大型抽水蓄能機(jī)組推力軸承運(yùn)行特點(diǎn)研究

霍新新，范壽孝，王 森，武中德

(哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)抽水蓄能機(jī)組容量不斷攀升，已投產(chǎn)的深圳蓄能機(jī)組額定容量達(dá)到300 MW[1]，即將投產(chǎn)的長(zhǎng)龍山蓄能機(jī)組額定容量達(dá)到350 MW，陽(yáng)江蓄能機(jī)組額定容量更是達(dá)到了400 MW。蓄能機(jī)組額定容量不斷增加、轉(zhuǎn)速不斷升高，對(duì)雙向推力軸承設(shè)計(jì)提出了新的要求。

與傳統(tǒng)水電機(jī)組相比，抽水蓄能機(jī)組最顯著的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高。轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致推力軸承運(yùn)行溫度常處于較高狀態(tài)，推力軸承油槽損耗接近甚至大于1 000 kW級(jí)別[2]，這不但增加了推力軸承潤(rùn)滑冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)難度，而且冷卻器容量不斷增大也帶來(lái)了振動(dòng)、噪聲等突出問(wèn)題[3]，增加電廠承擔(dān)的成本費(fèi)用，此外，軸承瓦溫常處于較高狀態(tài)也增加了機(jī)組安全運(yùn)行的隱患。

現(xiàn)階段，為了適應(yīng)大型抽水蓄能機(jī)組發(fā)展要求，國(guó)內(nèi)主要主機(jī)廠都將更多精力投入到優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)方案、降低推力軸承油槽損耗方面。哈爾濱電機(jī)廠開(kāi)發(fā)了單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于數(shù)十套抽水蓄能機(jī)組中。事實(shí)證明，彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)能將推力軸承受載荷均勻性控制在±3%以內(nèi)[4]。與彈性油箱支撐方式工作效果相當(dāng)?shù)倪€有彈簧簇支撐方式。東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)廠有限公司研究了噴淋式軸承供油方式，通過(guò)試驗(yàn)證明其可降低軸承攪拌損耗30%～90%，是降低油槽攪拌損耗的有效方法[5]。

一般情況下，在潤(rùn)滑條件不變情況下，推力軸承損耗、瓦溫將隨機(jī)組轉(zhuǎn)速提升而升高[6]，但在此次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了與此不同的運(yùn)行規(guī)律。

1 推力軸承試驗(yàn)研究

分別對(duì)兩種用于大型抽水蓄能機(jī)組的高速雙向推力軸承進(jìn)行全模擬試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析大型雙向推力軸承運(yùn)行規(guī)律。

1.1 推力軸承結(jié)構(gòu)

兩種推力軸承承受載荷大小接近，推力軸承總承載面積接近，其中推力軸承A采用彈性油箱支撐方式，推力軸承B采用彈簧簇支撐方式，兩種推力軸承結(jié)構(gòu)分別如圖1、2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 彈性油箱支撐推力軸承

圖2 彈簧簇支撐推力軸承

表1 推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 軸承試驗(yàn)及測(cè)控平臺(tái)

使用同一專業(yè)軸承試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)兩種推力軸承進(jìn)行全模擬試驗(yàn)，測(cè)試其額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)

在油槽內(nèi)沿徑向安裝多個(gè)溫度傳感器，用于測(cè)量油槽油溫；在潤(rùn)滑油進(jìn)出油管路上安裝流量計(jì)和溫度傳感器，用于測(cè)試油槽潤(rùn)滑冷卻參數(shù)；在每塊推力軸承相同溫區(qū)各安裝2個(gè)熱電阻溫度傳感器，用于測(cè)試軸承運(yùn)行瓦溫；在推力軸承瓦面安裝位移傳感器，用于測(cè)試運(yùn)行時(shí)的油膜厚度。通過(guò)數(shù)據(jù)采集總成系統(tǒng)，建立軸承試驗(yàn)參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)效果圖如圖3所示。

1.3 推力軸承試驗(yàn)

水輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)中常采用“p·V值相等原則”進(jìn)行模擬試驗(yàn)，即若機(jī)組壓力p與轉(zhuǎn)速V乘積相同則代表水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況相近。推力軸承A額定轉(zhuǎn)速為431.7 r/min，額定負(fù)荷為8 281 kN，p·V值為113.8 MPa·m·s-1；推力軸承B額定轉(zhuǎn)速為477 r/min，額定負(fù)荷為7 772 kN，p·V值為134.6 MPa·m·s-1。推力軸承A試驗(yàn)時(shí)油槽潤(rùn)滑油液面高度比推力軸承B高75 mm，A軸承試驗(yàn)時(shí)油槽內(nèi)潤(rùn)滑油量為12.5 m3，B軸承試驗(yàn)時(shí)油槽內(nèi)潤(rùn)滑油量為11.8 m3。兩種推力軸承試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 軸承試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖3 測(cè)控系統(tǒng)

通過(guò)測(cè)量油槽進(jìn)出油管路的潤(rùn)滑油流量及溫度，根據(jù)熱傳遞原理計(jì)算整個(gè)油槽的總損耗值，見(jiàn)表4、表5。

表4 推力軸承A油槽損耗

表5 推力軸承B油槽損耗

推力軸承A穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，油槽總損耗值為2 257 kW；推力軸承B穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，油槽總損耗值為2 680 kW。需要指出，油槽總損耗包括：試驗(yàn)推力軸承損耗、輔助加載推力軸承損耗、輔助導(dǎo)軸承損耗及攪拌損耗。

2 推力軸承運(yùn)行特點(diǎn)分析

對(duì)推力軸承而言，推力軸承瓦溫是表征推力軸承運(yùn)行狀態(tài)最直觀的參數(shù)。影響推力軸承瓦溫的主要因素有兩點(diǎn)：一是推力軸承承載所產(chǎn)生的摩擦損耗及油槽攪拌損耗使瓦溫升高；二是冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)帶走熱負(fù)荷使瓦溫降低，推力軸承瓦溫受兩種參數(shù)的綜合影響。降低推力軸承瓦溫對(duì)大容量抽水蓄能機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要，一般應(yīng)從結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化、冷卻潤(rùn)滑方式、轉(zhuǎn)速狀態(tài)三方面采取優(yōu)化措施。

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1)支撐方式。根據(jù)流體計(jì)算原理，推力軸承瓦面產(chǎn)生楔形油膜是推力軸承承載的根本原因，因此推力軸承運(yùn)行時(shí)應(yīng)能在軸承平面內(nèi)產(chǎn)生足夠的傾斜，這樣潤(rùn)滑油隨鏡板旋轉(zhuǎn)被帶入摩擦面，將摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，降低瓦溫。對(duì)大型蓄能機(jī)組而言，推力軸承支撐方式還應(yīng)具有靈活均載的能力，常采用彈性油箱(推力軸承A)、彈簧簇支撐(推力軸承B)方式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證兩種支撐方式均適合大容量蓄能機(jī)組推力軸承，一般不采用剛性支柱支撐方式。

2)瓦面型面設(shè)計(jì)。瓦面型面設(shè)計(jì)對(duì)推力軸承運(yùn)行時(shí)瓦面進(jìn)油量多少至關(guān)重要，在進(jìn)出油邊不應(yīng)有尖銳的倒角、毛刺。如圖1、2所示，推力軸承A在軸承進(jìn)出油邊加工有大直徑倒角，推力軸承B在進(jìn)出油邊各占1/6處加工有楔形表面，這些措施均有利于瓦面進(jìn)油。需要指出，楔形表面加工面積不易過(guò)大，否則影響推力軸承承載能力。

3)瓦面形狀。在推力軸承表面積相同情況下，細(xì)長(zhǎng)形狀的推力軸承在圓周方向的摩擦距離較短，通常瓦溫較低，但細(xì)長(zhǎng)形狀的推力軸承寬度較大，油槽徑向尺寸增加，攪拌損耗相應(yīng)增加。在推力軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中，將這個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)叫做推力軸承“長(zhǎng)寬比”，對(duì)大容量抽水蓄能機(jī)組而言，推薦長(zhǎng)寬比為0.5～0.75之間。推力軸承A和推力軸承B雖然轉(zhuǎn)速不同，但是在比壓、油槽平均油溫接近的狀況下，推力軸承A (長(zhǎng)寬比0.57)的出油邊瓦溫為62.8 ℃，推力軸承B(長(zhǎng)寬比0.75)的出油邊瓦溫為67 ℃。

2.2 冷卻潤(rùn)滑方式優(yōu)化

推力軸承冷卻潤(rùn)滑參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮降低油槽損耗的相關(guān)措施，當(dāng)前主要主機(jī)廠普遍采用的措施是噴淋式潤(rùn)滑和降低油槽油位。噴淋式潤(rùn)滑可以將冷卻的潤(rùn)滑油直接打入軸承進(jìn)油邊，能大大提升軸承冷卻效率。降低油位能降低攪拌損耗，對(duì)高速蓄能機(jī)組十分重要。

推力軸承A與推力軸承B均采用外加泵外循環(huán)供油方式，而且軸承采用噴淋式供油。在軸承平均比壓相同狀況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速越高，軸承損耗越大。在試驗(yàn)過(guò)程中，推力軸承A額定轉(zhuǎn)速為431.7 r/min，油槽總損耗為2 257 kW，推力軸承B額定轉(zhuǎn)速為477 r/min，油槽總損耗為2 680 kW。油槽總損耗包括試驗(yàn)軸承、加載軸承、導(dǎo)軸承及攪拌損耗。事實(shí)上，若折算出試驗(yàn)推力軸承的損耗值，兩者相差不大，而且推力軸承B比推力軸承A的油槽液面低75 mm，油槽液面降低減少了推力軸承B試驗(yàn)過(guò)程中的攪拌損耗。

需要指出，雖然推薦采用噴淋式供油方式，但是油槽液面最低應(yīng)比推力軸承摩擦面高25 mm以上，這樣機(jī)組運(yùn)行安全性較高，不易發(fā)生意外燒瓦事故。

2.3 轉(zhuǎn)速區(qū)間特點(diǎn)

在推力軸承B的試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與常規(guī)認(rèn)知不同的特點(diǎn)。對(duì)于推力軸承B，保持推力軸承載荷不變，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速為480 r/min時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下油槽平均油溫為48.3 ℃，推力軸承出油邊瓦溫為68.4 ℃；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速為525 r/min時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下油槽平均油溫為50.1 ℃，而推力軸承出油邊瓦溫卻低于480 r/min工況，溫度為66.7 ℃。在特定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，軸承瓦溫隨著機(jī)組轉(zhuǎn)增加呈現(xiàn)先增加后降低的拋物線變化趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 推力軸承B瓦溫變化趨勢(shì)

造成上述現(xiàn)象的原因是：對(duì)于推力軸承B，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于480 r/min時(shí)，由于粘滯作用，隨著轉(zhuǎn)速升高被鏡板帶入軸承摩擦表面的潤(rùn)滑油量增加，軸承潤(rùn)滑效果變好，導(dǎo)致瓦溫不升反降。由這個(gè)現(xiàn)象可以推測(cè)，對(duì)于其他大型蓄能機(jī)組推力軸承，理論上應(yīng)該也存在類似的轉(zhuǎn)速運(yùn)行規(guī)律，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，是否可以將機(jī)組額定轉(zhuǎn)速設(shè)定到更適合推力軸承運(yùn)行的區(qū)域，這值得去探討。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析2次大型蓄能機(jī)組推力軸承全模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論。

1)彈性油箱或彈簧簇均是較好的支撐方式，根據(jù)工況和瓦的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定是否進(jìn)行軸承瓦面的型面設(shè)計(jì)，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2)推力軸承冷卻潤(rùn)滑優(yōu)化方面可以采用噴淋式供油方式，并且油槽液面至少應(yīng)比推力軸承摩擦面高25 mm以上。

3)在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在某個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，推力軸承瓦溫隨機(jī)組轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)先增加后降低的拋物線變化趨勢(shì)，如何有效利用這樣的軸承運(yùn)行特點(diǎn)值得更多研究與探討。