[] H.

機(jī) 電

軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪無油潤滑設(shè)計(jì)方向

[瑞典] H.林德索約等

隨著環(huán)保意識(shí)和環(huán)保要求的不斷提高，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中使用潤滑油的方案逐漸被取代。討論了軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪無油潤滑技術(shù)的設(shè)計(jì)方向，并指出軸承材料的選擇對避免軸流式水輪機(jī)出現(xiàn)高周疲勞問題很關(guān)鍵。

無油潤滑技術(shù)；軸承材料；軸流式水輪機(jī)

卡普蘭在100 a以前發(fā)明了轉(zhuǎn)輪葉片可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸流式水輪機(jī)。一直以來，轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的機(jī)械設(shè)計(jì)通過利用當(dāng)時(shí)的最佳技術(shù)不斷得以改進(jìn)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片由金屬軸承和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及液壓調(diào)節(jié)器操作。這些轉(zhuǎn)輪輪轂里充滿了油，以達(dá)到防腐蝕并潤滑葉片軸承和調(diào)節(jié)器滑動(dòng)部件的目的。

然而，油和河水之間的單層密封在動(dòng)態(tài)條件下(例如瞬態(tài)下葉片負(fù)荷變化時(shí)的旋轉(zhuǎn)和平移)工作時(shí)，也會(huì)有面臨環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的可能。隨著環(huán)境意識(shí)的提高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，如ISO 14000(要求不斷改進(jìn)環(huán)境影響)，且在許多國家立法要求使用“環(huán)境友好產(chǎn)品”，從而刺激了轉(zhuǎn)輪從充油到無油的技術(shù)轉(zhuǎn)變。自20世紀(jì)70年代末起，在一大批小型標(biāo)準(zhǔn)水輪機(jī)積累到經(jīng)驗(yàn)后，當(dāng)前的無油轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)理念最初在斯堪的納維亞得到發(fā)展，該地區(qū)以湖泊和河流水質(zhì)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量而聞名?，F(xiàn)代嵌入式潤滑軸承材料的出現(xiàn)使這種發(fā)展成為可能?；讵?dú)立調(diào)查員和供應(yīng)商的廣泛內(nèi)部測試和分析，以及大量現(xiàn)場應(yīng)用的反饋和經(jīng)驗(yàn)，最終先進(jìn)的軸承理念脫穎而出。

目前，世界范圍內(nèi)軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定運(yùn)行30多年以上的案例有180多個(gè)，其中使用先進(jìn)軸承設(shè)計(jì)理念的最新一代轉(zhuǎn)輪有70多個(gè)。湄公河上新建成的沙耶武里(Xayaburi)水電站就是實(shí)例之一,該水電站7臺(tái)軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑均為 8.6 m，表明轉(zhuǎn)輪無油潤滑技術(shù)在國際上的突破。

1 水輪機(jī)無油潤滑技術(shù)的發(fā)展

1980年安德里茨水電公司在瑞典的達(dá)爾斯蒂加(Dalstuga)水電站首次采用了軸流式水輪機(jī)無油潤滑技術(shù)。這一時(shí)期的轉(zhuǎn)輪都很小，在中等水頭下運(yùn)行。輪轂的設(shè)計(jì)也很簡單，葉片沒有任何密封。某些情況下，輪轂甚至與外界直接接觸，并有淡水在里面循環(huán)。伺服電機(jī)安裝在機(jī)組的頂部，輪轂的傳動(dòng)軸由軸系的拉桿相連接。幾年后，位于奧地利的林茨辦公室設(shè)計(jì)出第一臺(tái)無油潤滑水輪機(jī)。第一代無油轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)共交付了大約90臺(tái)，直徑 0.67～3.8 m，適用水頭范圍為 1.9～34.9 m。

無油轉(zhuǎn)輪的進(jìn)一步發(fā)展始于20世紀(jì)90年代(第二代)，并在21世紀(jì)初得到加速發(fā)展(第三代)。二代轉(zhuǎn)輪是邁向帶有輪轂伺服電機(jī)全尺寸、高級(jí)轉(zhuǎn)輪的重要一步，其他特點(diǎn)也與現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪類似。二代轉(zhuǎn)輪系列直徑 1.25～3.7 m，適用水頭為11～43 m，典型例子為用于羅特衲(Rottnen)水電站的水輪機(jī)。20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，無油轉(zhuǎn)輪在芬蘭的坦佩雷(Tampere)和瑞典的克里斯蒂娜港(kristinehamn)得到新發(fā)展。同時(shí)，在之前提到的其他地區(qū)，無油轉(zhuǎn)輪技術(shù)也得到持續(xù)發(fā)展。第三代無油轉(zhuǎn)輪直徑高達(dá) 7.5 m(沙耶武里水電站設(shè)計(jì)中得到再次突破，直徑達(dá) 8.6 m)，適用于水頭高達(dá)51 m的全尺寸高端設(shè)計(jì)。機(jī)組更新改造也促進(jìn)了這類轉(zhuǎn)輪的發(fā)展。約有20個(gè)充油轉(zhuǎn)輪案例運(yùn)用多個(gè)設(shè)計(jì)理念及幾何層次的改造方案，被重新設(shè)計(jì)成無油轉(zhuǎn)輪，從而開啟了無油轉(zhuǎn)輪新的設(shè)計(jì)空間。

安德里茲水電公司收購GE水電(那時(shí)同時(shí)包括坦佩雷和克里斯蒂娜港設(shè)計(jì))和瓦普蘭斯(Waplans)公司后，對這些設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了整合。在此過程中，該公司投入巨大精力收集、分析并記錄了其不同的設(shè)計(jì)理念、背景及所有經(jīng)驗(yàn)。最終得到一系列的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針，包括轉(zhuǎn)輪輪轂的設(shè)計(jì)，更具體地說是如何使用復(fù)合軸承來完成其設(shè)計(jì)。

從總體數(shù)量統(tǒng)計(jì)看，第三代軸流式水輪機(jī)無油轉(zhuǎn)輪大約有90個(gè)，其中超過70個(gè)轉(zhuǎn)輪配備當(dāng)今先進(jìn)的復(fù)合軸承材料，一些轉(zhuǎn)輪無故障下運(yùn)行已超過10 a。

2 功能要求

與大多數(shù)成熟的機(jī)械設(shè)計(jì)一樣，軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)要在有限的空間與所需功能中進(jìn)行權(quán)衡。轉(zhuǎn)輪轂比、水力性能和成本之間的平衡最為重要。對于一臺(tái)新的水輪機(jī)，轂比越小轉(zhuǎn)輪直徑便越小，進(jìn)而縮小水輪機(jī)的整體尺寸，最終降低土建工程成本。在改造工程中，轂比越小，空蝕性能越好，水輪機(jī)也能排出更多的水。在某些情況下，這會(huì)直接影響到項(xiàng)目的可行性。

然而，減小轂比會(huì)影響轉(zhuǎn)輪的機(jī)械性能。如果一個(gè)給定設(shè)計(jì)的轂比減小了(通過縮放所有的幾何參數(shù))，無疑會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力升高、接觸壓力升高、變形增大、疲勞壽命縮短以及磨損加劇。即使一開始似乎是危言聳聽，但反應(yīng)卻是直觀的?，F(xiàn)代分析顯示現(xiàn)有高輪轂比轉(zhuǎn)輪的剩余疲勞壽命超過1 000 a，這提供了一些權(quán)衡疲勞壽命與輪轂比的思考方向。若是以降低液壓性能或增加投資成本為代價(jià)，1 000 a的壽命便沒有任何收益。

以下對那些影響到疲勞壽命、磨損期限和功能安全的參數(shù)進(jìn)行討論。這些參數(shù)大多數(shù)在無油或是充油轉(zhuǎn)輪輪轂設(shè)計(jì)中都保持一致。主要的區(qū)別在于，使用無油輪轂時(shí)，需從疲勞分析方面考慮輪轂環(huán)境對裝置的腐蝕性，這也需要提高疲勞分析的精確度。

2.1 磨損壽命

磨損與磨損行程、表面壓力和磨損系數(shù)相關(guān)。磨損行程主要取決于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行特性，而表面壓力卻是由外加負(fù)載和輪轂的幾何形狀決定的。磨損系數(shù)主要取決于軸承材料，盡管滑動(dòng)速度、表面光潔度和表面壓力也會(huì)帶來一定的影響。

為了一次調(diào)頻有效，轉(zhuǎn)輪操作機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)至關(guān)重要(反應(yīng)慢意味著轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉之間的結(jié)合將脫離組合曲線，導(dǎo)致功率飽和)。因此，運(yùn)行方式對給定水輪機(jī)的磨損壽命有著巨大的影響。研究表明，相較于水位控制，一次調(diào)頻會(huì)導(dǎo)致磨損壽命減少約20倍。自動(dòng)二次調(diào)頻(負(fù)載頻率控制或類似)將導(dǎo)致高的，甚至可能更高的磨損率。這些磨損期限的變化是磨損行程參數(shù)變動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)果：調(diào)節(jié)越多，磨損行程越長。

表面壓力參數(shù)會(huì)受轉(zhuǎn)輪輪轂設(shè)計(jì)的影響，因此可以通過巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)來延長磨損壽命。增加輪轂比及/或優(yōu)化輪轂的幾何結(jié)構(gòu)可以降低表面壓力(減少磨損)。

增加轂比將直接影響到液壓性能和成本之間的權(quán)衡，因此在規(guī)格設(shè)計(jì)階段就考慮這些是非常重要的。如果該水輪機(jī)不用于高頻調(diào)節(jié)(例如一個(gè)徑流式體系中不允許這樣調(diào)節(jié))，在確定產(chǎn)品規(guī)格時(shí)應(yīng)明確此點(diǎn)。調(diào)節(jié)周期越短(調(diào)節(jié)越少)，應(yīng)用的轂比則可較小，這樣就可降低新水輪機(jī)的成本及(或)增加升級(jí)改造水輪機(jī)時(shí)的最大排水量和相應(yīng)的輸出功率。另一方面，若升級(jí)改造時(shí)無法通過增加水輪機(jī)排水量及輸出功率來獲利，那么就延長該水輪機(jī)壽命則會(huì)取得更高收益。

轉(zhuǎn)輪輪轂幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化同樣是一個(gè)需要權(quán)衡的問題。優(yōu)化軸承壓力某種程度上是平衡內(nèi)外葉片軸承和葉片推力軸承之間的負(fù)載問題。甚至鏈接運(yùn)動(dòng)、杠桿方向(領(lǐng)先或落后于旋轉(zhuǎn)方向)及轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)矩特性都會(huì)影響軸承壓力。此外，疲勞壽命和功能安全之間有一個(gè)折中方案。對于給定轂比的轉(zhuǎn)輪增加其外軸承直徑(以減少軸承表面壓力)將導(dǎo)致高應(yīng)力區(qū)域材料減少，進(jìn)而影響疲勞壽命和裝置變形。尤其對于一些軸承材料來說，過度的變形會(huì)降低功能安全性(軸承箱的橢圓化可能導(dǎo)致葉片軸夾緊)。由此可得，表面壓力并不是唯一的優(yōu)化目標(biāo)。變形、應(yīng)力和疲勞壽命都需考慮在內(nèi)，要想得到一個(gè)好的設(shè)計(jì)，需要適當(dāng)平衡這些參數(shù)。

盡管如此，輪轂的幾何形狀和輪轂比并不意味著能完全恢復(fù)磨損壽命和修復(fù)一次調(diào)頻帶來的影響。輪轂幾何形狀及輪轂比的影響比水輪機(jī)運(yùn)行模式帶來的影響小一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，由于磨損系數(shù)在磨損中起到更大的作用，就需要對軸承材料性能有深入徹底的研究。有專家認(rèn)為常用的軸承材料之間存在高達(dá)50倍的磨損率差異。由此可知，選擇合適的軸承材料時(shí)，磨損特性是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

2.2 疲勞壽命

軸流式水輪機(jī)輪轂設(shè)計(jì)中的主要問題是高周疲勞(應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn))。高周疲勞壽命主要受平均應(yīng)力、應(yīng)力振幅和材料性能的影響。

在軸流式水輪機(jī)輪轂中，應(yīng)力振幅的主要來源為轉(zhuǎn)輪葉片驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦帶，主要取決于外徑向葉片軸承和葉片推力軸承。此外，根據(jù)運(yùn)行調(diào)控模式，轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)矩特性也是影響因子。

由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪轂的內(nèi)部環(huán)境要考慮到腐蝕性，材料沒有疲勞極限。因此，轉(zhuǎn)輪必須設(shè)計(jì)有一定量的負(fù)載周期。負(fù)載周期的數(shù)值高度依賴于水輪機(jī)的調(diào)節(jié)模式以及水輪機(jī)調(diào)速器參量和定位反饋系統(tǒng)的質(zhì)量。研究表明，將水位控制轉(zhuǎn)換成一次調(diào)頻可以使負(fù)載周期的數(shù)值增加50～100倍。安德里茨水電公司在各國水輪機(jī)采取的措施(不同的調(diào)速器、調(diào)節(jié)策略和圖格編碼)表明，考慮初始調(diào)頻確定維度時(shí)， 40多年中總共1 000萬個(gè)調(diào)節(jié)周期(685周期/d或大約每兩分鐘一個(gè)周期)是合理并略顯保守的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 功能安全

對于功能安全，有幾個(gè)重要的因素。其中需要重點(diǎn)考慮的是輪轂的變形及其內(nèi)部組件。無油潤滑輪轂上遇到的一些功能性問題被歸于外葉片軸承孔的橢圓化，這在軸承表面上增加了法向力，從而增加了40%的摩擦力矩。自潤滑金屬軸承似乎對這種現(xiàn)象更為敏感，而復(fù)合軸承似乎在這方面顯得承受力更強(qiáng)、更可靠。在任何情況下，必須對這種現(xiàn)象進(jìn)行評估，特別是對于高負(fù)載的輪轂。

如圖1所示，箭頭代表耳軸與軸承之間的接觸法向力向量，陰影部分表示無任何接觸。分析始于非常高的所需作用力，經(jīng)分析計(jì)算該力遠(yuǎn)高于預(yù)期。外軸承是一種自潤滑金屬軸承，其顯然來自a點(diǎn)所指的接觸壓力。只有在軸承中邊緣和最初的幾毫米這樣很小的一部分，才會(huì)和耳軸接觸且接觸壓力峰值很高。因動(dòng)輪轂的橢圓化，其接觸角大于180°；從b點(diǎn)可以看到，因軸承傾斜，接觸面從軸承c外轉(zhuǎn)移到內(nèi)。同樣，葉片推力軸承的接觸角就很小(見d點(diǎn))。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片軸承上的表面壓力與法向力示意

雖然使用的軸承材料的摩擦系數(shù)相對較高，但這還不足以解釋高測力的原因。有限元(FE)分析常常用來研究由動(dòng)輪轂、軸承、耳軸和杠桿組成的耦合模型，這能闡明研究結(jié)果。輪轂橢圓化引起法向力大幅增大，導(dǎo)致測得的力很高。因不可能更換新輪轂，為此應(yīng)踐行安德里茨水電軸承理念，即優(yōu)化軸承間隙以減輕畸變造成的影響。至今轉(zhuǎn)輪已經(jīng)運(yùn)行了18個(gè)月，測力與計(jì)算值一致且運(yùn)行正常。值得一提的是，該轉(zhuǎn)輪是克里斯蒂娜公司開發(fā)的轉(zhuǎn)輪組(合計(jì)17個(gè)轉(zhuǎn)輪)的一部分，但安德里茨水電公司不再運(yùn)用轉(zhuǎn)輪組相應(yīng)的軸承設(shè)計(jì)理念。

此外，功能的安全性必須通過反復(fù)運(yùn)用已認(rèn)可并得到測試的設(shè)計(jì)理念來增強(qiáng)。在新理念提出的情況下，需要進(jìn)行徹底分析并格外關(guān)注設(shè)計(jì)評審。問題往往發(fā)生在微小的細(xì)節(jié)部分，故應(yīng)特別關(guān)注像套管固定、密封設(shè)計(jì)、螺栓鎖系統(tǒng)等細(xì)節(jié)。重要的是要建立一個(gè)完善的并以以往經(jīng)驗(yàn)和分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)評審程序，這就離不開堅(jiān)實(shí)而廣泛的文獻(xiàn)研究。

轉(zhuǎn)輪輪轂的裝配和工廠驗(yàn)收測試(FAT)對功能安全也意義重大。詳細(xì)記錄、經(jīng)過驗(yàn)證的工作流程和操作指令，以及在最終安裝前對所有部件和組件的逐一核查，均會(huì)起到事半功倍的效果。

腐蝕是另一個(gè)可能影響功能安全的參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)針對碳鋼部件的防腐系統(tǒng)時(shí)應(yīng)在材料的選擇上多下功夫。輪轂內(nèi)部環(huán)境的腐蝕性可通過水脫氧(是否使用化學(xué)品)或用阻蝕劑得到緩解。然而，還應(yīng)關(guān)注其最終會(huì)不會(huì)產(chǎn)生預(yù)料不到的后果，如是否會(huì)對材料性能產(chǎn)生負(fù)面影響，或者是否會(huì)引入帶來環(huán)境問題的新化合物。依靠材料的選擇及最終向水中注入添加劑，可能是輪轂無保護(hù)碳鋼表面腐蝕減少的原因。如果使用復(fù)合軸承材料，供應(yīng)商必須使用一致的質(zhì)量檢驗(yàn)程序。莫斯等研究者的匯總報(bào)表已被安德里茨水電公司作為這方面的參考框架之一。該公司軸流式水輪機(jī)無油潤滑轉(zhuǎn)輪新技術(shù)應(yīng)用中的幾次失敗，可以歸因于不同批次軸承材料間的差異。在實(shí)驗(yàn)室測試期間，該案例中使用的材料，表現(xiàn)出良好的抗摩擦性(在此特定案例中，因某種原因顯示其為最重要的因素)，并在實(shí)際應(yīng)用中也表現(xiàn)良好。然而，卡頓等描述的項(xiàng)目中提供的軸承性能不及先前所測試的軸承，供應(yīng)商將一些原因歸結(jié)于分包商更換了部分軸承材料。由此帶來的過多摩擦和磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪在調(diào)試后幾天內(nèi)就出現(xiàn)了故障。不過，向安德里茨水電公司提供軸承材料的供應(yīng)商可以通過破壞實(shí)驗(yàn)來評估各批次軸承材料的差異。此外，軸承的質(zhì)量證書和質(zhì)保證書正成為最終文件的一部分。

3 軸承的選擇標(biāo)準(zhǔn)

從上述列出的功能要求(磨損壽命、疲勞壽命和功能安全)可以明顯看出，永久潤滑軸承的性質(zhì)和性能對輪轂整體性能的發(fā)揮極其重要。因此，關(guān)于軸承選擇適宜標(biāo)準(zhǔn)的討論必不可少。

如上所述，摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)是影響轉(zhuǎn)輪輪轂機(jī)構(gòu)壽命長短的主要參數(shù)。因此很顯然，在這兩者之間進(jìn)行折中是非常重要的：低摩擦高磨損率沒有任何意義，反之亦然。選擇軸承材料最重要的標(biāo)準(zhǔn)如下：①摩擦系數(shù)；②磨損系數(shù)；③水內(nèi)溶脹；④組裝后的切削加工性能；⑤彈性模量。

此外，擁有一個(gè)高度專業(yè)化、高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商是極其重要的。

3.1 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)影響伺服電機(jī)的尺寸(這影響輪轂的最小可能直徑)、輪轂組件的靜態(tài)尺寸和疲勞壽命(通過摩擦帶)。只要不給磨損壽命帶來負(fù)面影響，優(yōu)先選擇盡可能低的摩擦系數(shù)。避免選擇有粘滑運(yùn)動(dòng)傾向或隨著時(shí)間推移摩擦系數(shù)往不可預(yù)測方向發(fā)展的軸承材料也很重要。

軸承材料首選PFTE，配合使用其他降低摩擦的化合物。它們表現(xiàn)出合理的低摩擦性(在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，扁平試樣ft標(biāo)準(zhǔn)值低于 0.1)。這一點(diǎn)已被專業(yè)測試裝置室內(nèi)測試證實(shí)。此外，不管是在調(diào)試中或是運(yùn)行一段時(shí)間之后，安德里茨水電公司通過現(xiàn)場測量均完成了系統(tǒng)層面的連續(xù)確認(rèn)。此確認(rèn)過程的目的是跟蹤評估軸承材料的性能發(fā)揮并更新模擬輪轂機(jī)械運(yùn)動(dòng)和摩擦的室內(nèi)開發(fā)工具。軸承材料的選擇經(jīng)過了反復(fù)的測試和監(jiān)測。

實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場測量的結(jié)果均未顯示出粘滑運(yùn)動(dòng)的問題。實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明，摩擦力隨時(shí)間變化，且摩擦系數(shù)受表面壓力的影響，最初運(yùn)行過程中這些現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)。摩擦系數(shù)隨時(shí)間增加而減小，隨表面壓力的增大而減小。這些觀察結(jié)果都可以解釋為潤滑劑從軸承材料到軸承表面的與壓力有關(guān)的擴(kuò)散過程，這是復(fù)合型軸承的特性。

3.2 磨損系數(shù)

磨損系數(shù)明顯影響輪轂的磨損壽命。除了磨損系數(shù)外，磨損壽命也受輪轂設(shè)計(jì)和轂比的影響。模擬運(yùn)行中軸承的磨損壽命相當(dāng)困難。最近取得的進(jìn)展已更好地詮釋了磨損過程以及磨損對軸承摩擦轉(zhuǎn)矩的影響。目前主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)就是找到磨損性能優(yōu)于油潤滑青銅軸承的材料，這是軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪傳統(tǒng)的解決方案。

相比油潤滑青銅材料，所選軸承材料的磨損系數(shù)相對較低。該材料也顯示出與其他典型自潤滑軸承材料相似或更低的磨損系數(shù)。內(nèi)部測試(上述提到的試驗(yàn)裝置)、獨(dú)立測試人員以及軸承供應(yīng)商都核實(shí)了這一點(diǎn)。最近，2個(gè)輪轂在運(yùn)行多年后被拆除，軸承的磨損已被測量，與預(yù)期磨損一致。

波爾尤斯(Porjus)水電站的水輪機(jī)U9(波爾尤斯水電站研發(fā)機(jī)組之一)自1999年開始運(yùn)行。運(yùn)行的前幾年里，測試了各種輪轂軸承材料的壓力壽命。盡管這臺(tái)水輪機(jī)的軸承高負(fù)荷運(yùn)行，但所有軸承材料測出的磨損結(jié)果都非常適度。因?yàn)閁9測試材料的磨損系數(shù)相接近或不及安德里茨水電公司選擇的材料，波爾尤斯U9的測試支持了安德里茨水電公司的選擇。

3.3 水內(nèi)溶脹

水內(nèi)溶脹明顯威脅到軸流式水輪機(jī)輪轂的功能安全。溶脹使軸承間隙減小，從而導(dǎo)致摩擦扭矩的大幅增長，而這種影響容易使轉(zhuǎn)輪葉片無法啟動(dòng)。不管轉(zhuǎn)輪充水還是干燥，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都十分重要。即使所謂的“干”的輪轂，也會(huì)常常有水滲漏至輪轂內(nèi)。因?yàn)殡x心力的作用，這些水會(huì)被強(qiáng)制帶至輪轂外殼，而外軸承正設(shè)置在此處。因此，即使有少量的水進(jìn)入輪轂，外軸承也會(huì)很潮濕。由于從摩擦轉(zhuǎn)矩角度來看，外軸承是最關(guān)鍵的部位，選擇防水的特別是溶脹特性突出的軸承材料很重要。安德里茨水電公司選擇的軸承材料在水中顯示出的溶脹特性很輕微甚至可以忽略。

3.4 組裝后的切削加工

安德里茨水電公司針對高端、大型軸流式水輪機(jī)輪轂的設(shè)計(jì)方案是軸承與轉(zhuǎn)輪輪轂相匹配后再進(jìn)行加工。其目的是為了將軸承間隙控制在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)，并確保軸承之間正確排列。所有這些因素對轉(zhuǎn)輪輪轂的功能安全都至關(guān)重要。所選擇的軸承材料非常適合用于適配后加工，且不需任何特殊工具或措施。

3.5 彈性模量

至于軸承材料的彈性模量，關(guān)鍵是選擇金屬基體軸承(彈性模量較高)還是復(fù)合或塑料軸承(彈性模量較低)。這代表了設(shè)計(jì)原則的重大抉擇。低彈性模量和高彈性模量軸承在設(shè)計(jì)上有巨大的差異，其實(shí)用性還需重新評估。

安德里茨水電公司已經(jīng)選擇使用彈性模量比鋼低得多的復(fù)合軸承。設(shè)計(jì)復(fù)合軸承意味著接受其存在變形現(xiàn)象的事實(shí)，而并不是試圖消除這些變形，實(shí)際上這是一個(gè)控制和平衡變形的問題，以達(dá)到優(yōu)化疲勞壽命、磨損壽命和功能安全的目的。其明顯優(yōu)勢在于，可降低軸承接觸面的壓力峰值，更可能實(shí)現(xiàn)軸承之間負(fù)荷、高過載容量和邊緣壓力不敏感的平衡。基于經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)輪機(jī)械設(shè)計(jì)中，復(fù)合軸承在應(yīng)對負(fù)載的不確定性和可變性以及制造精度等方面都比金屬軸承更有優(yōu)勢。這方面的經(jīng)驗(yàn)來自多年來不同軸承設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)，以及一些意外事件。除了卡頓等提到的材料問題外，安德里茨水電公司還從未遇到過因低彈性模量軸承導(dǎo)致的轉(zhuǎn)輪問題。對于自潤滑鋼鑄的軸承，與那些主要因鋼鑄軸承導(dǎo)致的功能欠缺的案例不同，其經(jīng)常伴有軸承箱(常存在于軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中而與軸承材料的選擇無關(guān))的變形問題。

4 結(jié) 語

對于高端軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的機(jī)械設(shè)計(jì)，需解決以下3個(gè)問題：磨損壽命、疲勞壽命及功能安全。

這些問題與客戶價(jià)值、成本、環(huán)境性能及可維護(hù)性同等重要。實(shí)現(xiàn)這些價(jià)值的關(guān)鍵因素是軸承材料的選擇。安德里茨水電公司已在軸流式水輪機(jī)無油轉(zhuǎn)輪中選擇了特定的復(fù)合軸承材料。應(yīng)用這一理念運(yùn)行了十幾年的70多個(gè)新型轉(zhuǎn)輪及20多個(gè)經(jīng)更新改造的轉(zhuǎn)輪已達(dá)到非常好的效果。

軸流式水輪機(jī)無油潤滑轉(zhuǎn)輪技術(shù)已得到應(yīng)用，且是當(dāng)今用于軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最環(huán)保的技術(shù)。

劉布谷劉可薇譯

(編輯：朱曉紅)

TV73

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2017-03-02

1006-0081(2017)09-0041-05