滑動軸承循環(huán)泵和自然冷卻系統(tǒng)研究

鄭鄒興

（福建聚力電機有限公司，福建莆田 351100）

0 引言

大型大功率高轉速發(fā)電機通常選用滑動軸承，滑動軸承相較于滾動軸承具有承受沖擊負荷好、承受轉速高、維護方便、噪聲小、壽命長等特點。但對于負載大、轉速高的滑動軸承，散熱問題非常關鍵。

滑動軸承的冷卻方式分為五種：自然冷卻（N 型）、油池中水冷卻（W 型）、循環(huán)泵和自然冷卻（U 型）、循環(huán)泵和油池中水冷卻（T 型）、外部供潤滑油循環(huán)冷卻（Z 型）。其中，自然冷卻（N 型）無需增加任何冷卻系統(tǒng)，成本最低，但冷卻效果較差；循環(huán)泵和油池中水冷卻（T 型）冷卻效果最好，但需要增加冷卻系統(tǒng)（循環(huán)泵和油池水冷系統(tǒng)），成本較高；而循環(huán)泵和自然冷卻（U 型）相對來說冷卻效果好，且只增加一個循環(huán)泵，因此應用較為廣泛。

根據(jù)循環(huán)泵和自然冷卻的工作原理及特點、介紹循環(huán)泵和自然冷卻系統(tǒng)在發(fā)電機上的應用，進而討論循環(huán)泵和自然冷卻系統(tǒng)的改善方案。

1 滑動軸承工作原理

如圖1 所示，發(fā)電機轉軸在重力的作用下，沿著ω 方向旋轉，當發(fā)電機穩(wěn)定運行時，高速旋轉轉軸與滑動軸承的軸瓦之間形成一層油膜[1]。滑動軸承自帶甩油環(huán)，甩油環(huán)由于重力的作用，與高速旋轉的轉軸接觸，并在摩擦力的作用下隨之轉動，滑動軸承儲油槽內的潤滑油附著在甩油環(huán)上，隨之被甩到轉軸上，并沿著轉軸表面繼續(xù)形成新的油膜（圖2）。由于油膜的存在，使得轉軸與軸瓦被完全隔開。由于兩摩擦表面被油膜隔開而不直接接觸，摩擦因數(shù)極小，可以顯著減少摩擦和磨損，但液體摩擦仍然存在。轉軸與軸瓦高速旋轉產生的高溫傳導至潤滑油，并由潤滑油帶走[2]。

圖1 滑動軸承油膜形成機理

圖2 滑動軸承潤滑機理

2 U 型冷卻系統(tǒng)工作原理

如圖3 所示，U 型冷卻工作原理：在液壓齒輪泵的作用下，滑動軸承中的高溫油由出油口，經過液壓齒輪泵進入冷卻器管道中，并在電動馬達風扇的作用下，將外部環(huán)境中的冷風吹過冷卻器管道，將冷卻器管道中的高溫油熱量帶走，使高溫油變成低溫油，經過滑動軸承的進油口，再次回到滑動軸承中，沿著軸瓦，一部分直接形成油膜，一部分直接流回滑動軸承的儲油槽中，降低滑動軸承內的油溫，從而降低滑動軸承的油膜和整體溫度[3]。

圖3 U 型冷卻工作原理

3 U 型冷卻系統(tǒng)特點

U 型冷卻系統(tǒng)相較于自然冷卻（N 型）系統(tǒng)增加了一個自然冷卻循環(huán)泵（空油冷卻器），見圖4，從而提高了冷卻效率，且相較于T 型冷卻系統(tǒng)減少了油池水冷系統(tǒng)，大大降低了冷卻系統(tǒng)的成本。

圖4 冷卻器安裝示意

U 型冷卻系統(tǒng)的自然冷卻循環(huán)泵也有其自身特點。從設計角度考慮，自然冷卻循環(huán)泵在結構上增加了兩個元件：溢流閥和止流閥（圖5）。

圖5 冷卻器溢流閥和止流閥安裝位置

如果冷卻系統(tǒng)管路中滑動軸承的進油口發(fā)生堵塞，而循環(huán)泵又一直處于工作狀態(tài)，循環(huán)泵右側管路一直處于正壓狀態(tài)，且壓力持續(xù)增加，如果油壓超過冷卻管路所能承受的范圍，管路將會被油壓壓爆。為防止上述情況的發(fā)生，冷卻循環(huán)泵中增加了一個溢流閥。如圖6 所示，如果管路發(fā)生堵塞，溢流閥將保證循環(huán)泵右側油壓不會持續(xù)增加。

圖6 溢流閥安裝位置

當冷卻循環(huán)泵不工作時，滑動軸承進口的潤滑油由于重力作用流到滑動軸承的儲油槽中，整個冷卻系統(tǒng)管道的潤滑油都會流到滑動軸承中，直至發(fā)生漏油。因此，冷卻系統(tǒng)管道中增加一個止流閥。如圖7 所示，即使冷卻循環(huán)泵停止工作，由于止流閥的存在，冷卻系統(tǒng)的潤滑油也不會一直流入滑動軸承，避免漏油。

圖7 止流閥安裝位置

4 U 型冷卻系統(tǒng)安裝方式

U 型冷卻系統(tǒng)只增加一臺冷卻循環(huán)泵，且冷卻循環(huán)泵的外形尺寸與發(fā)電機相比也不大（圖8）。

圖8 冷卻循環(huán)泵外形尺寸

U 型冷卻系統(tǒng)的第一種安裝方式：直接將冷卻循環(huán)泵安裝于發(fā)電機的端蓋上（圖9）；第二種安裝方式：在發(fā)電機定子機殼上焊接一套支架，用于安裝冷卻循環(huán)泵（圖10）。對于一些端蓋處需要安裝過渡節(jié)的機型，該安裝方式不影響過渡節(jié)的安裝[4]。

圖9 冷卻循環(huán)泵安裝方式一

圖10 冷卻循環(huán)泵安裝方式二

5 U 型冷卻系統(tǒng)的改進

盡管自然冷卻循環(huán)泵自帶止流閥，在冷卻循環(huán)泵停止工作時，可以防止冷卻系統(tǒng)中的潤滑油回流到滑動軸承中。但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，當冷卻循環(huán)泵停止工作一段時間后，滑動軸承中潤滑油出現(xiàn)液面上升的情況。

經過分析認為，止流閥以后的區(qū)域與大氣連通，會進行氣體交換。從止流閥到滑動軸承進油口之間油管中的潤滑油（圖11所示區(qū)域）與大氣進行氣體交換，會順著油管流入滑動軸承中，也會使滑動軸承中潤滑油的液面上升，同樣存在漏油的風險[5]。

圖11 與大氣連通的油管區(qū)域

經過實際測量計算，冷卻器油管的內徑d≈9.5 mm，設定出油管長度2.5 m，計算得出殘留在油管中的油量為3.14×9.52×2500/4≈0.177 L。要求滑動軸承的油位控制在視液鏡的1/3～2/3處，對于最小號的9#滑動軸承要求為2.8 L，如果客戶遵照油位控制要求，0.177 L 的回油量對滑動軸承不會導致漏油（圖12）。

圖12 滑動軸承潤滑油液位高度要求

但對于未遵守油位要求的客戶，目前U 型冷卻系統(tǒng)設計仍然存在的風險是：從止流閥到滑動軸承進油口之間油管中的潤滑油回流到滑動軸承中導致漏油。因此仍有必要對U 型冷卻系統(tǒng)進行改進，徹底避免油管中的潤滑油回流到滑動軸承中。

由于原冷卻循環(huán)泵自帶的止流閥無法改變位置，為防止?jié)櫥突亓鞯交瑒虞S承中，在滑動軸承的進油口處增加一個止流閥（圖13）。

圖13 改進后止流閥安裝位置

6 結語

滑動軸承冷卻系統(tǒng)直接影響滑動軸承的性能和壽命，滑動軸承應用循環(huán)泵和自然冷卻（U 型），既保證了發(fā)電機滑動軸承的冷卻效率，又不會增加很多成本。