水輪機(jī)水潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用及展望

王 鑒，王春雷

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

1 水潤(rùn)滑軸承在水輪機(jī)上的應(yīng)用背景

20世紀(jì)初，水輪機(jī)廣泛用作水力發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，其主軸導(dǎo)軸承主要采用稀油潤(rùn)滑巴氏合金軸承。這種軸承為防止水浸入油中，在下部需設(shè)密封裝置。密封裝置故障頻繁，難以保證長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，尤其是軸流式水輪機(jī)，軸承下部空間窄小，安裝維護(hù)難度更大。為簡(jiǎn)化密封結(jié)構(gòu)，多數(shù)采用干油潤(rùn)滑軸承。直至20世紀(jì)中葉，歐洲、日本等國(guó)家生產(chǎn)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)仍采用干油潤(rùn)滑軸承。用過的潤(rùn)滑油不能收回，泄入水中，污染河流，引起人們的非議。

水潤(rùn)滑軸承應(yīng)用的歷史可追溯到和水輪機(jī)應(yīng)用同樣遠(yuǎn)古。是美國(guó)最先把船用螺旋槳的水潤(rùn)滑軸承移植到水輪機(jī)上。后來，前蘇聯(lián)由于當(dāng)時(shí)密封材質(zhì)欠佳，水輪機(jī)應(yīng)用稀油潤(rùn)滑軸承矛盾突出，因而進(jìn)行了大量應(yīng)用研究，軸承材料初期采用鐵梨木，樺木疊層塑膠板等天然材料，由于吸水膨脹和對(duì)泥沙磨損敏感，后來采用橡膠。水潤(rùn)滑橡膠軸承，在20世紀(jì)的50～70年代是前蘇聯(lián)大、中、小型水輪機(jī)導(dǎo)軸承的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)方案。

2 水潤(rùn)滑軸承在水輪機(jī)上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)

水潤(rùn)滑軸承是以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且簡(jiǎn)化了周邊裝置和部件而代替稀油潤(rùn)滑軸承在水輪機(jī)上應(yīng)用的。早在1935年列寧格勒金屬工廠在為莫斯科運(yùn)河卡拉美舍夫電站提供的 1350kW 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，首先安裝了直徑為380mm的水潤(rùn)滑橡膠導(dǎo)軸承[1]。水潤(rùn)滑橡膠軸承的廣泛應(yīng)用是對(duì)稀油潤(rùn)滑軸承改造成功之后，由于其環(huán)保和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)才得以推廣。對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承和稀油潤(rùn)滑巴氏合金軸承進(jìn)行比較，采用水潤(rùn)滑橡膠軸承，取消下轉(zhuǎn)動(dòng)油盆使軸承布置更靠近轉(zhuǎn)輪，減小轉(zhuǎn)輪的懸臂伸長(zhǎng)度，增加了運(yùn)行穩(wěn)定性。稀油潤(rùn)滑巴氏合金軸承由很多個(gè)零件構(gòu)成，重量大，而水潤(rùn)滑的橡膠軸承零件較少，重量較輕，節(jié)省了大量的加工工時(shí)。此外，還節(jié)省了大量潤(rùn)滑油和運(yùn)行中油的清理、再生處理等耗費(fèi)，更重要的是減少了對(duì)河流的污染。

水潤(rùn)滑橡膠軸承也是國(guó)際上水輪機(jī)最通用的一種結(jié)構(gòu)型式。具有可以接受的耐磨性能、較低的摩擦系數(shù)和良好的運(yùn)行質(zhì)量，使用壽命約17～20年。國(guó)際上已積累了豐富的設(shè)計(jì)制造和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)在上世紀(jì)的50～70年代也廣泛應(yīng)用，為水輪機(jī)導(dǎo)軸承的主要型式之一[2]。如單機(jī)容量300MW的白山水電站，采用水潤(rùn)滑橡膠軸承，軸承規(guī)格為φ1620mm×880mm。運(yùn)行至今，情況良好。

3 關(guān)于水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑和摩擦磨損問題

通過研究對(duì)水潤(rùn)滑橡膠軸承在水輪機(jī)上代替稀油潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用進(jìn)行了許多試驗(yàn)，證明了應(yīng)用的可行性并加以推廣，但對(duì)橡膠軸承的摩擦理論研究沒有深入進(jìn)行。

運(yùn)行實(shí)踐表明，水潤(rùn)滑橡膠軸承的軸瓦和軸頸都有不同程度的磨損，不如稀油潤(rùn)滑軸承那樣穩(wěn)定。認(rèn)為水潤(rùn)滑橡膠軸承運(yùn)行中不能恒定地保持水動(dòng)力潤(rùn)滑膜，而是在混合摩擦范圍運(yùn)行。根據(jù)雷諾方程，當(dāng)給定軸承的尺寸和滑動(dòng)速度時(shí)，在液體摩擦下運(yùn)行，其承載能力與液體的粘度成正比與最小潤(rùn)滑膜厚度的平方成反比，即p∝η/ho2

式中： p——軸承的承載能力，kN；

η——液體動(dòng)力粘度，mm2/s；

ho——最小潤(rùn)滑膜厚度，μm。

從軸承潤(rùn)滑油和水的粘溫曲線上可以查到，當(dāng)溫度為40℃時(shí)，油的動(dòng)力粘度為68mm2/s，水的動(dòng)力粘度為 0.65mm2/s。計(jì)算軸承在 40℃時(shí)，在液體摩擦狀態(tài)下承受同樣載荷時(shí)，最小水膜厚度和最小油膜厚度的關(guān)系為：

式中： hos——最小水膜厚度；

hoy——最小油膜厚度；

即水潤(rùn)滑軸承最小水膜厚度約為油潤(rùn)滑的 1/10。稀油潤(rùn)滑軸承的間隙 δ，一般按 δ=0.15+0.2D/1000選取，設(shè)軸承直徑D=1000mm，則間隙δ=0.35mm，依此，水潤(rùn)滑軸承間隙δs=0.35×0.098=0.034mm，顯然，直徑為1000mm的軸承，間隙為0.034mm是有困難的。設(shè)計(jì)實(shí)踐中水潤(rùn)滑橡膠軸承的間隙并非像分析那樣選擇，而是取與稀油潤(rùn)滑軸承相同或略小些。因此認(rèn)為水潤(rùn)滑橡膠軸承在運(yùn)行中難以恒定保持液體潤(rùn)滑膜，可能出現(xiàn)混合摩擦，磨損或多或少要發(fā)生。這是目前認(rèn)為水潤(rùn)滑軸承除水中含沙的磨粒磨損外，還發(fā)生摩擦磨損的理論根據(jù)。

實(shí)際上，上述按雷諾方程分析水潤(rùn)滑橡膠軸承運(yùn)行摩擦狀態(tài)有失偏頗，因?yàn)槔字Z方程的前提是組成間隙的兩個(gè)固體表面是剛性的，而橡膠是軟性的。從圖1可以看出，油潤(rùn)滑的巴氏合金軸承，軸瓦是剛性的，在載荷作用下，軸承潤(rùn)滑間隙的幾何形狀由軸和軸承的幾何尺寸而定，則軸承的壓力特性曲線由此間隙形狀確定。而軟性的橡膠軸承受載后，橡膠變形，軸被壓入軟性的橡膠襯中，此時(shí)，測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下的水膜壓力分布表明和通常的油潤(rùn)滑的剛性軸承中壓力分布的特征相似，但是由于橡膠的彈性，最大壓力值分布平緩。橡膠軸承摩擦是液體的，這也可從圓周速度增加、摩擦系數(shù)降低和壓強(qiáng)增加摩擦損失比油潤(rùn)滑金屬軸承增加慢的試驗(yàn)資料得到證實(shí)。因此，所謂水潤(rùn)滑橡膠軸承在混合摩擦范圍運(yùn)行應(yīng)是瞬時(shí)的，基本是液體摩擦。這些性能的進(jìn)一步表述有待進(jìn)一步研究。

圖1

4 展望水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)、材料的應(yīng)用

水輪機(jī)導(dǎo)軸承的主要形式有：稀油潤(rùn)滑的巴氏合金軸承、干油(脂)潤(rùn)滑的巴氏合金軸承和水潤(rùn)滑軸承。其中，干油潤(rùn)滑軸承到二十世紀(jì)中后期很少應(yīng)用。水潤(rùn)滑軸承，已成為典型的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，后來隨著形勢(shì)變化，開始應(yīng)用油潤(rùn)滑軸承，盡管如此，在1960～1986年間列寧格勒金屬工廠和哈爾科夫透平廠等生產(chǎn)的大型轉(zhuǎn)槳式和混流式水輪機(jī)中，除為境外20多座電站按用戶要求提供油潤(rùn)滑軸承外，有半數(shù)是采用水潤(rùn)滑軸承，表明水潤(rùn)滑軸承和稀油潤(rùn)滑的巴氏合金軸承在水輪機(jī)上都有廣泛應(yīng)用，各有長(zhǎng)短。我國(guó)在二十世紀(jì)70年代以前廣泛采用水潤(rùn)滑橡膠軸承，改革開放以來開始與油潤(rùn)滑軸承對(duì)比，認(rèn)為水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，安裝檢修方便，但軸瓦與軸頸都有不同程度的磨損，支持剛度略差，不如油潤(rùn)滑軸承運(yùn)行穩(wěn)定，此外，還受到水質(zhì)條件限制，開始較少應(yīng)用。目前，各國(guó)對(duì)環(huán)境高度重視，無污染或少污染的水潤(rùn)滑軸承又受到青睞。

本文試圖通過綜合分析水潤(rùn)滑軸承運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出改進(jìn)提高的具體措施，擴(kuò)大其應(yīng)用前景：

（1）關(guān)于潤(rùn)滑水質(zhì)

水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑冷卻水傳統(tǒng)的供應(yīng)方案是：主水源取自水輪機(jī)蝸殼，經(jīng)過濾器引至軸承水箱，備用水源取自電站的技術(shù)用水。但是過濾器不能保證軸承用水充分清潔，實(shí)踐證明，只有水中懸浮物不超過0.1 g/l的清水電站水潤(rùn)滑軸承的磨損輕微，并有較長(zhǎng)的使用壽命[2]。因此，認(rèn)為水潤(rùn)滑軸承的應(yīng)用受到了電站水質(zhì)的限制，不適用于渾水電站。

其實(shí)像黃河上劉家峽電站 300MW 機(jī)組，直徑為φ1620mm，如果采用水潤(rùn)滑軸承，計(jì)算最大潤(rùn)滑冷卻水量不超過20 l/s(實(shí)際還小很多)，因此，軸承的潤(rùn)滑冷卻水的主水源完全可以取自電站的技術(shù)用水或生活用水，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證是可行的。這就從根本上消除了軸承的磨粒磨損和電站水質(zhì)的限制，保證了軸承更長(zhǎng)的使用壽命。

（2）關(guān)于軸頸的磨損

傳統(tǒng)水潤(rùn)滑軸承軸頸是采用不銹鋼板鑲焊在主軸上，然后和主軸一起加工，為不可拆的襯套。當(dāng)出現(xiàn)磨損需運(yùn)回制造廠上大設(shè)備修復(fù)。這是水潤(rùn)滑軸承的缺點(diǎn)之一。豐滿電站某水輪機(jī)運(yùn)行8年后，因軸頸磨損，運(yùn)回制造廠修復(fù)不銹鋼襯套。這曾引起水電同行對(duì)水潤(rùn)滑軸承的不放心。其實(shí)，該軸頸修復(fù)原因是與填料密封配合處磨損引起的，而與橡膠瓦配合處軸頸的磨損不太嚴(yán)重。目前水潤(rùn)滑軸承上部采用不磨損主軸的端面平板密封，軸頸磨損檢修期將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8年。推薦軸頸采用可拆卸的不銹鋼襯套結(jié)構(gòu)代替鑲焊的不可拆不銹鋼襯套結(jié)構(gòu)，完全不必運(yùn)回制造廠修復(fù)，甚至可制成互換件，提供備品隨時(shí)更換免于修復(fù)。

（3）關(guān)于軸瓦磨損

傳統(tǒng)的水潤(rùn)滑軸承為筒式結(jié)構(gòu)，軸瓦磨損后允許背面加墊或更換軸瓦。軸瓦檢修周期較長(zhǎng)，這樣的檢修方案并不復(fù)雜，也不存在困難。下面將推薦采用分塊瓦結(jié)構(gòu)，橡膠分塊瓦的瓦塊硫化壓制后，瓦面可不再進(jìn)行機(jī)械加工，因而瓦面可獲得更高的粗糙度等級(jí)，提高了瓦面的耐磨性能，此外，軸瓦可互換，只需按一定數(shù)量提供備品，便可取消瓦面修復(fù)手續(xù)，瓦面的磨損便不成問題。

（4）關(guān)于軸承材料

水潤(rùn)滑軸承材料由天然的木質(zhì)改為橡膠材料后，長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用。近來有彈性金屬聚四氟乙烯塑料瓦、賽龍瓦和聚酰亞胺塑料瓦的水潤(rùn)滑軸承在水輪機(jī)上應(yīng)用，都著眼于采用自潤(rùn)滑耐磨材料把水潤(rùn)滑橡膠軸承的性能再提升一步。賽龍材料和彈性金屬聚四氟乙烯與橡膠材料的主要性能如表1所示。

表1

從表1中可以看出，彈性金屬聚四氟乙烯材料和賽龍材料的主要性能都優(yōu)于橡膠，尤其是彈性金屬聚四氟乙烯材料，無論是水脹率、摩擦性能還是強(qiáng)度性能均有突出的優(yōu)點(diǎn)，適合做軸承瓦面。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱哈電機(jī)）承制的俄羅斯茲姆列斯卡亞水輪機(jī)改造的水導(dǎo)軸承采用了聚四氟乙烯軸瓦，希望通過該項(xiàng)目進(jìn)行嘗試，深入研究，從而獲得廣泛的應(yīng)用。

（5）尋求合適的材料彈性模量

前面已經(jīng)提到，稀油潤(rùn)滑的巴氏合金軸承為剛性瓦襯，在載荷作用下軸心偏移，形成楔形潤(rùn)滑間隙，其油膜壓力特性能被確定。而軟性瓦襯的橡膠軸承，在載荷作用下，軸被壓入橡膠瓦襯中，其水膜的壓力特性與油潤(rùn)滑巴氏合金軸承相似，實(shí)測(cè)表明壓力較為平緩，其差別與材料的彈性模量有關(guān)。上面提到的采用聚四氟乙烯材料提高水潤(rùn)滑軸承性能的試驗(yàn)已在進(jìn)行，應(yīng)用彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論在水輪機(jī)導(dǎo)軸承壓強(qiáng)范圍內(nèi)，研究最適宜的材料彈性模量，這是提高水潤(rùn)滑軸承性能的一個(gè)重要方面。

（6）關(guān)于軸承結(jié)構(gòu)

目前水輪機(jī)導(dǎo)軸承的主要型式有：稀油潤(rùn)滑的筒式軸承和分塊瓦式軸承以及水潤(rùn)滑的筒式軸承。早在1958年列寧格勒金屬工廠就提出了采用水潤(rùn)滑橡膠分塊瓦導(dǎo)軸承。1967年哈爾科夫透平廠在為普良文水電站的水輪機(jī)上采用了減摩層為石墨-橡膠混合物的水潤(rùn)滑分塊瓦導(dǎo)軸承[2]，如圖2所示，用兩條管路——主用和備用供水，運(yùn)行中不盡人意。該廠未能及時(shí)提出解決措施，這種軸承便被擱置，放棄采用。但列寧格勒金屬工廠于 1971年在那爾夫斯克電站試用并于1974年在烏斯基-依里姆斯克水電站正式應(yīng)用[4]。水輪機(jī)采用水潤(rùn)滑分塊導(dǎo)軸承，雖然是從無到有的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，但是，大量的油潤(rùn)滑巴氏合金分塊瓦導(dǎo)軸承多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不斷完善進(jìn)步，已演變?yōu)榈湫偷某墒旖Y(jié)構(gòu)，其經(jīng)驗(yàn)可以直接借鑒。

圖2 普朗文水電站水輪機(jī)軸承

眾所周知，分塊瓦導(dǎo)軸承，當(dāng)主軸在中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，即偏心值為零，主軸也受到來自各個(gè)分塊瓦的向心推力，使主軸運(yùn)行穩(wěn)定。而筒式導(dǎo)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中，只有主軸偏離幾何中心，即產(chǎn)生偏心值后，才承受來自軸瓦楔形間隙側(cè)的推力，這是分塊瓦軸承性能的優(yōu)越性。水潤(rùn)滑分塊瓦導(dǎo)軸承特別是大型機(jī)組，在生產(chǎn)制造、安裝調(diào)整、運(yùn)行維護(hù)都優(yōu)于筒式導(dǎo)軸承。

水潤(rùn)滑分塊瓦導(dǎo)軸承，在大型水電機(jī)組的應(yīng)用，更主要是由于水電站的設(shè)計(jì)專家們推出把機(jī)組推力軸承支架布置在水輪機(jī)頂蓋上，以縮小機(jī)組高度，節(jié)約電站建筑成本。例如前蘇聯(lián)的克拉斯諾雅爾斯克水電站就是這樣。此時(shí)，在推力軸承支架的內(nèi)部布置導(dǎo)軸承和密封裝置，無論是油潤(rùn)滑的筒式軸承和分塊瓦軸承以及水潤(rùn)滑的筒式軸承都有困難。而采用水潤(rùn)滑的分塊瓦軸承，因密封裝置簡(jiǎn)化可以縮小高度尺寸，主軸不設(shè)軸領(lǐng)，徑向尺寸減小，如圖3所示，就完美地做到了結(jié)構(gòu)緊湊，滿足了買方需要。該電站第一階段的低水頭運(yùn)行，由于轉(zhuǎn)輪水力不平衡的動(dòng)態(tài)作用力（超過計(jì)算值的 1.6倍）造成軸承體徑向振動(dòng)達(dá)0.45～0.5mm，頂蓋達(dá) 0.2mm。對(duì)軸承的工作能力提出了嚴(yán)酷的考驗(yàn)。理所當(dāng)然地頻繁故障，頻繁處理，最終通過增加軸承體的剛度；加強(qiáng)軸承體和頂蓋的固定；加強(qiáng)分塊瓦的支承部件；增大墊塊接觸面的曲率半徑等措施得以完善。改進(jìn)的水潤(rùn)滑分塊瓦軸承已在該電站運(yùn)行，證明它和目前廣泛應(yīng)用的油潤(rùn)滑筒式軸承，分塊瓦軸承和水潤(rùn)滑的筒式軸承同樣是最可靠的軸承型式。該電站的密封通過改造也解決了調(diào)相運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)熱失效。類似這種密封哈電機(jī)生產(chǎn)的大型水輪機(jī)已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

圖3 水潤(rùn)滑橡膠自調(diào)整分塊瓦導(dǎo)軸承

5 小結(jié)

評(píng)價(jià)了水輪機(jī)稀油潤(rùn)滑的巴氏合金軸承和水潤(rùn)滑軸承。從水電機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，水輪機(jī)的軸承和密封屬于配套裝置。必須把軸承裝置、密封裝置、潤(rùn)滑冷卻裝置都包括在內(nèi)，即軸承系統(tǒng)，進(jìn)行整體的綜合分析。這樣，水潤(rùn)滑軸承系統(tǒng)比油潤(rùn)滑軸承系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊；事故率低，可靠性高；維護(hù)方便，檢修容易；水的熱容量大，冷卻效果好；水的粘度低，摩擦損失小。在此優(yōu)點(diǎn)上，本文提出的改變潤(rùn)滑冷卻水方式及結(jié)構(gòu)改進(jìn)的措施將進(jìn)一步提高其摩擦磨損性能，擴(kuò)大其應(yīng)用。特別是，水電站用水方便，采用水潤(rùn)滑軸承做到了因地制宜。應(yīng)用對(duì)環(huán)境友好型材料，取消潤(rùn)滑油，改變了水輪機(jī)油污染環(huán)境，符合環(huán)保理念。因此，在水輪機(jī)上有理由優(yōu)先采用水潤(rùn)滑軸承。特別是在大型水輪機(jī)上采用水潤(rùn)滑分塊瓦軸承具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

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