自潤滑軸承在轉(zhuǎn)槳式水輪機輪轂中的應(yīng)用

[德國]P.佩雷拉 P.斯米特 K.里亞希 M.姆勒布若德曼

自潤滑軸承在轉(zhuǎn)槳式水輪機輪轂中的應(yīng)用

[德國]P.佩雷拉 P.斯米特 K.里亞希 M.姆勒布若德曼

轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪輪轂軸承一般是采用青銅鑄造,因為轉(zhuǎn)輪通常是充油的。油潤滑軸承會給環(huán)境帶來較高的風(fēng)險,因為密封并不總是可靠的,而最近幾年對油泄漏入河流的關(guān)注越來越多,這樣可以促使水輪機制造商研究開發(fā)新的解決方案。介紹了自潤滑軸承的特性、研發(fā)狀況、試驗條件及結(jié)果等。試驗結(jié)果表明,自潤滑軸承可應(yīng)用于充油的、充水的或干的轉(zhuǎn)輪輪轂中。

轉(zhuǎn)槳式水輪機;潤滑系統(tǒng);創(chuàng)新技術(shù);德國

由加拿大技術(shù)創(chuàng)新和能源發(fā)展促進(jìn)中心(CEATI)開展的對一些轉(zhuǎn)槳式水輪機業(yè)主的調(diào)查表明,60%以上的轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪漏油出現(xiàn)在輪葉的樞軸密封上。

漏油泄入河流的高風(fēng)險促使大多數(shù)轉(zhuǎn)槳式水輪機制造商致力于研發(fā)在轉(zhuǎn)輪輪轂中不采用油的解決方案。最有前途的解決方案包括用水或空氣來代替油。

環(huán)境友善型的 DEVA-BM自潤滑軸承系統(tǒng)向水電廠業(yè)主提供了一種可靠的取代油潤滑系統(tǒng)的方案。充油轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪可含數(shù)千升的油,輪葉樞軸密封是油與河流之間唯一的屏障?？梢灶A(yù)見,在運行一段時間之后,這些密封將會磨損或損壞,因此,存在著漏油泄入河流的風(fēng)險。

制造商和發(fā)電廠業(yè)主通過使用無油轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)和德瓦自潤滑軸承即可避免承擔(dān)由此而造成的環(huán)境方面的責(zé)任。

聯(lián)邦莫古爾德瓦(Mogul Deva)公司已經(jīng)成功地將 DEVA-BM自潤滑軸承應(yīng)用于轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪達(dá) 30余年。除了擁有長期的現(xiàn)場經(jīng)驗以外,該公司也在自己的實驗室中進(jìn)行了試驗,以開發(fā)在技術(shù)上最可行的解決方案。

1 自潤滑系統(tǒng)

DEVA-BM自潤滑材料由一個雙金屬結(jié)構(gòu)組成,它意味著一個不銹鋼支座和燒結(jié)的青銅滑動層會含有小顆粒的固體潤滑劑,這些潤滑劑可以是石墨或聚四氟乙烯(PTFE),它們會均質(zhì)地分布在青銅結(jié)構(gòu)中,如圖 1所示。自潤滑的基本原理是自潤滑材料與軸接觸時,在運動和承受載荷的作用下,促使材料表面活動。在此過程中,固體潤滑劑被轉(zhuǎn)移到軸的表面,在軸的周圍形成所謂轉(zhuǎn)移膜的固體潤滑劑膜。

圖1 含有小顆粒的固體潤滑劑在青銅結(jié)構(gòu)中的分布狀況

有幾個因素可以證明采用這些軸承作為轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪轂的軸承是最佳解決方案。

(1)可以減少軸與軸承之間的摩擦,減小使槳葉運動所必須的力,因此,液壓缸需要的驅(qū)動負(fù)載較少。

(2)因為磨損率較低,軸承的使用壽命較長。

(3)潤滑劑石墨與 PTFE均不會受到軸承及其金屬相反物質(zhì),如碳?xì)浠衔?油和油脂)的催化特性的影響。

(4)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪葉的運動頻率很低,大部分時間為靜止?fàn)顟B(tài)。

(5)通常,輪葉非常重,其重量可達(dá)數(shù)噸,這決定于水輪機的尺寸,而且由于離心加速度,運行時的徑向壓力很大。

(6)由于其不銹鋼背襯,DEVA-BM材料有很高的楊氏彈性模量(剛度),因此,在輪葉樞軸軸承情況下,運行期間的樞軸偏心最小。

(7)在轉(zhuǎn)輪充油情況下,由于上述條件,可能得出以下結(jié)論:在輪葉運動時,不能保證軸與軸承之間穩(wěn)定的油膜,因為在輪葉樞軸/軸承組件上施加的載荷很高,發(fā)生了邊界摩擦,從而會導(dǎo)致卡住和過度磨損。最后,觀測到摩擦增加。

因為在起動時,油不能形成足夠的潤滑,嵌入DEVA-BM材料結(jié)構(gòu)中的固體潤滑劑(石墨或 PTFE)能夠保證足夠的潤滑,尤其是在高載荷運行的條件下。

(1)在無油轉(zhuǎn)輪情況下(充水和干轉(zhuǎn)輪)采用自潤滑材料很重要,因為軸承/軸組件需要的潤滑只能通過使用自潤滑材料才能獲得。

(2)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的運行更加可靠,因為它不會發(fā)生不期望發(fā)生的故障。

一位水輪機制造商認(rèn)為,通常建議樞軸軸承不采用其他非金屬自潤滑軟材料類型,因為它們的變形會導(dǎo)致產(chǎn)生較低的楊氏模量,這樣會引起輪葉樞軸偏心過大,從而導(dǎo)致滲漏。

2 研究與開發(fā)

聯(lián)邦莫古爾德瓦研究開發(fā)部正在不斷地研究開發(fā)新材料,并在新的開發(fā)應(yīng)用中支持公司的應(yīng)用工程師。配備了幾臺用于研發(fā)的試驗臺,以便對不同的材料進(jìn)行試驗并對各種條件進(jìn)行模擬。這些試驗臺能實施在線控制及監(jiān)測速度、載荷、運動、摩擦、磨損和溫度。

本文介紹了在聯(lián)邦莫古爾德瓦試驗臺上按試驗程序進(jìn)行的某些試驗結(jié)果,以評估轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪轂在運行條件下其 DEVA-BM 342(含石墨潤滑劑)和 DEVA-BM 362/9P(含 PTFE潤滑劑)軸承的摩擦特性。

該試驗程序的目標(biāo)是通過模擬典型的轉(zhuǎn)槳式水輪機輪轂的運行、調(diào)查摩擦與磨損的機制以及對DEVA-BM材料的可用合金進(jìn)行比較,找到輪轂在3種運行條件下每一種運行條件的最佳解決方案。這些摩擦與磨損機制決定于:(1)在自潤滑軸承材料中采用的潤滑劑類型;(2)在轉(zhuǎn)輪中充入液體的類型:油、水、水 +防腐劑和空氣;

(3)設(shè)計參數(shù),如載荷、輪葉軸材料、輪葉軸材料粗糙度、裝配容差等。

2.1 試驗協(xié)議

轉(zhuǎn)槳式水輪機運行條件的變化取決于水電站的要求和設(shè)計。為了進(jìn)行現(xiàn)場和有代表性的調(diào)查,必須草擬一份試驗協(xié)議,以考慮能復(fù)制典型轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪葉運行條件的運動模式。該協(xié)議與福伊特水電公司共同研究完成。所采用的輪葉樞軸運動模式包括 3°、5°和 45°三個角運動的序列。運動序列的循環(huán)如下:

(1)±45°運動 100個周期;

(2)停止 10min;

(3)±5°運動 1 000個周期;

(4)停止 10min;

(5)±3°運動 2 500個周期。

重復(fù)上述運動序列,直到循環(huán)數(shù)達(dá)到約 60 000個周期。

2.2 試驗臺

試驗是在聯(lián)邦莫古爾德瓦 VRP2試驗臺上進(jìn)行的。

圖2 試驗臺原理

試驗臺的橫斷面(圖 2)表示軸(直徑 70mm)安裝在滾柱軸承上,這樣會使摩擦力矩的誤差最小。液壓載荷單元在外殼/軸承上施加載荷,最大容量為10 000 kN。從試驗開始前的準(zhǔn)備程序起,外殼即充滿所要求的液體(水或油)。

2.3 試驗條件

表1為轉(zhuǎn)槳式水輪機試驗協(xié)議中規(guī)定采用的參數(shù)。按照 DIN 1.4057標(biāo)準(zhǔn),軸由不銹鋼制成,表面拋光精度為0.4μm＜Ra＜0.6μm,硬度為 240 ～260HB。軸直徑容差為 h7,過切容差為 D8。

表1 摩擦系統(tǒng)參數(shù)

在開始每項試驗之前,將軸研磨,并用丙酮對其進(jìn)行清潔,在滑動方向和與滑動方向垂直的方向上測量表面粗糙度。在試驗期間,以一定的時間間隔來監(jiān)測摩擦,因此,記錄了作為滑動周期數(shù)的函數(shù)的摩擦曲線。

在試驗期間,溫度應(yīng)保持在 15℃～35℃之間。

試驗開始之前,在試驗軸承上施加載荷,并使其在整個試驗期間保持不變。

3 充水轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪轂

圖3 軸承磨損比較

設(shè)計工程師公認(rèn),充水轉(zhuǎn)輪必須采用自潤滑軸承,因為這是確保軸承/軸系統(tǒng)有效潤滑的唯一途徑。DEVA-BM軸承已應(yīng)用于許多新水電廠和改造工程的充水轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪輪轂中。

充水轉(zhuǎn)輪設(shè)計人員面對的難題之一是如何處理內(nèi)部元件的防腐問題。因此,通常會在水中添加適當(dāng)?shù)姆栏瘎?/p>

必須仔細(xì)地選擇防腐劑,且應(yīng)考慮其與自潤滑軸承的相互作用。所用防腐劑的類型由水輪機設(shè)計人員決定,最好是與防腐劑和軸承制造商一起研究決定。

聯(lián)邦莫古爾德瓦公司已經(jīng)為不同的客戶進(jìn)行了水和添加劑混合物的幾項調(diào)查,包括一些與水電無關(guān)的應(yīng)用,如船用可調(diào)槳角的螺旋槳。作為一個領(lǐng)先的水輪機制造商最新應(yīng)用開發(fā)的一部分,DEVA-BM342軸承用水和防腐劑進(jìn)行了試驗。為了進(jìn)行比較,了解防腐劑在軸承系統(tǒng)中的影響,試驗序列中必須包括采用純水的試驗。

3.1 防腐劑對 DEVA-BM自潤滑軸承性能的影響

對在水和水 +防腐劑兩種試驗中觀測到的總軸承磨損情況進(jìn)行了分析比較,結(jié)果表明,磨損的差別非常小,完全可以忽略。在兩個試驗中,軸承的摩擦系數(shù)也相似。

因此,試驗結(jié)果證明,當(dāng)采用 DEVA-BM軸承時,轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪輪轂采用的水 +防腐劑的方法在技術(shù)上是可行的。

3.1.1 試驗條件

規(guī)定的軸承載荷為 40 MPa,滑動速度為 10 mm/s。軸承尺寸為 Φ70×Φ76×40 mm,徑向間隙為0.1～0.15mm。軸的材料為1.405 7,表面粗糙度范圍為0.4μm＜Ra＜0.6μm。運動角為 ±45°、±5°、 ±3°。

3.1.2 總磨損

圖4 軸承摩擦值試驗結(jié)果

圖3中的(a)表示浸沒在純水中的軸承的總磨損;(b)表示浸沒在水+防腐劑中的軸承的總磨損。

3.2 摩擦值的比較

圖4表示浸沒在純水中與浸沒在水 +防腐劑中的軸承摩擦值的試驗結(jié)果。

4 干旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪轂

在 3種可能的輪轂設(shè)計中,干旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪 DEVA-BM自潤滑軸承的摩擦性能最好。這是因為油和水通常會干擾軸承固體潤滑劑對摩擦系統(tǒng)的電鍍反應(yīng)過程。

對于軸承應(yīng)用工程師來講,這也是比較簡單的,因為自潤滑材料原先就是設(shè)計在干條件下工作。10多年來,布蘭斯科(CKD Blansko)公司一直在將 DEVA-BM軸承成功地應(yīng)用于它們的干旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪上。

5 充油轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪轂

雖然有些設(shè)計人員并不考慮自潤滑軸承在充油轉(zhuǎn)輪中的必要性,但是聯(lián)邦莫古爾德瓦公司現(xiàn)代化/改造轉(zhuǎn)槳式水輪機的經(jīng)驗表明,在輪轂中采用的油不能提供有效的潤滑,因為會發(fā)生混合摩擦情況,甚至?xí)l(fā)生邊界摩擦。

在聯(lián)邦莫古爾德瓦公司參與改造工程的某些情況下,當(dāng)拆卸轉(zhuǎn)輪時,會發(fā)現(xiàn)老的青銅軸承已經(jīng)過度磨損。在少數(shù)幾種情況下,甚至還會發(fā)現(xiàn)由于軸與軸承之間的嚴(yán)重摩擦,已導(dǎo)致軸承青銅被擠入外殼中。

在滑動軸承情況下,一個眾所周知的問題是所謂的“粘滑效應(yīng)”,這可由產(chǎn)生的“尖叫”或“散射”噪聲確定。通常,這種情況會發(fā)生于靜態(tài)摩擦系數(shù)大大高于動態(tài)摩擦系數(shù)的條件下,是采用油或脂潤滑系統(tǒng)的典型情況。

DEVA-BM材料具有相同的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)值。當(dāng)采用自潤滑材料時,在軸表面上將形成一層穩(wěn)定的固體潤滑劑膜。這會使靜態(tài)摩擦系數(shù)降低到一個較低的水平,即使有水或油也不會發(fā)生粘滑。

安裝在巴西圣保羅能源公司(CESP)茹皮亞(Jupia)電廠的 6臺水輪機的改造工程,是充油轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪中 DEVA-BM軸承的成功應(yīng)用實例之一。

6 結(jié) 語

近年來,人們對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注度大大增加,給某些工業(yè)公司施加了很大的壓力。為此,水力發(fā)電公司及其設(shè)備制造商已經(jīng)開發(fā)出對環(huán)境友善的解決方案。

自潤滑軸承成為大壩閘門和水輪機導(dǎo)水機構(gòu)一個標(biāo)準(zhǔn)的解決方案已有 40多年歷史,現(xiàn)在無油轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪也正在成為一個標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。對聯(lián)邦莫古爾德瓦公司在轉(zhuǎn)槳式水輪機輪轂中應(yīng)用DEVA-BM自潤滑軸承的調(diào)查結(jié)果及其現(xiàn)場運行經(jīng)驗已經(jīng)證明了這是一種可行和可靠的解決方案。

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2009年第 6期

黃守宣 校

TK 733.5

A

1006-0081(2010)10-0030-04

2010-05-08

(編輯:趙秋云)