巨型混流式水輪機導軸承結(jié)構(gòu)特點及運行安全可靠性分析

朱　宏，聶治學，吳封奎，官　鵬（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

巨型混流式水輪機導軸承結(jié)構(gòu)特點及運行安全可靠性分析

朱宏，聶治學，吳封奎，官鵬
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

通過介紹、總結(jié)現(xiàn)已投運的巨型水輪機水導結(jié)構(gòu)特點，并進行運行可靠性對比分析，總結(jié)了巨型水輪機水導軸承的發(fā)展趨勢，為今后巨型水輪機導軸承的設計、選型和運行提供參考經(jīng)驗。

水導軸承；結(jié)構(gòu)特點；運行安全；小灣水電站

近年來隨著長江中上游、瀾滄江、紅河流域的水電開發(fā)，我國陸續(xù)投運了三峽、龍灘、小灣、溪洛渡等一批百萬千瓦級巨型水電站。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在巨型混流式水輪機的設計、制造、運行管理方面積累了豐富的經(jīng)驗。三峽、龍灘、小灣、溪洛渡電站單機容量相同，但水導結(jié)構(gòu)設計、運行各有特點。

1　已投運巨型水輪機水導軸承結(jié)構(gòu)簡介及共性

1.1已投運巨型水輪機水導軸承結(jié)構(gòu)簡介

1.1.1小灣水導軸承結(jié)構(gòu)

小灣水輪機水導軸采用有領軸非同心分瓦塊稀油自潤滑外冷軸承結(jié)構(gòu)。主要由軸領、水導瓦、軸瓦支撐環(huán)、油盆蓋、外置冷卻器組成。軸瓦材料為巴氏合金，軸瓦分別通過其背后的推力環(huán)、支撐塊、軸承座將徑向力傳遞給頂蓋；軸瓦間隙通過調(diào)整管、調(diào)整螺栓、斜鍵實現(xiàn)調(diào)整；軸承蓋靠近主軸處采用雙層梳齒密封結(jié)構(gòu)；軸承冷卻采用自循環(huán)外冷形式，軸領上均布24個φ33.4 mm的軸孔（實際運行中僅用12個，其余封堵）作為滑轉(zhuǎn)子泵的泵孔，軸領與下部的擋油環(huán)一同構(gòu)成泵室；軸瓦支撐環(huán)為雙層結(jié)構(gòu)，與軸領一同形成熱油腔；位于支撐上方的中間環(huán)與軸承座形成冷油腔。熱油通過主軸滑轉(zhuǎn)子泵泵入熱油腔匯集，匯集后流入冷卻器，冷卻后的油進入冷油腔，冷油腔通過軸瓦上部的環(huán)管將油均勻的噴淋在軸瓦之間，潤滑后的熱油通過軸瓦蓋進入軸承座上方的熱油槽，熱油通過軸瓦座上的通孔回到熱油槽，如此循環(huán)往復實現(xiàn)油循環(huán)。詳細結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1.2龍灘水導軸承結(jié)構(gòu)

龍灘水輪機水導軸承采用的方式、組成、軸瓦材料、軸承受力及間隙調(diào)整等與小灣基本相同，但油盆內(nèi)部結(jié)構(gòu)、油循環(huán)及冷卻方式與小灣不同。具體不同之處如下，龍灘電站水導軸承軸瓦支撐環(huán)為單層結(jié)構(gòu)，它與軸承上方隔油環(huán)將油盆分割為冷油槽及熱油槽；軸承冷卻方式采用強迫循環(huán)外冷形式，外置油泵從油盆底部熱油槽內(nèi)取油，經(jīng)冷卻器冷卻后，將油送到冷油槽內(nèi)的環(huán)管，該環(huán)管在每兩塊瓦之間有支管引出，冷卻油通過支管噴淋到軸領上，潤滑、冷卻后的熱油在機組轉(zhuǎn)動的帶動下，翻過隔油環(huán)進入熱油槽，再經(jīng)油盆底部的進入冷卻器，如此循環(huán)往復實現(xiàn)油循環(huán)。詳細結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1　小灣水導結(jié)構(gòu)示意

圖2　龍灘機組水導結(jié)構(gòu)示意

1.1.3三峽水導軸承結(jié)構(gòu)

三峽水輪機水導軸有兩種類型，分別是有領軸承和無領軸承，有領軸承和龍灘類似，在此不再介紹，本文主要介紹無領水導軸承。

三峽水輪機無軸領機組采用無領軸承非同心分瓦塊稀油潤滑強迫外冷結(jié)構(gòu)。主要由水導瓦、上油箱、下油箱、外油箱、迷宮環(huán)、隔油環(huán)、下甩環(huán)、外置油泵及冷卻器組成，詳細結(jié)構(gòu)見圖3。軸瓦材料、受力及軸瓦間隙與小灣水電站類似，迷宮及上、下甩環(huán)用于消除從軸承甩油，上油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過溢流環(huán)一分為二，靠大軸側(cè)為冷油槽，靠油箱外側(cè)為熱油槽。機組運行時，水導上油箱內(nèi)的油一部分順著迷宮環(huán)與大軸的間隙漏至下油箱，油箱自流回至外油箱；另一部分漫過溢流環(huán)經(jīng)過回油管回到外油箱，外油箱中的油分別通過油泵、冷卻器、油過濾器后進入上油箱內(nèi)的供油環(huán)管，再經(jīng)過12個噴管將冷油供至各瓦之間。如此循環(huán)往復實現(xiàn)油循環(huán)。

圖3　三峽水導無軸領結(jié)構(gòu)示意

1.1.4溪洛渡電站

溪洛渡水輪機水導軸采用有領軸承非同心分瓦塊稀油強迫潤滑外冷軸承結(jié)構(gòu)，主要由水導瓦、軸瓦支撐環(huán)、軸瓦蓋、中間環(huán)、油檔、分油管、外置冷卻器及油泵。詳細結(jié)構(gòu)見圖4，軸瓦材料及瓦間隙調(diào)整與小灣類似，其余不同如下，軸承冷卻采用強迫循環(huán)外冷形式，油盆內(nèi)部通過軸承座、中間環(huán)、支撐環(huán)將油盆內(nèi)部分為兩槽一腔，靠大軸一側(cè)為冷油槽，靠油盆外壁一側(cè)為熱油槽，中間環(huán)與軸承座及軸瓦支撐環(huán)形成冷油腔，熱油槽內(nèi)的熱油分別通過油盆底部取油口、油泵、冷卻器，降溫成為冷油后進入冷油腔，冷油腔通過均布在瓦間的分油管，將冷油噴淋軸瓦間，完成熱交換后的冷油通過軸瓦蓋及軸承座上的通孔回到熱油槽，如此循環(huán)往復實現(xiàn)油循環(huán)。

1.2已投運巨型水輪機水導軸承結(jié)構(gòu)共性

1.2.1均采用可調(diào)楔子板非同心分塊稀油潤滑巴氏合金軸瓦

現(xiàn)代巨型混流式水輪機隨著單機容量的增加，水力、轉(zhuǎn)動部件、電磁拉力等不平衡力及影響因素也隨之變大及復雜，要求軸承單位面積上承載的能力更大，潤滑及冷卻必須良好?？烧{(diào)楔子板非同心分塊稀油潤滑巴氏合金軸瓦具有承載能力大，運行中受力均勻，有一定的自調(diào)節(jié)能力，安裝后軸瓦立面間隙可調(diào)，無需刮瓦?，F(xiàn)已投產(chǎn)的巨型混流式水輪機導軸瓦進油邊與大軸一般都有1～4 mm間隙，瓦面直徑比軸領直徑略大，同時又采用偏心瓦結(jié)構(gòu)，有利于油膜及油壓的分布，研究及運行經(jīng)驗表明此種結(jié)構(gòu)對機組的振動及擺度影響不大，但能提高軸瓦承載能力，同時又降低摩擦損耗，延長軸瓦使用壽命。軸瓦間隙采用可調(diào)楔子板調(diào)整，較傳統(tǒng)的頂瓦螺絲調(diào)整相比，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，無需點焊、刮瓦，便于安裝、維護。

圖4　溪洛渡水導無軸領結(jié)構(gòu)示意

1.2.2防甩油設計

水導軸承甩油分為外甩和內(nèi)甩兩種，為了防止外甩，不論有無水導無軸領，一般均在軸承蓋上裝有空氣過濾器及雙層結(jié)構(gòu)的密封環(huán)，以達到平衡油盆內(nèi)外壓力及減緩油霧上行速度的目的；對于部分轉(zhuǎn)速相對高的有軸領機組如小灣、溪洛渡，還裝設有軸瓦蓋；對于無軸領的機組如三峽，還裝設有上甩環(huán)。內(nèi)甩發(fā)生的主要現(xiàn)象和外甩類似，但發(fā)生的原因區(qū)別較大，而且還和機組水導有無軸緊密相關，對于有軸領機組，一般在軸領上部開有穩(wěn)壓孔，用于破壞軸領內(nèi)側(cè)的真空，同時在油盆內(nèi)檔壁設有擋油環(huán)，在軸領內(nèi)壁開倒階梯角，在它們的共同作用下可以有效減弱內(nèi)壁油流涌高。對于利用滑轉(zhuǎn)子自潤滑的機組，軸領下部的泵孔的對內(nèi)壁油流有下吸的作用，能有效抑制油流涌高，防止內(nèi)甩作用明顯。對于無軸領機組，油盆內(nèi)部通過采用雙層迷宮環(huán)密封、下油檔及下油箱結(jié)構(gòu)能高效應對甩油?，F(xiàn)有巨型混流式機組均屬于低轉(zhuǎn)速機組，這為機組防甩油創(chuàng)造了“先天優(yōu)勢”，同時，各電廠自各有特色的防甩油結(jié)構(gòu)設計，使得現(xiàn)有巨型水輪機導軸基本告別“甩油時代”。

1.2.3油循環(huán)及冷卻系統(tǒng)設計復雜、緊湊、高效

受油盆尺寸、水輪機轉(zhuǎn)速、材料等多方面原因限制，現(xiàn)代巨型混流式水輪機油循環(huán)方式各主要有強迫外冷形式和自潤滑外冷形式。

油循環(huán)方式采用強迫外冷的混流式水輪機，油盆內(nèi)部構(gòu)造差異不大。龍灘水電站水導油盆結(jié)構(gòu)及油循環(huán)系統(tǒng)可視為基本形式，其余采用強迫外冷油循環(huán)方式的巨型電站水導油盆結(jié)構(gòu)及油循環(huán)可視為它的升級版。如溪洛渡水導油盆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可視為在龍灘的基上增加了一個冷油腔代替冷油環(huán)管；三峽無軸領水導軸承油盆，可視作在龍灘的基層上減少了軸領，同時增加一個底部收集“漏油”的下油箱。

自潤滑外冷油循環(huán)方式看起來較為先進、節(jié)能，但很大程度上受限于機組額定轉(zhuǎn)速。設計及運行經(jīng)驗表明，適合利用滑轉(zhuǎn)子泵的機組轉(zhuǎn)速范圍大致在60.7～1 000 r/min，潤滑外冷油循環(huán)其實是利用軸領滑轉(zhuǎn)子泵的原理提供油循環(huán)的動力，能采用此種油循環(huán)方式的混流式機組的目前必然是有軸領的水輪機。與采用強迫外冷的機組相比，它的軸領滑轉(zhuǎn)子泵及油盆構(gòu)造設計、制造較為復雜，軸領內(nèi)外徑的尺寸差、軸領下部的泵孔開口位置、大小、數(shù)量均影響著滑轉(zhuǎn)子泵的功率；冷腔、熱腔的大小及密封情況影響著油流的流速及冷卻效果。

2　運行情況簡介及可靠性對比分析

現(xiàn)有巨型混流式水輪機水導軸瓦采用的方式及材料基本相同，即可調(diào)楔子板非同心分塊稀油潤滑巴氏合金軸瓦。各電站水導系統(tǒng)主要不同在于油盆內(nèi)部結(jié)構(gòu)及油循環(huán)，下面將著重對典型電廠水導軸承運行情況進行簡介，并在此基礎上與其余形式的水導軸承運行安全可靠性進行對比分析。

2.1運行情況

水導軸承承擔水輪機運行過程中的所有徑向作用力，限制機組擺度，維持機組主軸在軸承間隙范圍內(nèi)。磨損損失間接反映水導軸承受力大。各電站機組水導軸承主要設計參數(shù)如表1所示。

雖然各電廠水導軸承磨損損失不一致，但實際運行時軸瓦溫度均穩(wěn)定在45～55℃內(nèi)，滿足巴氏合金材料低于65℃的設計要求。水導軸承有這樣的運行效果和各電廠采取不同的水導結(jié)構(gòu)及油循環(huán)密切相關。

表1　各機組水導軸承主要設計參數(shù)

在巨型混流式水輪機當中，小灣電廠水導軸承系統(tǒng)采用自潤滑形式，獨具特色。小灣水導軸承的冷卻系統(tǒng)設計為自潤滑外冷式，兩個互為備用的冷卻器設置在水輪機頂蓋內(nèi)，正常運行時兩臺冷卻器1臺工作，1臺備用。

圖5　小灣水導自循環(huán)冷卻示意

首臺機組投產(chǎn)初期，水庫蓄水沒有到達正常水位，機組水導軸承按設計要求投入運行，所有軸領滑轉(zhuǎn)子泵孔未封堵，冷卻器按一主一備投入，機組未能帶滿負荷運行，初期瓦溫維持在55～60℃運行。直到2010年機組陸續(xù)投產(chǎn)完畢，水庫水位蓄至額定水頭以上，機組滿發(fā)后，水導瓦溫維曾一度維持在58～63℃運行；經(jīng)過對比分析，確認瓦溫高的原因為冷卻器功率不足。投入備用冷卻器運行后，瓦溫下降并維持在55～60℃運行；隨后繼續(xù)分析，排除機組技術(shù)供水影響后，初步分析認為瓦溫維持高溫運行有三種可能，分別是：①軸瓦支撐環(huán)密封間隙過大；②軸領泵泵孔數(shù)量或尺寸不合適；③冷卻器功率過小或熱交換能力差。通過廠家及設計單位的再次分析及計算，最終確認原因為軸領泵泵孔投入數(shù)量過多，造成熱油流循環(huán)過快，冷卻軸瓦后的熱油不能及時通過軸承座上的開孔回到下部熱油槽，導致熱油富集在軸承座的上方熱油槽。隨后利用2011年～2012年機組檢修期，將1號機組水導軸承24個軸領泵孔間隔封堵，其余運行條件保持不變，開機后瓦溫考驗證明問題發(fā)現(xiàn)及處理正確，水導瓦溫大幅下降至45～55℃之間穩(wěn)定運行。

2011年期間，小灣3號機組運行過程中，在機組振動沒有變化的情況下，水導瓦溫短時從50℃上升至60℃，排除技術(shù)供水及冷卻器堵塞后，原因鎖定在軸瓦支撐環(huán)密封間隙過大，經(jīng)停機搶修發(fā)現(xiàn)，軸瓦支撐環(huán)銅質(zhì)密封齒受損，且與軸領接觸部分存在劃痕，造成局部間隙過大，導致冷、熱腔發(fā)生串油。更換新的銅質(zhì)密封后，開機后瓦溫恢復原運行溫度區(qū)間。

2012年至2013年檢修期間，為了消除軸瓦支撐環(huán)銅質(zhì)密封材料的缺陷及對軸領的傷害，將2號機水導軸瓦支撐環(huán)銅質(zhì)密封材料更換塑料制品，開機后瓦溫考驗短暫穩(wěn)定運行后，溫度又升高至60℃左右，隨后停機檢查發(fā)現(xiàn)，分瓣組合的塑料密封齒間隙發(fā)生移位，對密封槽進行點焊定位處理，以達到防止密封齒隨大軸旋轉(zhuǎn)移位的目的。重新按間隙安裝密封齒后，開機瓦溫考驗正常，瓦溫維持在45℃至55℃穩(wěn)定運行。

自此，小灣水導軸承自潤滑系統(tǒng)再無其他不安全事件發(fā)生。

2.2運行可靠性對比分析

下面就各電廠油盆結(jié)構(gòu)及油循環(huán)系統(tǒng)進行簡要分析對比。

2.2.1油盆結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代巨型混流式水輪機導軸承油盆普遍采用“冷熱隔離”的設計思路，冷、熱油的隔離面一般選取軸瓦支撐環(huán)。軸瓦支撐環(huán)與大軸密封的好壞，直接關系到“冷熱隔離”的效果。一旦該處密封失效或密封不良，將會造成冷熱油互竄，形成局部的高溫循環(huán)。軸瓦冷卻及潤滑不良，易造成高溫燒瓦。各電廠軸瓦支撐環(huán)密封形式各有不同，但采取雙層梳齒密封結(jié)構(gòu)的效果整體好于單層密封結(jié)構(gòu)。

2.2.2油循環(huán)冷卻系統(tǒng)

現(xiàn)代巨型混流式水輪機水導系統(tǒng)冷卻方式共有兩種，分別是強迫外冷和自潤滑外冷。自然換外冷依靠自身軸領滑轉(zhuǎn)子泵提供動力，滑轉(zhuǎn)子泵只需要機組安裝初期調(diào)試正常后，后期運行變化很小。從采用自潤滑外冷方式，且投產(chǎn)至今已5年的小灣水電廠運行情況來看，自潤滑外冷系統(tǒng)僅出現(xiàn)兩次密封不嚴，造成冷熱腔竄油引起機組運行過程中瓦溫偏高的事件，但隨后改進密封材料和固定方式后，再無其他影響機組安全的故障發(fā)生。強迫油循環(huán)冷卻系統(tǒng)輔助設備多，且需要外部動力，機組開機條件判斷條件及運行中的機組不可靠因素增加。采用強迫油循環(huán)的某巨型電廠曾今發(fā)生過因控制電源跳閘造成油泵全停軸瓦受損的事件。強迫油循環(huán)不僅需要有完善的自動控制策略，而且還需要可靠的電源及定期維護保養(yǎng)。由此可見，強

迫油循環(huán)因其依靠的外部設備較多，運行中發(fā)生故障的概率高于自潤滑系統(tǒng)，可靠性低。

3　結(jié)語

（1）現(xiàn)有已投運或在建的巨型混流式機組無論有無軸領均采用可調(diào)楔子板非同心分塊稀油潤滑巴氏合金軸瓦，可調(diào)楔子板非同心分塊稀油潤滑巴氏合金軸瓦的優(yōu)點正在被重視及廣泛應用。

（2）無軸領導軸承系統(tǒng)需要外部輔助設備較多，且不能利用滑轉(zhuǎn)子泵。與有軸領導軸承相比雖然制造過程簡單，但不利于電站運行維護。

（3）巨型混流式水輪機導軸承冷卻方式共分為兩種，分別是強迫油循環(huán)外冷和自循環(huán)外冷。自循環(huán)外冷雖然運行可靠性高，但需要精密的設計及多次真機試驗，且受限于機組轉(zhuǎn)速；強迫油循環(huán)外冷實用范圍廣，但需要不斷完善自動化控制策略及提高電源、動力設備的可靠性，并重視極端運行工況及適應“無人值班，少人值守，遠程集控”的水電發(fā)展趨勢，保證設備隨時可用。

［1］邊舉朋.龍灘水電站700 MW水輪機水導軸承的結(jié)構(gòu)與安裝［J］.東方電機，2009（4）：15-18.

［2］宋洪占，張硯明.立式水輪發(fā)電機導軸承滑轉(zhuǎn)子泵的設計與計算［J］.通用機械，2012（2）：78-80.

［3］賴見令，胡學龍，張益華，等.巨型水輪機無軸領水導軸承安全運行分析［J］.水電站機電技術(shù)，2012（10）：16-21.

（責任編輯高瑜）

Structure Characteristics of Guide Bearing of Large Francis Turbine and Analyses on Operation Safety and Reliability

ZHU Hong，NIE Zhixue，WU Fengkui，GUAN Peng
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The structure characteristics of guide bearings of giant turbines which have been put into operation are summarized，and the operation reliability of these guide bearings is compared and analyzed.The development trend of guide bearings of giant turbine is also summed up.The research results will provide references for the design，type selection and operation of guide bearings of giant turbine.

guide bearing of turbine；structure characteristics；operation safety；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

A

0559-9342（2015）10-0043-04

2015-07-25

朱宏（1983—），男，云南宣威人，助理工程師，主要從事水電廠運行、維護工作.