推力軸承隔油裝置降溫技術(shù)的應(yīng)用

馬　濤，雷中俊,馬禹晨

（1.安康水力發(fā)電廠，陜西 安康 725000；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 211100）

1　前言

陜西安康聯(lián)營電站建于20世紀(jì)90年代，電站裝有1臺52.5 MW半傘式混流式水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)型號SFZ52.5-28/6400,機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量≥3 450 t·m2，轉(zhuǎn)動部分重量220 t。推力軸承運(yùn)行時，由于推力軸承油槽設(shè)計存在油槽偏小的缺陷，下導(dǎo)推力一體式軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組轉(zhuǎn)速高造成軸承內(nèi)部油流產(chǎn)生的氣泡多，導(dǎo)致推外泵振動偏大，冷熱油流態(tài)不合理等原因，造成推力瓦溫一直偏高。夏季運(yùn)行時段，出于安全考慮，限制推力瓦溫在62℃以下運(yùn)行。2016年夏季汛期，在冷水溫24.5℃情形下，機(jī)組帶負(fù)荷僅30 MW，推力瓦溫已達(dá)63℃。多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：如果繼續(xù)增加機(jī)組負(fù)荷，將發(fā)生推力軸承瓦燒瓦事故。機(jī)組推力軸承瓦曾發(fā)生兩次瓦面輕微燒損事故。嚴(yán)重制約了機(jī)組發(fā)電出力。從長遠(yuǎn)利益及機(jī)組安全考慮，有必要消除設(shè)備缺陷，確保機(jī)組長期安全運(yùn)行。

2　概況

2.1　軸承結(jié)構(gòu)

機(jī)組共設(shè)計有上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承以及下導(dǎo)、推力一體的推力軸承，推力軸承剖面圖見圖1。軸承為剛性支柱式，支柱上面托盤、托瓦及巴氏合金瓦。冷卻采用外循環(huán)冷卻方式，2臺螺桿油泵，出口設(shè)計有3臺BR0.3/35外循環(huán)板式換熱器。采用剛性支撐的10塊單層扇形巴氏合金瓦推力軸承，內(nèi)徑1050mm，外徑1 900 mm，瓦間安裝有扇形間隔塊，間隔塊運(yùn)行時起到防止推力瓦外甩、頂轉(zhuǎn)子操作時將推力瓦向下拉住，防止瓦面隨鏡板粘住上移的作用。推力軸承參數(shù)如表1：

表1　推力軸承參數(shù)

2.2　推力軸承損耗試驗(yàn)分析

2015年夏季，電站進(jìn)行了一次機(jī)組損耗試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如表2：

表2　推力軸承實(shí)驗(yàn)

圖1　推力軸承剖面圖

3　軸承運(yùn)行分析

電站運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3：

表3　電站運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)表3機(jī)組數(shù)據(jù)可以看出進(jìn)水溫度與油溫關(guān)系密切，并且溫差保持在8～10℃之間，而油溫又直接影響推力瓦的溫度，油溫和瓦溫之間的溫差保持在30～35℃之間，如果要進(jìn)一步降低瓦溫，就需要降低油溫，而從運(yùn)行的數(shù)據(jù)看，目前油槽油溫并不高，并且油槽油溫接近油冷卻器的進(jìn)油溫度，熱油經(jīng)過油冷卻器后的溫差一般有4～5℃（由于現(xiàn)冷卻器出油端沒有安裝測冷油溫度的測溫電阻，但從2005年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出冷熱油溫差有4～5℃），也就是說以2016-9-17的數(shù)據(jù)來分析，熱油溫度32℃，冷油溫度大約是27～28℃左右，已經(jīng)很接近進(jìn)水溫度，所以在現(xiàn)有水溫下要進(jìn)一步降低油溫的可能性已經(jīng)不大了。但是運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,一旦瓦溫超過67℃，機(jī)組推力軸承瓦多次發(fā)生瓦面輕微燒損事故，導(dǎo)致無法運(yùn)行。綜合判斷認(rèn)為：推力軸承循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作正常，軸承內(nèi)部冷熱油交換不充分，熱油外流不暢，冷油不能有效進(jìn)入推力瓦面是造成溫度偏高的主要原因。

改造情況：針對軸承溫度偏高，從2009年陸續(xù)開展了推力軸承油泵換型，板式換熱器改造，管路改造等措施，對機(jī)組運(yùn)行有一定改善。特別是板式換熱器增加換熱面積后推力軸承平均瓦溫降低1～2℃左右。但是夏季高溫天氣情況下推力瓦溫偏高狀況一直存在。沒有得到徹底解決。

4　改造方案

4.1　熱油隔離技術(shù)

推力軸承是發(fā)電機(jī)核心部件，承載了水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部分的所有重量。推力軸承運(yùn)行環(huán)境包括兩個重要參數(shù)，軸承比壓P和軸瓦平均線轉(zhuǎn)速V，二者的乘積PV值反映了軸承的工作環(huán)境。當(dāng)PV值越大，對推力軸承要求就越高。

模型試驗(yàn)結(jié)果對比看，在傳統(tǒng)推力軸承瓦結(jié)構(gòu)瓦間油未加隔離裝置情況下，瓦間油流溫度等值線：左側(cè)是上一塊瓦的出油溫度，右側(cè)是后一塊瓦的進(jìn)油溫度。后一塊瓦進(jìn)油溫度計算值達(dá)56～74℃。

圖2　

改進(jìn)結(jié)構(gòu)-瓦間油隔離如圖3，瓦間油流溫度等值線：后一塊瓦進(jìn)油溫度計算值約40～70℃，降低平均達(dá)10℃。

圖3　

推力軸承隔油裝置技術(shù)是在兩塊推力瓦之間安裝軸向隔油板，隔油板摩擦面使用PTFE材質(zhì)，內(nèi)部通過多組壓縮小彈簧頂緊后與鏡板緊密貼合，下部固定支撐在間隔塊上。運(yùn)行時從瓦面流出的熱油沿隔油板導(dǎo)向軸承外側(cè)外循環(huán)泵進(jìn)油管附近。防止熱油進(jìn)入下一塊推力瓦面進(jìn)油邊。從而加強(qiáng)熱油外排的效果，達(dá)到降低推力瓦面溫度效果。該方案可以改善推力瓦運(yùn)行環(huán)境，有效降低推力瓦溫度。在東電高速推力軸承試驗(yàn)臺上模擬白鶴灘電站運(yùn)行，使用熱油隔離裝置后平均瓦溫降低10℃。安康聯(lián)營電站現(xiàn)場實(shí)施時，在原來推力軸承體上，安裝重新設(shè)計的間隔塊，在間隔塊上加工出滑槽，用于“熱油隔離裝置”切向安裝定位；同時將重新設(shè)計間隔塊外側(cè)擋塊，使得擋塊不僅用于推力瓦外徑方向定位，同時用于“熱油隔離裝置”徑向定位。具體結(jié)構(gòu)如圖4、圖5。

該方案替換更改現(xiàn)有的間隔塊（3F3864）,擋塊（4F6284），替換間隔塊原來的安裝螺釘，即將M24普通螺栓改為M24×45圓柱頭內(nèi)六角螺栓。在間隔塊上新增加“熱油隔離裝置”（如圖4中箭頭1所指），以及左右兩邊的導(dǎo)向塊（如圖4中箭頭2所指）。

圖4　熱油隔離裝置瓦間結(jié)構(gòu)

圖5　熱油隔離裝置安裝結(jié)構(gòu)

4.2　在巴氏合金瓦上增加過油散熱孔

該方案是另外一種思路的降溫措施，在推力瓦體上增加13個Φ10的過油孔，其目的是增加瓦體的散熱，降低推力瓦的溫度。由于增加了散熱孔，所以測溫電阻的位置需要向下移，巴氏合金瓦需要重新制造。

該方案對降低瓦溫會有一定的作用，但由于沒有在推力試驗(yàn)臺上做試驗(yàn)，所以能夠降低瓦溫的幅度尚無法得知。而且由于推力瓦需要加工制作，工期相對較長，現(xiàn)場檢修周期短。所以綜合考慮本次改造暫時未實(shí)施。

4.3　軸承管路優(yōu)化

對推力軸承管路優(yōu)化，對不合理的進(jìn)出油管路裁彎取直，改善油流進(jìn)出阻力。原設(shè)計2根供油紅管管徑為φ89×4 mm，油槽內(nèi)10根進(jìn)油管徑為φ31.75 mm。8根排油黃管管徑φ48×4.5 mm，外側(cè)2根排油管徑為φ108×4 mm，總排油黃管管徑為φ159×4 mm。改造將自油槽出來的8根管子（吸油管）管徑增大為60 mm，將原經(jīng)過水車室DN150 mm的排油管裁彎取直后經(jīng)風(fēng)洞機(jī)坑壁至油泵的吸油口。保留風(fēng)洞到推力外循環(huán)泵之間的2根DN100 mm管道，油泵吸油總管徑約相當(dāng)于DN200 mm。

4.4　更換循環(huán)油泵

更換振動較大的1號推外循環(huán)油泵。新?lián)Q螺桿泵型號為3G130×3-44，流量140 m3/h。

4.5　更換換熱器

由于原板式換熱器運(yùn)行時間較長，滲漏及老化，更換3臺新板式換熱器，型號為V45-SST/105-A-8t/30-105。該冷卻器單片面積為0.43 m2，板片數(shù)量105片。單臺換熱面積45 m2。

5　改造實(shí)施

“熱油隔離裝置”安裝前，將機(jī)組轉(zhuǎn)動部件頂起8～10 mm，使得鏡板脫開推力瓦，并抽出推力軸承瓦。安裝時，可以先將左右導(dǎo)向塊先安裝間隔塊上，用內(nèi)六角扳手將M24螺釘擰緊，將間隔塊固定在推力支架上。然后從外側(cè)將“熱油隔離裝置”滑入間隔塊中定位槽中，同時推入左右兩側(cè)推力軸承瓦。最后用螺釘將外側(cè)擋板安裝好。安裝完成后保證PTFE摩擦片金屬部分與鏡板之間距離不小于1 mm，實(shí)際安裝時測量各間隔塊與鏡板之間距離為2.04～2.5mm。安裝示意圖如圖6。

圖6　熱油隔離裝置安裝過程

檢修時，不需要拆下推力軸承瓦，只需從外側(cè)將擋板拆除，便可以將“熱油隔離裝置”從外側(cè)抽出，操作簡便，能夠節(jié)約檢修維護(hù)時間，降低安裝工作強(qiáng)度。

6　效果

推力軸承改造前后瓦溫對比如表4、表5。

表4　改造前推力軸承運(yùn)行情況

表5　推力熱油隔離裝置安裝前后工況對比

改造前機(jī)組負(fù)荷在46MW時推力瓦溫最高溫度58℃，最低溫度52℃，平均溫度55.1℃。改造后機(jī)組帶負(fù)荷42.81 MW時，最高溫度48℃，最低溫度41℃，平均45.3℃。與2015年、2016年同期相比較平均降低瓦溫9.8℃。

運(yùn)行2個月后2017年8月瓦溫對比情況見表6：

表6　加裝隔油裝造后運(yùn)行2個月瓦溫對比

與2016年8月同期相似工況下相比較，機(jī)組帶負(fù)荷四組平均瓦溫為59.55℃，最高溫度63℃。2017年8月份機(jī)組帶負(fù)荷41 MW時，最高溫度56℃，最低溫度47℃，平均51.28℃。綜合比較降低瓦溫8.3℃。

夏季氣溫最高時期運(yùn)行對比見表7：

表7　夏季氣溫最高時運(yùn)行對比

2016年9月夏季運(yùn)行時最大負(fù)荷30MW時平均瓦溫59.9℃，改造后2017年9月12日機(jī)組滿負(fù)荷52 MW運(yùn)行時平均瓦溫52.2℃。平均降低瓦溫7.7℃。

7　結(jié)束語

剛性支柱式鎢金瓦推力軸承運(yùn)行溫度高的情況比較普遍，情況惡劣時嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行出力，安康聯(lián)營電站以往從油泵、冷卻器及管路等多方面進(jìn)行過處理改進(jìn)，也取得一定效果。本次推力瓦間裝設(shè)隔油裝置是一項創(chuàng)新技術(shù)，在聯(lián)營電站進(jìn)行成功應(yīng)用，效果非常明顯。通過以往幾種實(shí)施改造措施的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析，采用的推力軸承隔油裝置技術(shù)應(yīng)用效果最為明顯，聯(lián)營電站推力軸承改造后瓦溫降低7.7～9.8℃，和此項技術(shù)實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果比較也是吻合的，有效地解決了安康聯(lián)營電站夏季推力軸承瓦溫偏高導(dǎo)致無法滿負(fù)荷運(yùn)行的難題，對于電站汛期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。它的成功應(yīng)用保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，為其它同類型水輪機(jī)組設(shè)計改造提供了一定的參考。

隔油裝置應(yīng)用前景：

（1）應(yīng)用到現(xiàn)有機(jī)組時，可以提高推力軸承的安全裕度；

（2）對解決現(xiàn)有的某些水電機(jī)組推力瓦溫較高的問題，有很好的應(yīng)用效果；

（3）在推力軸承設(shè)計階段采用此結(jié)構(gòu)，能夠適當(dāng)減少推力瓦面積，從而滿足更高難度的推力軸承設(shè)計要求。

東方電機(jī)廠實(shí)驗(yàn)室測量隔油裝置磨損量在連續(xù)2周運(yùn)行后，PTFE片的磨損量約為0.02 mm左右，試驗(yàn)比壓大約相當(dāng)于推力瓦比壓的1/（10～20）。隔油裝置PTFE與鏡板接觸面比壓遠(yuǎn)低于推力瓦與鏡板之間比壓。按照塑料推力瓦運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，磨損量能夠滿足一個大修周期運(yùn)行需求。后期通過進(jìn)一步加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)測，觀察隔油裝置磨損情況以及其它因素的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝導(dǎo)則[S].

[2]鄧國慶，陸明，耿在明，等.溪洛渡水電站機(jī)組推力頭與鏡板結(jié)構(gòu)安全分析 [J].水電站機(jī)電技術(shù)，2014，37（5）：42-44，63.

[3]白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計與計算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[4]阿得榮.Yeywa水電站水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承瓦降溫技術(shù)分析和探討[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2015，38（4）：9-11.