水電機(jī)組導(dǎo)瓦的溫度升高及熱穩(wěn)定分析與處理

梁宇強(qiáng)，鐘 建，劉 政

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承的作用是：承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向機(jī)械不平衡力和電磁不平衡力，維持機(jī)組主軸在軸承間隙范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)試階段要在各個(gè)工況下進(jìn)行軸承熱穩(wěn)定試驗(yàn)，以驗(yàn)證機(jī)組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)軸承溫度是否能穩(wěn)定在設(shè)定值范圍以內(nèi)。某水電機(jī)組首臺(tái)機(jī)組調(diào)試階段作軸承熱穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)下導(dǎo)瓦溫度偏高，熱不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文從分析導(dǎo)瓦損耗及熱傳遞原理入手，研究了油溫對(duì)導(dǎo)瓦溫度及熱穩(wěn)定的影響，提出了相應(yīng)的解決措施，并通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該措施的有效性，為后續(xù)電站處理類似問(wèn)題提供了參考。

1 導(dǎo)瓦熱穩(wěn)定情況及初步分析

1．1 導(dǎo)瓦熱不穩(wěn)定說(shuō)明

該機(jī)組為半傘結(jié)構(gòu)，推力軸承與下導(dǎo)軸承合用一個(gè)油槽，采用外加泵方式進(jìn)行潤(rùn)滑油外循環(huán)，并采用3臺(tái)板式換熱器進(jìn)行潤(rùn)滑油冷卻，其中2臺(tái)投入工作，1臺(tái)備用。外循環(huán)潤(rùn)滑油總管進(jìn)入下機(jī)架后分成兩路供油，一路給推力軸承供油，另一路給下導(dǎo)瓦供油，并采用瓦間設(shè)置噴管的供油方式。推力及下導(dǎo)的油量分配可以同通過(guò)推力供油支管及下導(dǎo)供油支管上的閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

機(jī)組首次開(kāi)機(jī)運(yùn)行3h后下導(dǎo)瓦溫沒(méi)有穩(wěn)住跡象，一直往上漲，至停機(jī)時(shí)溫度最高的12號(hào)瓦溫已達(dá)77℃，遠(yuǎn)超報(bào)警溫度65℃，且仍然以每小時(shí)3℃的趨勢(shì)增長(zhǎng)，不滿足軸承熱穩(wěn)定判定要求（每小時(shí)溫度變化小于1℃）。12號(hào)瓦運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1、圖1所示：

圖1 12號(hào)瓦熱穩(wěn)定曲線圖Figure 1 Thermal stability curve of the 12# guide bearing

表1 首次開(kāi)機(jī)運(yùn)行3h后12號(hào)瓦溫?cái)?shù)據(jù)Table 1 Date of 12# guide bearing after operating for 3h

綜上，下導(dǎo)瓦主要面臨兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是軸瓦溫度偏高，二是無(wú)法達(dá)到熱穩(wěn)定。

1．2 冷卻器換熱能力初步分析

通常瓦溫高的原因可以先從冷卻器換熱效果差入手分析。如果潤(rùn)滑油產(chǎn)生的損耗遠(yuǎn)大于冷卻器帶走的損耗，則可以冷卻器換熱容量偏小，無(wú)法對(duì)潤(rùn)滑油充分冷卻。

根據(jù)熱力學(xué)公式：流體帶走的熱量與流量有如下關(guān)系式：

式中：Cp——流體比熱容，；對(duì)于46號(hào)汽輪機(jī)油，30℃油溫時(shí)對(duì)應(yīng)比熱為0.451；水在20℃時(shí)比熱大概為1。

Qp——流量，m3/h，該案例中對(duì)應(yīng)油流量300，水流量為160。

Δt——溫升，K，該案例中對(duì)應(yīng)油溫升為8.2，水溫升為6.78。

γ——流體密度，kg/m3，46號(hào)汽輪機(jī)油在30℃時(shí)對(duì)應(yīng)值為888；水在20℃時(shí)對(duì)應(yīng)998。

上述數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算可得：

潤(rùn)滑油帶走軸承的損耗近似等于水帶走的損耗；理論上由于管路具有一定的散熱功能，P水應(yīng)略小于P油，出現(xiàn)上述偏差可認(rèn)為是測(cè)溫電阻測(cè)量偏差引起的?？傮w而言，可以得出初步分析結(jié)論是冷卻器散熱容量并無(wú)問(wèn)題。因此瓦溫高及熱不穩(wěn)定問(wèn)題不在冷卻端，而是在發(fā)熱端，即潤(rùn)滑油無(wú)法快速帶走軸承損耗引起的。

2 導(dǎo)瓦損耗及熱平衡分析

為了解決上述問(wèn)題，首先對(duì)導(dǎo)瓦損耗產(chǎn)生機(jī)理以及熱平衡原理進(jìn)行分析。

潤(rùn)滑油被滑轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶入導(dǎo)瓦與滑轉(zhuǎn)子之間的間隙以后會(huì)受到瓦面、滑轉(zhuǎn)子面的剪切力，對(duì)滑轉(zhuǎn)子面以及瓦面產(chǎn)生摩擦阻力并產(chǎn)生摩擦熱。同時(shí)油膜分子在層流狀態(tài)下也相互摩擦產(chǎn)生熱量。這些熱量一部分被潤(rùn)滑油通過(guò)導(dǎo)瓦出油邊帶走，另一部分通過(guò)潤(rùn)滑油與軸瓦、滑轉(zhuǎn)子之間的對(duì)流換熱帶走，以及導(dǎo)瓦、滑轉(zhuǎn)子與其周?chē)目諝獾膿Q熱帶走[1]。對(duì)于傳統(tǒng)的浸泡潤(rùn)滑軸承，還可以通過(guò)導(dǎo)瓦、滑轉(zhuǎn)子與浸泡的潤(rùn)滑油換熱帶走。上述熱量產(chǎn)生與傳遞路徑圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)瓦熱量產(chǎn)生及傳遞示意圖Figure 2 Sketch of the heat generation and transfer of the guide bearing

導(dǎo)軸承達(dá)到熱平衡的條件是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)軸承所產(chǎn)生的摩擦熱量P0等于同時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的油帶走的熱量P1與滑轉(zhuǎn)子、導(dǎo)瓦散發(fā)的熱量P2，P3的總和，即；

本案例中的導(dǎo)瓦并未完全浸泡在潤(rùn)滑油中，而是采用了較低液位的潤(rùn)滑方式。從上述熱傳導(dǎo)路徑圖可以看出，導(dǎo)瓦熱量無(wú)法快速通過(guò)潤(rùn)滑油帶走，只能通過(guò)空氣熱對(duì)流散熱。眾所周知，空氣傳熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于潤(rùn)滑油，因此導(dǎo)致導(dǎo)瓦上導(dǎo)的熱量很難被快速帶走。如果傳遞到導(dǎo)瓦的熱量P3大于導(dǎo)瓦散發(fā)到空氣中的熱量，則會(huì)在導(dǎo)瓦上形成熱量積累，導(dǎo)致瓦溫持續(xù)升高，熱穩(wěn)定時(shí)間比常規(guī)浸泡潤(rùn)滑的軸承更加漫長(zhǎng)甚至無(wú)法達(dá)到熱平衡。

3 降低瓦溫及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)瓦熱平衡措施

從上述熱傳遞分析圖可以看出，在導(dǎo)瓦散熱能力比傳統(tǒng)浸泡式軸承要弱的情況下，要降低導(dǎo)瓦溫度，并盡快實(shí)現(xiàn)導(dǎo)瓦熱平衡，需要盡量減少傳遞到導(dǎo)瓦上的熱量P3，這就需要從兩個(gè)方面入手：一方面需要減少熱源產(chǎn)生的熱量P0，另一方面要增大從導(dǎo)瓦出油邊流走的潤(rùn)滑油帶走的熱量P1。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，潤(rùn)滑油進(jìn)入瓦面后因摩擦產(chǎn)生的損耗P0為：

其中最小油膜厚度hmin為

式中：m——瓦塊數(shù)；

B——瓦軸向長(zhǎng)度，cm；

L——瓦周向長(zhǎng)度，cm；

D——負(fù)載系數(shù)，由L/B決定；

n——摩阻系數(shù)，由L/B決定；

λ——潤(rùn)滑油的黏度系數(shù)，kg·s/m2；

Vn——滑轉(zhuǎn)子面的線速度 ，m/s；

p——導(dǎo)瓦比壓，kg/cm2。

將式（5）代入式（4）并整理得：

當(dāng)一個(gè)機(jī)組設(shè)計(jì)好以后，瓦塊數(shù)m、瓦尺寸B和L，瓦負(fù)荷p以及轉(zhuǎn)速Vn都是確定了的，因此除了潤(rùn)滑油黏度λ外，式（6）其余因子乘積是個(gè)常數(shù)，不妨設(shè)，則式（6）可簡(jiǎn)寫(xiě)為

由此可見(jiàn)，降低熱源損耗P0，需要降低潤(rùn)滑油黏度系數(shù)λ。該系數(shù)受溫度影響較大，溫度越高，黏度系數(shù)就越小。因此可以提高冷油溫度來(lái)降低進(jìn)入瓦面潤(rùn)滑油的黏度。值得注意的是，文獻(xiàn)[3]也提到過(guò)電站冬季水溫低，導(dǎo)致油溫低，從而瓦溫升高的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，提高油溫對(duì)降低瓦溫是有理論及實(shí)例支撐的。

在增大潤(rùn)滑油帶走損耗能力P1方面，根據(jù)式（1）可知，流量Qp是可以人為調(diào)節(jié)的，因此，增大P1最直接手段就是增大流量Qp。提高進(jìn)入瓦面的潤(rùn)滑油流量的方法很多，其一是增加下導(dǎo)瓦供油流量，其二是將導(dǎo)瓦進(jìn)油邊斜坡的斜度增大，并加大導(dǎo)瓦抱軸間隙，使更多潤(rùn)滑油進(jìn)入摩擦面。鑒于第二個(gè)措施需要打開(kāi)油槽并拆出導(dǎo)瓦處理，需要更多的處理時(shí)間。在調(diào)試試驗(yàn)安排比較緊湊情況下，先考慮只增加導(dǎo)瓦供油量。

綜上分析，確定降低瓦溫及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)瓦熱平衡兩個(gè)措施：

（1）減少冷卻器冷卻水量，提高冷油溫度，通過(guò)降低潤(rùn)滑油黏度來(lái)降低軸承損耗。

（2）增大下導(dǎo)瓦油量分配比例，提高潤(rùn)滑油帶走損耗能力。

4 處理效果及分析

為了找到使導(dǎo)瓦處于最優(yōu)的工作狀態(tài)的油溫、油量等參數(shù)，在調(diào)試過(guò)程中做了多次試驗(yàn)，在一臺(tái)冷卻器上反復(fù)調(diào)整不同冷卻水閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)冷油溫度，同時(shí)不斷調(diào)整推力與下導(dǎo)供油量的分配比例。為了便于對(duì)比，現(xiàn)將溫度最高的12號(hào)瓦的多次試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)及主要測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 抽水工況12號(hào)下導(dǎo)瓦在不同冷卻條件下的溫度對(duì)比表Table 2 Temperature comparison for different cooling condition of the 12# guide bearing

從序2與序5對(duì)比可知：下導(dǎo)油流量相同情況下，通過(guò)減少冷卻器冷卻水量提高油溫，運(yùn)行4h后的瓦溫可以從68.89℃降低到64.84℃（且是在最初瓦溫較高的情況下），最后一個(gè)小時(shí)瓦溫上升速度已經(jīng)大幅度減緩，滿足熱平衡考核標(biāo)準(zhǔn)；序3與序4的對(duì)比結(jié)果同樣滿足這個(gè)規(guī)律?？梢?jiàn)，提高潤(rùn)滑油溫度，對(duì)于降低瓦溫，促進(jìn)導(dǎo)瓦盡快進(jìn)入熱平衡是有效的。

序5和序6對(duì)比可知，在冷卻器冷卻水流量相同情況下，提高下導(dǎo)潤(rùn)滑油油流量，可以使導(dǎo)瓦最高溫度降低大約1℃，并且最后一個(gè)小時(shí)溫度上升更加平緩，也就意味著可以更快達(dá)到熱穩(wěn)定?？梢?jiàn)，提高潤(rùn)滑油流量對(duì)于降低瓦溫，促進(jìn)導(dǎo)瓦盡快進(jìn)入熱平衡也是有效的。

序2和序4對(duì)比可知，序2潤(rùn)滑油量大，但是冷卻水多，油溫低；而序4潤(rùn)滑油量少，但冷卻水少，油溫高；在此條件下，序4最高瓦溫卻更低，溫度上升更平緩，說(shuō)明加大潤(rùn)滑油流量和提高油溫兩個(gè)因素中，提高油溫對(duì)于降低瓦溫，促進(jìn)導(dǎo)瓦盡快進(jìn)入熱平衡作用更大。

序4和序6對(duì)比可知，序6熱油溫度略高于序4，但是瓦溫及最后一小時(shí)溫度上升幅度卻沒(méi)有延續(xù)前面“油溫越高，瓦溫越低，熱平衡越快”的規(guī)律，說(shuō)明油溫也不是越高越好，應(yīng)該存在一個(gè)臨界最優(yōu)值，油溫超過(guò)了這個(gè)臨界值會(huì)導(dǎo)致瓦溫進(jìn)一步上升。

5 進(jìn)一步的處理措施

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)，確認(rèn)了提高油溫和增加進(jìn)入瓦面潤(rùn)滑油流量的措施是有效的。但是導(dǎo)瓦溫度仍然顯得比較高，導(dǎo)瓦雖然能夠達(dá)到熱穩(wěn)定，但時(shí)間也比較長(zhǎng)。通常導(dǎo)瓦2h就可以達(dá)到熱穩(wěn)定，該機(jī)組需要3～4h才能達(dá)到熱穩(wěn)定。為了徹底解決該問(wèn)題，在調(diào)試消缺階段，采取了進(jìn)一步改進(jìn)措施，包括增大抱瓦間隙，修磨導(dǎo)瓦瓦面增大進(jìn)出油邊斜度，從而增大導(dǎo)瓦瓦面進(jìn)油量。經(jīng)過(guò)上述處理，導(dǎo)瓦最高溫度從處理前的78℃，降到了60℃以內(nèi)，熱穩(wěn)定時(shí)間也控制在2.5h左右，成功解決了導(dǎo)軸承溫度高、熱不穩(wěn)定問(wèn)題（見(jiàn)圖3）。

圖3 采取進(jìn)一步措施后12號(hào)瓦瓦溫曲線圖Figure 3 Temperature curve of the 12# guide bearing after taking further measures

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于導(dǎo)瓦瓦溫過(guò)高問(wèn)題，傳統(tǒng)的處理手段是提高冷卻效果，降低油溫。但是對(duì)于潤(rùn)滑液面較低、軸承大部分裸露在空氣中的結(jié)構(gòu)，上述措施無(wú)法解決該問(wèn)題。本文通過(guò)分析導(dǎo)瓦熱平衡傳遞路徑，提出了相反的措施，即提高潤(rùn)滑油溫度，并輔以增大潤(rùn)滑流量的措施，成功解決了導(dǎo)瓦溫度過(guò)高及熱不穩(wěn)定問(wèn)題，同時(shí)還通過(guò)對(duì)比多個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)提高潤(rùn)滑油溫度比增加進(jìn)入瓦面潤(rùn)滑油流量所起的作用更加明顯。上述處理經(jīng)驗(yàn)對(duì)軸承設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試具有一定的參考價(jià)值。

值得注意的是，推力下導(dǎo)外循環(huán)總油流量是一定的，增大下導(dǎo)油量分配的同時(shí)，需要兼顧推力油流量減少引起的瓦溫上升。因此，對(duì)于合油槽結(jié)構(gòu)，建議設(shè)計(jì)時(shí)外循環(huán)油泵應(yīng)具有足夠的循環(huán)流量，以便在下導(dǎo)“搶油”的情況下，推力仍有一定的油流量裕度。

另外，潤(rùn)滑油溫度也不是越高越好，因?yàn)槿绻麧?rùn)滑油油溫過(guò)高，黏度過(guò)低，必然會(huì)導(dǎo)致油膜承載能力降低，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效[4、5、6]。從多個(gè)試驗(yàn)對(duì)比也可以看出，隨著油溫升高，到了相同運(yùn)行時(shí)間后瓦溫是先降后升，因此實(shí)際調(diào)試過(guò)程中不能一味升高油溫，應(yīng)通過(guò)多次調(diào)整冷卻水量，觀察熱平衡后瓦溫值，來(lái)尋找最佳的油溫[7、8]。