠軸瓦承載能力差、易老化、磨損嚴(yán)重、壽命低及對(duì)主軸的磨損問題，使用橡膠軸承的各大水電廠都在考慮進(jìn)行技術(shù)改造。

3 水潤滑橡膠軸承將逐漸退出歷史舞臺(tái)

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，特別是水電廠機(jī)組應(yīng)電網(wǎng)要求投入AGC、AVC、一次調(diào)頻等系統(tǒng)后，機(jī)組調(diào)節(jié)十分頻繁，橡膠軸承的弊端已逐漸呈現(xiàn)出來。

3.1 橡膠水導(dǎo)瓦的性能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)行條件下機(jī)組運(yùn)行的要求

由于電網(wǎng)中電能不可儲(chǔ)存性，電網(wǎng)的用戶用電負(fù)荷是時(shí)刻變化的，特別是如今新能源廠所占比重的進(jìn)一步增加，電網(wǎng)負(fù)荷隨之頻繁波動(dòng)，需要常規(guī)機(jī)組，特別是水電機(jī)組來平抑這種隨機(jī)波動(dòng)。隨著機(jī)組AGC的投入，作為電網(wǎng)供端的發(fā)電廠，特別是調(diào)峰調(diào)頻電廠，機(jī)組的出力時(shí)刻隨之變化。僅對(duì)柘溪水電廠的1臺(tái)機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，1 h內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)LCU、調(diào)速器接收AGC的調(diào)節(jié)指令多達(dá)72條。

也就是說如今水電機(jī)組面臨的運(yùn)行環(huán)境是十分惡劣的，運(yùn)行過程呈現(xiàn)的是“抽瘋式調(diào)節(jié)”。首先表現(xiàn)出來的是轉(zhuǎn)輪裂紋頻發(fā)，導(dǎo)葉軸套頻繁漏水，調(diào)速環(huán)端、立面軸瓦磨損加劇，接力器漏油嚴(yán)重等。這些是可以直接通過檢修、巡視發(fā)現(xiàn)的，但還有一些是短時(shí)且無法直接發(fā)現(xiàn)的，如導(dǎo)軸承。機(jī)組不停的變工況變負(fù)荷，導(dǎo)軸承，特別是水導(dǎo)軸承，首當(dāng)其沖，在不停的交變應(yīng)力下，加劇了瓦的磨損，并大大縮短了其運(yùn)行壽命。在多次對(duì)燒瓦原因進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，水導(dǎo)瓦的燒損往往發(fā)生在負(fù)荷頻繁調(diào)整期間。

3.2 橡膠水導(dǎo)瓦的性能已經(jīng)不能滿足老舊機(jī)組的運(yùn)行要求

目前使用橡膠水導(dǎo)瓦的機(jī)組均為投運(yùn)30年以上的老舊機(jī)組，我們知道老機(jī)組轉(zhuǎn)輪因多年的修補(bǔ)，轉(zhuǎn)輪型線、圓度的變化，上下迷宮間隙的變化，將導(dǎo)致水輪機(jī)的水力不平衡情況隨之加劇。

依據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊》[1]（哈爾濱大電機(jī)研究所編著）的經(jīng)驗(yàn)公式2-1，可對(duì)水導(dǎo)軸承允許的最大荷載及軸承徑向力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，新機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水流的徑向不平衡力為總徑向力的1 %～3 %。現(xiàn)根據(jù)老機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況，在此，以柘溪水電廠老廠機(jī)組為例，我們按3%進(jìn)行取值計(jì)算。

（1）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水流的徑向不平衡力按總徑向力的3%取值：

（2）轉(zhuǎn)輪水力不平衡產(chǎn)生的徑向力：

（3）總徑向力：

P徑=P1+P2=27 491.4+8958.6=36 450 kgf

（4）軸受力面積：

F=d×L=92×62=5 704 cm2

（5）單位壓力：

G=P/F=36 450/5 704=6.39 kgf/cm2

(6)橡膠軸瓦允許承受的最大荷載（柘溪橡膠瓦檢測的抗拉強(qiáng)度為12 MPa）:

P橡=p×L×d=12×92×62=68 448 kgf

大軸在軸承內(nèi)并非全接觸運(yùn)行，在此我們?nèi)杀断禂?shù)進(jìn)行修正。那么P徑修=2×P徑=72 900 kgf

可見P橡小于P徑修，橡膠瓦無法承受此時(shí)的徑向不平衡力，則發(fā)生燒損事故，橡膠水導(dǎo)瓦的性能已經(jīng)不能滿足老舊機(jī)組的運(yùn)行要求。

3.3 橡膠水導(dǎo)瓦的材質(zhì)、質(zhì)量不能滿足市場需求

由于后續(xù)新投產(chǎn)的機(jī)組已經(jīng)使用性能更好、技術(shù)更成熟的油潤滑金屬瓦導(dǎo)軸承，且隨著老機(jī)組陸續(xù)的改造也采用油潤滑導(dǎo)軸承，橡膠瓦的市場嚴(yán)重萎縮，較大的機(jī)電設(shè)備廠都已經(jīng)不再生產(chǎn)橡膠瓦。大部分橡膠軸承均由小廠家、小作坊、小批量生產(chǎn)，導(dǎo)致橡膠瓦市場混亂，新采購的橡膠瓦缺少市場監(jiān)管及專門的第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測，橡膠材質(zhì)良莠不齊，大部分指標(biāo)不能滿足要求。新采購的橡膠瓦基本為人工合成橡膠，材質(zhì)偏軟，且加工質(zhì)量存在問題，經(jīng)常出現(xiàn)開裂、空鼓、粘接不牢等缺陷。

隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷投入使用，而橡膠水導(dǎo)瓦又不能有效解決上述問題，那么橡膠水導(dǎo)瓦在水電行業(yè)也只能慢慢湮沒在歷史的車輪中，被市場所淘汰，逐漸退出歷史舞臺(tái)。

4 水潤滑橡膠軸承的替代品

4.1 采用傳統(tǒng)式的油潤滑分塊金屬瓦代替橡膠軸瓦

油潤滑金屬瓦軸承運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、承載能力強(qiáng)，對(duì)軸領(lǐng)的磨損小，是新投運(yùn)機(jī)組或整體改造機(jī)組的首選方案。但如果直接把橡膠瓦水導(dǎo)軸承改造成油潤滑金屬瓦軸承，就比較困難了。由于原水導(dǎo)軸承安裝位置低，必須把軸承位置提高，大軸需增加軸領(lǐng)、油箱等，則需要更換大軸、整個(gè)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、頂蓋等設(shè)備。這樣不僅改造費(fèi)用高，工期也較長，不建議采取此方案。

4.2 采用承重能力更強(qiáng)的高分子復(fù)合材質(zhì)瓦代替橡膠軸瓦

在不改變軸承結(jié)構(gòu)型式的前提下，對(duì)水導(dǎo)瓦進(jìn)行更換，尋找承載能力更強(qiáng)的瓦不失為一個(gè)便捷經(jīng)濟(jì)的解決辦法。

目前市場上比較常見的、技術(shù)比較成熟的高分子復(fù)合材料瓦有：研龍TM彈塑合金瓦、賽龍SXL瓦、彈性金屬塑料瓦，現(xiàn)就幾種瓦的性能比較如下：

表1 瓦的性能對(duì)比

研龍與賽龍為同類型材質(zhì)的產(chǎn)品，其中還包括研理hRBR系列材質(zhì)瓦，均為水潤滑彈塑聚合物合金材料；此材質(zhì)瓦承載能力比較強(qiáng)，摩擦系數(shù)小，但水脹率、熱脹率偏高，在水溫溫差較大地區(qū)，瓦的間隙變化較大，導(dǎo)致水導(dǎo)瓦放間隙時(shí)難以控制。軸瓦間隙放的偏大，則開機(jī)后機(jī)組擺度偏大；軸瓦間隙放的偏小，在當(dāng)瓦面膨脹后軸瓦無間隙運(yùn)行，導(dǎo)致燒瓦。且瓦面吸水膨脹至穩(wěn)定周期較長，需要?dú)v經(jīng)數(shù)次的加減墊調(diào)整后，軸瓦間隙才能趨于穩(wěn)定。目前使用此系列材質(zhì)水導(dǎo)瓦的電廠有新豐江水電廠、東江水電廠、柘溪水電廠等。

彈性金屬塑料瓦為彈性金屬塑料推力瓦的改進(jìn)版，兩者結(jié)構(gòu)原理類似，塑料材質(zhì)為高分子材料聚四氟乙烯。2000年前后，遼源技術(shù)研究所聯(lián)合新安江水電廠已經(jīng)著手進(jìn)行水潤滑彈性金屬塑料瓦的研究和試制，并在新安江水電廠試點(diǎn)運(yùn)行。由于瓦面結(jié)構(gòu)類似推力瓦，塑料層厚度較?。?～10 mm），且水脹率、熱脹率小，瓦面在運(yùn)行中吸水膨脹及熱膨脹較小，軸瓦間隙較穩(wěn)定。且瓦本身摩擦系數(shù)小，抗拉強(qiáng)度較之橡膠瓦大了不少。鑒于此瓦各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，在新安江水電廠得以大量投入運(yùn)行，并在近些年有推廣趨勢，緊水灘水電廠已有3臺(tái)機(jī)組使用此瓦，柘溪水電廠亦已采購2套彈性金屬塑料瓦準(zhǔn)備投入運(yùn)行。

5 結(jié)束語

隨著電網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組可靠性、穩(wěn)定性、頻繁快速調(diào)節(jié)要求的不斷提高，對(duì)其性能要求越來越苛刻，原橡膠材質(zhì)水導(dǎo)瓦已難以滿足現(xiàn)行條件下水電機(jī)組運(yùn)行的要求；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多的新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，更多性能良好的水導(dǎo)瓦將取代傳統(tǒng)橡膠瓦，在此背景下，橡膠瓦將逐漸退出中小型水電機(jī)組的歷史舞臺(tái)，被市場所淘汰。但如何提高軸承的可靠性、穩(wěn)定性、延長軸承壽命是一個(gè)永無止境的課題，相信更多的性能更加優(yōu)越的軸承將進(jìn)入水電市場。