卜良峰，徐宏光，任光輝

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某電站水輪機(jī)導(dǎo)軸承溫度偏高的分析處理

卜良峰，徐宏光，任光輝

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

本文介紹了某沖擊式水電站水導(dǎo)軸承溫度偏高的處理情況。該電站水輪機(jī)為立式5噴嘴沖擊式水輪機(jī)，水導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)滑帶轉(zhuǎn)動(dòng)油盆、斜油槽自循環(huán)筒式軸承，通過(guò)對(duì)不同噴嘴下的軸承損耗、冷卻器進(jìn)、出口水溫差等的測(cè)試，以及現(xiàn)場(chǎng)觀察，確定了解決油循環(huán)短路問(wèn)題和增加冷卻水量的處理方案，水導(dǎo)軸承溫度過(guò)高的問(wèn)題得到徹底解決。在處理過(guò)程中，得到了一些啟示和有參考價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)筒式軸承的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

沖擊式水輪機(jī)；水導(dǎo)軸承；溫度；油循環(huán)

0 前言

2011年設(shè)計(jì)制造的某沖擊式電站水輪發(fā)電機(jī)組主機(jī)設(shè)備，水輪機(jī)為立式5噴嘴沖擊式水輪機(jī)。該機(jī)組在并網(wǎng)調(diào)試階段，水導(dǎo)軸承運(yùn)行時(shí)溫度偏高，并且在4噴嘴工況無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。哈電通過(guò)對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行全面的復(fù)查和分析，并到電站現(xiàn)場(chǎng)考察，制定切實(shí)可行的改進(jìn)方案，解決了該電站水導(dǎo)軸承溫度過(guò)高的問(wèn)題。在處理過(guò)程中得到一些啟示，對(duì)今后筒式軸承的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 處理前的運(yùn)行情況

該電站水導(dǎo)軸承采用典型的稀油潤(rùn)滑帶轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的自循環(huán)筒式軸承，油循環(huán)為斜槽上油方式，軸瓦直徑465mm，軸瓦間隙0.25~0.33mm。水輪機(jī)最大水頭336m，最大出力22.52MW。機(jī)組首次并網(wǎng)后，水導(dǎo)軸承瓦溫超出了設(shè)計(jì)溫度，尤其在切換到4噴嘴運(yùn)行工況下，瓦溫迅速上升，短時(shí)間內(nèi)就超過(guò)溫控報(bào)警值（65℃），使機(jī)組不能在4噴嘴帶負(fù)荷工況長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。表1為水導(dǎo)軸承處理前試運(yùn)行瓦溫情況。

1. 冷卻器；2. 擋油箱；3. 擋油管；4. 溢流板；5. 回油管

表1 軸承瓦溫

多噴嘴沖擊式水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)投入噴嘴數(shù)量不同，水導(dǎo)軸承承受載荷差異很大。對(duì)于5噴嘴機(jī)組4噴嘴工況最為惡劣，轉(zhuǎn)輪所受沖擊不平衡力最大，軸承的側(cè)向力最大，其摩擦損耗大、軸承溫度相對(duì)較高屬于正常。

以往一些電站對(duì)水導(dǎo)軸承溫度偏高的工況，多采取避開(kāi)該工況運(yùn)行，對(duì)軸承本身如何適應(yīng)該工況沒(méi)有進(jìn)行較深入的分析。由于電站要求機(jī)組全部工況都能安全穩(wěn)定運(yùn)行，水導(dǎo)軸承的溫度偏高的問(wèn)題就必須得到解決。

2 瓦溫偏高的初步分析

根據(jù)電站試運(yùn)行期間技術(shù)指標(biāo)反饋，復(fù)核軸承的承載能力有較大余度，從降低損耗出發(fā)，提出了減小損耗的分析報(bào)告和處理方案。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)處的擺度僅為0.04mm，最初建議將瓦高由350mm降為300mm，并適當(dāng)加大軸瓦間隙的處理方案。但考慮到處理軸瓦的周期較長(zhǎng)，而且2臺(tái)機(jī)組軸承運(yùn)行溫度不太符合常規(guī)，提出的處理方案沒(méi)有實(shí)施。

該電站筒式軸承結(jié)構(gòu)尺寸及冷卻器按照經(jīng)典公式計(jì)算，在以往高轉(zhuǎn)速機(jī)組上已應(yīng)用較多，并且有實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)可以參考，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析：軸承瓦高和間隙都是標(biāo)準(zhǔn)配置的，軸承本體設(shè)計(jì)應(yīng)該不會(huì)有問(wèn)題，為此，對(duì)之前提出的處理方案的正確性作了進(jìn)一步思考。

可以看出，在不考慮值的影響時(shí)，縮短瓦高和加大間隙可以降低損耗，但縮短軸瓦高度和增加間隙都會(huì)降低軸承的承載能力，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)大軸偏心值增大，值也隨之增大。

至此，考慮降低軸承損耗的方案已不可取。降低軸承溫度的方式只能從油循環(huán)和冷卻方面考慮。

為更合理的處理軸承冷卻問(wèn)題，哈電技術(shù)人員赴電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，找到了問(wèn)題的原因，制定了切實(shí)有效的實(shí)施方案。

3 處理方案及效果

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)：軸承冷卻水進(jìn)、出水溫差僅為0.25℃，偏離設(shè)計(jì)值很多，說(shuō)明冷卻器冷卻能力未得到充分利用；啟機(jī)后油溫上升較快，油循環(huán)有短路問(wèn)題，即部分冷油未參與循環(huán)，熱油在冷卻不夠的情況下循環(huán)升溫較快；同時(shí)，軸承上油箱運(yùn)行油位高出溢流板上平面約20mm，運(yùn)行油位偏高。

3.1 第一次處理方案及處理效果

處理方案為將回油口高度降低30mm，使軸承上油箱運(yùn)行油位下降到溢油板以下，減小回油阻力，使循環(huán)油能通過(guò)溢油板均勻流入外側(cè)的冷卻器，解決溢流板上油的徑向流動(dòng)不均勻問(wèn)題，如圖2所示。同時(shí)，還在溢油板上平面回油管方位加焊了擋油板，既覆蓋冷卻水進(jìn)、出水管口位置，又使溢出熱油遠(yuǎn)離回油口，與冷卻器充分換熱。布置示意如圖3所示。

圖2 處理后結(jié)構(gòu)及油循環(huán)示意

圖3 擋油板布置及溢流示意

對(duì)1號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承進(jìn)行處理過(guò)程中，在拆出的溢油板上，又發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題：溢油板靠近內(nèi)側(cè)設(shè)有6個(gè)大小不等的光孔，如圖4所示。這些孔是測(cè)油溫電阻、油渾水信號(hào)裝置等自動(dòng)化元件的測(cè)量用孔，沒(méi)有設(shè)置擋油管。由于孔的位置均在冷卻器內(nèi)側(cè)，使部分熱油沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷卻器，就直接進(jìn)入回油區(qū)，是導(dǎo)致油循環(huán)短路的原因之一，也是運(yùn)行時(shí)油溫上升較快的原因。這些問(wèn)題證明了油循環(huán)有短路問(wèn)題的分析是正確的。

圖4 處理前的溢油板﹝已焊接擋油板﹞

發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題后，在溢油板上每個(gè)自動(dòng)化元件孔上加焊套管，高度30mm，與回油口套管高度平齊。如圖5所示。

圖5 回裝后的溢油板

回裝后，1號(hào)機(jī)進(jìn)行啟機(jī)試驗(yàn)，考察水導(dǎo)軸承改進(jìn)效果。由于軸承本體沒(méi)有變動(dòng)，機(jī)組啟機(jī)后各工況運(yùn)行均如處理前一樣平穩(wěn)，振動(dòng)、擺度都很小。觀測(cè)油溫、瓦溫均慢速平穩(wěn)上升，未出現(xiàn)油溫快速升高的異常狀況。機(jī)組在1~3噴嘴運(yùn)行1h，油溫未超過(guò)45℃，瓦溫穩(wěn)定在52℃左右。切入4噴嘴最惡劣工況運(yùn)行后，雖然該工況側(cè)向力最大，瓦溫未出現(xiàn)迅速上升現(xiàn)象，運(yùn)行2h后，瓦溫穩(wěn)定在61℃左右，油溫為49℃。隨后切入5噴嘴穩(wěn)定工況運(yùn)行，油溫、瓦溫均開(kāi)始回落，最后穩(wěn)定在56℃。

2號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承作相同處理后，對(duì)曾出現(xiàn)瓦溫報(bào)警停機(jī)的運(yùn)行模式投入運(yùn)行，在4噴嘴工況下運(yùn)行5個(gè)小時(shí)，瓦溫最后穩(wěn)定在62°C，未出現(xiàn)油溫迅速升高的情況。

以上的結(jié)果說(shuō)明，水導(dǎo)軸承的處理是合理的。運(yùn)行時(shí)最高油溫、瓦溫，均未超過(guò)水導(dǎo)軸承溫度報(bào)警設(shè)定值（油溫報(bào)警值為60℃，瓦溫報(bào)警值65℃，停機(jī)值75℃），并有一定的裕量。油溫、瓦溫已符合機(jī)組運(yùn)行的使用要求，處理方案效果明顯，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

試驗(yàn)時(shí)哈電對(duì)水導(dǎo)冷卻系統(tǒng)也進(jìn)行觀測(cè)分析，改進(jìn)后水導(dǎo)軸承的冷卻效果已得到改善，冷卻器效率得到很大提升，軸承油溫、瓦溫均能緩慢平穩(wěn)上升，4噴嘴運(yùn)行工況冷卻器進(jìn)、出水溫差達(dá)到0.6℃（改造前為0.25℃）。由于機(jī)組軸承冷卻水采用清潔水封閉自循環(huán)系統(tǒng)，冷卻器出口的水泵額定供水壓力設(shè)定偏低，導(dǎo)致冷卻水循環(huán)流量未滿足水導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)值，運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)冷卻器進(jìn)、出水管路壓差僅為0.10MPa，流量1號(hào)機(jī)為2.6l/s、2號(hào)機(jī)為2.34l/s，流量不足對(duì)軸承冷卻器的冷卻效果有一定影響。

3.2 進(jìn)一步優(yōu)化處理及最終效果

為使軸承溫度再降低，考慮增加冷卻水的流量。取消了水導(dǎo)軸承進(jìn)水管處電站增設(shè)的節(jié)流閥，使流量在原來(lái)基礎(chǔ)上增加了20%，并對(duì)2號(hào)機(jī)的空氣冷卻器及上導(dǎo)、下導(dǎo)冷卻水管適當(dāng)減小流量，使水導(dǎo)冷卻水流量與1號(hào)機(jī)相當(dāng)，均增加到3.2 l/s，使瓦溫和油溫均又下降0.6℃左右。

在觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)：測(cè)量油溫對(duì)稱布置的兩支溫度計(jì)偏差值在7℃~8℃左右，現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為，是油循環(huán)不對(duì)稱引起，將不對(duì)稱的一路回油管進(jìn)行了封堵。

為使熱油充分冷卻，冷油回油更加通暢，在上油箱循環(huán)油路中加裝豎向擋油板，取消回油管的套管，如圖6所示。處理后，瓦溫又下降0.4℃。

圖6 加焊擋油板

處理后機(jī)組在相同的4噴嘴運(yùn)行工況運(yùn)行4h，水導(dǎo)軸承在2h后就趨于穩(wěn)定，最高瓦溫穩(wěn)定在61.7℃，最高油溫穩(wěn)定在50℃。水導(dǎo)軸承運(yùn)行溫度變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 水導(dǎo)軸承運(yùn)行溫度變化趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)水導(dǎo)的2次改造和調(diào)整，水導(dǎo)軸承溫度過(guò)高的問(wèn)題得到合理的解決。

4 結(jié)論

軸承溫度偏高問(wèn)題主要是油循環(huán)有部分短路的問(wèn)題，冷卻器的效率沒(méi)有得到充分利用。水導(dǎo)軸承經(jīng)過(guò)幾次小的改動(dòng)和調(diào)整后，水導(dǎo)軸承溫度過(guò)高的問(wèn)題得到了圓滿解決。該問(wèn)題提醒我們，以后設(shè)計(jì)類似軸承時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)油循環(huán)短路問(wèn)題。建議新的設(shè)計(jì)適當(dāng)增加上油箱和溢油板的高度，以滿足上油箱內(nèi)冷卻油容量的要求。

通過(guò)該沖擊式電站水導(dǎo)軸承的處理，我們也得到了一些啟示：

（1）軸承運(yùn)行時(shí)的損耗與載荷有關(guān)，載荷大，軸的運(yùn)行偏心大，損耗就大。通過(guò)減小瓦面及增大軸承間隙來(lái)減小軸承損耗大的問(wèn)題時(shí)，要注意考慮偏心系數(shù)的變換對(duì)損耗的影響。軸承損耗一般采用最小油膜（軸承最大承載能力下）計(jì)算，冷卻器容量按此選擇已具有足夠的安全余量。應(yīng)注意的是:冷卻器的熱交換計(jì)算中，冷卻水進(jìn)、出口水溫溫差的取值，對(duì)結(jié)構(gòu)和大小不同的冷卻器差異很大（一般取值為1.5℃~4℃）。故建議對(duì)與本文所述的冷卻器結(jié)構(gòu)相近的，計(jì)算時(shí)進(jìn)、出口水溫溫差取值應(yīng)不大于0.5℃。

（2）對(duì)機(jī)組采用封閉式自循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)，冷卻水進(jìn)、出口壓差較小，水導(dǎo)軸承冷卻器的進(jìn)、出水總管直徑應(yīng)適當(dāng)加大，確保冷卻水的流量。

（3）多噴嘴沖擊式水輪機(jī)投入不同噴嘴運(yùn)行時(shí)，水導(dǎo)軸承受力差異很大。在電站運(yùn)行調(diào)控允許的情況下，應(yīng)避免在最惡劣工況下長(zhǎng)期運(yùn)行，將其設(shè)為過(guò)渡工況更為合理。

Analysis and Treatment for a Power Station Turbine Guide Bearing High Temperature

BU Liangfeng, XU Hongguang, REN Guanghui

(1. State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China;2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040 China)

This paper introduces an impact type hydropower station turbine guide bearing high temperature treatment. This power station the turbine is vertical 5 nozzles pelton turbine, Turbine guide bearing is typical thin oil lubrication with rotational oil basin, oblique groove self circulation drum type bearing. Via bearing power loss, cooler water temperature at the inlet and outlet of the poor test, According to the test data and field observation, scheme is solve oil cycle short circuit problem and increase cooling water measures, turbine guide bearing temperature high problems are settled satisfactorily. In the processing process, get some enlightenment and obtained some reference value of the test data, to the similar bearing design has certain guiding significance.

pelton turbine; turbine guide bearing; temperature; oil circulation

TK730.3+22

A

1000-3983(2014)02-0049-04

2013-06-20

卜良峰(1963-)，1986年畢業(yè)于華中工學(xué)院電力系水力機(jī)械專業(yè)，一直從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作，現(xiàn)為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司副總工程師。

審稿人：覃大清