某電站水輪機導(dǎo)軸承溫度偏高的分析處理

卜良峰，徐宏光，任光輝

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某電站水輪機導(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)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機廠有限責(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。該電站水輪機為立式5噴嘴沖擊式水輪機，水導(dǎo)軸承為稀油潤滑帶轉(zhuǎn)動油盆、斜油槽自循環(huán)筒式軸承，通過對不同噴嘴下的軸承損耗、冷卻器進、出口水溫差等的測試，以及現(xiàn)場觀察，確定了解決油循環(huán)短路問題和增加冷卻水量的處理方案，水導(dǎo)軸承溫度過高的問題得到徹底解決。在處理過程中，得到了一些啟示和有參考價值的試驗數(shù)據(jù)，對筒式軸承的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

沖擊式水輪機；水導(dǎo)軸承；溫度；油循環(huán)

0 前言

2011年設(shè)計制造的某沖擊式電站水輪發(fā)電機組主機設(shè)備，水輪機為立式5噴嘴沖擊式水輪機。該機組在并網(wǎng)調(diào)試階段，水導(dǎo)軸承運行時溫度偏高，并且在4噴嘴工況無法長時間運行。哈電通過對軸承的結(jié)構(gòu)形式進行全面的復(fù)查和分析，并到電站現(xiàn)場考察，制定切實可行的改進方案，解決了該電站水導(dǎo)軸承溫度過高的問題。在處理過程中得到一些啟示，對今后筒式軸承的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 處理前的運行情況

該電站水導(dǎo)軸承采用典型的稀油潤滑帶轉(zhuǎn)動油盆的自循環(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。水輪機最大水頭336m，最大出力22.52MW。機組首次并網(wǎng)后，水導(dǎo)軸承瓦溫超出了設(shè)計溫度，尤其在切換到4噴嘴運行工況下，瓦溫迅速上升，短時間內(nèi)就超過溫控報警值（65℃），使機組不能在4噴嘴帶負(fù)荷工況長時間運行。表1為水導(dǎo)軸承處理前試運行瓦溫情況。

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運行時投入噴嘴數(shù)量不同，水導(dǎo)軸承承受載荷差異很大。對于5噴嘴機組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、軸承溫度相對較高屬于正常。

以往一些電站對水導(dǎo)軸承溫度偏高的工況，多采取避開該工況運行，對軸承本身如何適應(yīng)該工況沒有進行較深入的分析。由于電站要求機組全部工況都能安全穩(wěn)定運行，水導(dǎo)軸承的溫度偏高的問題就必須得到解決。

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告和處理方案。根據(jù)機組運行時水導(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，而且2臺機組軸承運行溫度不太符合常規(guī)，提出的處理方案沒有實施。

該電站筒式軸承結(jié)構(gòu)尺寸及冷卻器按照經(jīng)典公式計算，在以往高轉(zhuǎn)速機組上已應(yīng)用較多，并且有實測的數(shù)據(jù)可以參考，經(jīng)過對比分析：軸承瓦高和間隙都是標(biāo)準(zhǔn)配置的，軸承本體設(shè)計應(yīng)該不會有問題，為此，對之前提出的處理方案的正確性作了進一步思考。

可以看出，在不考慮值的影響時，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降低軸承的承載能力，會導(dǎo)致運行時大軸偏心值增大，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題，哈電技術(shù)人員赴電站進行現(xiàn)場分析，找到了問題的原因，制定了切實有效的實施方案。

3 處理方案及效果

現(xiàn)場觀測：軸承冷卻水進、出水溫差僅為0.25℃，偏離設(shè)計值很多，說明冷卻器冷卻能力未得到充分利用；啟機后油溫上升較快，油循環(huán)有短路問題，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，軸承上油箱運行油位高出溢流板上平面約20mm，運行油位偏高。

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不均勻問題，如圖2所示。同時，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、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1號機水導(dǎo)軸承進行處理過程中，在拆出的溢油板上，又發(fā)現(xiàn)新的問題：溢油板靠近內(nèi)側(cè)設(shè)有6個大小不等的光孔，如圖4所示。這些孔是測油溫電阻、油渾水信號裝置等自動化元件的測量用孔，沒有設(shè)置擋油管。由于孔的位置均在冷卻器內(nèi)側(cè)，使部分熱油沒有經(jīng)過冷卻器，就直接進入回油區(qū)，是導(dǎo)致油循環(huán)短路的原因之一，也是運行時油溫上升較快的原因。這些問題證明了油循環(huán)有短路問題的分析是正確的。

圖4 處理前的溢油板﹝已焊接擋油板﹞

發(fā)現(xiàn)此問題后，在溢油板上每個自動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號機進行啟機試驗，考察水導(dǎo)軸承改進效果。由于軸承本體沒有變動，機組啟機后各工況運行均如處理前一樣平穩(wěn)，振動、擺度都很小。觀測油溫、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。機組在1~3噴嘴運行1h，油溫未超過45℃，瓦溫穩(wěn)定在52℃左右。切入4噴嘴最惡劣工況運行后，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)定工況運行，油溫、瓦溫均開始回落，最后穩(wěn)定在56℃。

2號機水導(dǎo)軸承作相同處理后，對曾出現(xiàn)瓦溫報警停機的運行模式投入運行，在4噴嘴工況下運行5個小時，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)果說明，水導(dǎo)軸承的處理是合理的。運行時最高油溫、瓦溫，均未超過水導(dǎo)軸承溫度報警設(shè)定值（油溫報警值為60℃，瓦溫報警值65℃，停機值75℃），并有一定的裕量。油溫、瓦溫已符合機組運行的使用要求，處理方案效果明顯，達到了預(yù)期的目標(biāo)。

試驗時哈電對水導(dǎo)冷卻系統(tǒng)也進行觀測分析，改進后水導(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噴嘴運行工況冷卻器進、出水溫差達到0.6℃（改造前為0.25℃）。由于機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)計值，運行時水導(dǎo)冷卻器進、出水管路壓差僅為0.10MPa，流量1號機為2.6l/s、2號機為2.34l/s，流量不足對軸承冷卻器的冷卻效果有一定影響。

3.2 進一步優(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)軸承進水管處電站增設(shè)的節(jié)流閥，使流量在原來基礎(chǔ)上增加了20%，并對2號機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號機相當(dāng)，均增加到3.2 l/s，使瓦溫和油溫均又下降0.6℃左右。

在觀測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)：測量油溫對稱布置的兩支溫度計偏差值在7℃~8℃左右，現(xiàn)場分析認(rèn)為，是油循環(huán)不對稱引起，將不對稱的一路回油管進行了封堵。

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

處理后機組在相同的4噴嘴運行工況運行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)軸承運行溫度變化趨勢如圖7所示。

圖7 水導(dǎo)軸承運行溫度變化趨勢

通過對水導(dǎo)的2次改造和調(diào)整，水導(dǎo)軸承溫度過高的問題得到合理的解決。

4 結(jié)論

軸承溫度偏高問題主要是油循環(huán)有部分短路的問題，冷卻器的效率沒有得到充分利用。水導(dǎo)軸承經(jīng)過幾次小的改動和調(diào)整后，水導(dǎo)軸承溫度過高的問題得到了圓滿解決。該問題提醒我們，以后設(shè)計類似軸承時，應(yīng)避免出現(xiàn)油循環(huán)短路問題。建議新的設(shè)計適當(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）軸承運行時的損耗與載荷有關(guān)，載荷大，軸的運行偏心大，損耗就大。通過減小瓦面及增大軸承間隙來減小軸承損耗大的問題時，要注意考慮偏心系數(shù)的變換對損耗的影響。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:冷卻器的熱交換計算中，冷卻水進、出口水溫溫差的取值，對結(jié)構(gòu)和大小不同的冷卻器差異很大（一般取值為1.5℃~4℃）。故建議對與本文所述的冷卻器結(jié)構(gòu)相近的，計算時進、出口水溫溫差取值應(yīng)不大于0.5℃。

（2）對機組采用封閉式自循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)，冷卻水進、出口壓差較小，水導(dǎo)軸承冷卻器的進、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投入不同噴嘴運行時，水導(dǎo)軸承受力差異很大。在電站運行調(diào)控允許的情況下，應(yīng)避免在最惡劣工況下長期運行，將其設(shè)為過渡工況更為合理。

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)院電力系水力機械專業(yè)，一直從事水輪機設(shè)計工作，現(xiàn)為哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司副總工程師。

審稿人：覃大清