孫茂軍，陳 琛，李 浪

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 引言

水輪發(fā)電機(jī)組的原理就是把水流從高處流下的能量，經(jīng)過(guò)水輪機(jī)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，通過(guò)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)起步較晚，但隨著三峽、向家壩、溪洛渡、烏東德、白鶴灘等巨型水電站的建設(shè)，特別是白鶴灘16 臺(tái)國(guó)產(chǎn)1 000 MW 巨型機(jī)組的設(shè)計(jì)制造，中國(guó)首次踏進(jìn)了世界百萬(wàn)水電機(jī)組無(wú)人區(qū)，成為了世界水電的引領(lǐng)者。

作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，隨著水頭、負(fù)荷的波動(dòng)，水輪發(fā)電機(jī)組不可避免的存在振動(dòng)、擺動(dòng)，如果振動(dòng)、擺動(dòng)過(guò)大，將會(huì)給機(jī)組設(shè)備、廠房，甚至電站下游人民帶來(lái)巨大的威脅，所以必須將其振動(dòng)、擺動(dòng)限制在一定的范圍內(nèi)，而水導(dǎo)軸承就是限制其擺動(dòng)范圍的一個(gè)重要組成。

本文結(jié)合長(zhǎng)江干流已投運(yùn)700 MW 以上大型水輪發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)闡述水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)白鶴灘水電站水導(dǎo)軸承進(jìn)行詳細(xì)敘述。

2 水導(dǎo)軸承的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)型式的不同，水導(dǎo)軸承可分為橡膠導(dǎo)軸承、筒式導(dǎo)軸承、分塊瓦導(dǎo)軸承。為保證水導(dǎo)軸承的穩(wěn)定性，并考慮檢修維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性，大型水輪發(fā)電機(jī)組均采用分塊瓦式導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)，為此，本文將重點(diǎn)對(duì)分塊瓦式導(dǎo)軸承進(jìn)行闡述。

分塊瓦式導(dǎo)軸承通過(guò)在旋轉(zhuǎn)大軸圓周方向布置多塊水導(dǎo)瓦，以確保大軸在規(guī)定的軸線位置旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)突出，匯總?cè)缦拢?/p>

（1）軸承總間隙可根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)靈活調(diào)整。

（2）每塊瓦獨(dú)立支撐，可以繞支撐點(diǎn)產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)，間隙可獨(dú)立調(diào)整，對(duì)軸線擺動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)，承載能力高。

（3）導(dǎo)瓦與冷卻介質(zhì)具有較大的接觸面積，散熱能力強(qiáng)。

（4）安裝、調(diào)整、檢修維護(hù)方便。

分塊瓦式水導(dǎo)軸承根據(jù)不同屬性又可分為不同的結(jié)構(gòu)形式，按支撐方式可分為抗重螺栓支撐和楔子板支撐結(jié)構(gòu)；按冷卻方式可分為冷卻器冷卻和自然冷卻，其中冷卻器冷卻又可分為自泵外循環(huán)、強(qiáng)迫外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)等結(jié)構(gòu)形式；按滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為有軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)和無(wú)軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)形式。

3 長(zhǎng)江干流巨型水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)軸承簡(jiǎn)介

由于尺寸巨大，為便于軸承檢修、維護(hù)，長(zhǎng)江干流三峽、向家壩、溪洛渡及建造中的烏東德、白鶴灘5 座電站巨型水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)軸承均為分塊瓦式導(dǎo)軸承，但由于具體結(jié)構(gòu)差異，根據(jù)冷卻方式可分為強(qiáng)迫外循環(huán)和自泵外循環(huán)兩種形式；而根據(jù)滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為有軸領(lǐng)和無(wú)軸領(lǐng)兩種結(jié)構(gòu)。

3.1 冷卻方式

3.1.1 自泵外循環(huán)

自泵外循環(huán)結(jié)構(gòu)模式是指水導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)中未設(shè)置電動(dòng)油泵，油槽油液完全依靠自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在機(jī)組旋轉(zhuǎn)離心力作用下，將油槽中的熱油泵出送至外置冷卻器冷卻后，再注入油槽對(duì)水導(dǎo)瓦進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)模式。溪洛渡左岸哈電、白鶴灘右岸哈電機(jī)組均采用該冷卻方式。

3.1.2 強(qiáng)迫外循環(huán)

強(qiáng)迫外循環(huán)結(jié)構(gòu)形式是指水導(dǎo)油槽中的熱油，在外置油泵作用下抽出送至外部冷卻器冷卻后，再注入油槽對(duì)水導(dǎo)瓦進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 滑轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3.2.1 無(wú)軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)

無(wú)軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)以主軸自身作為導(dǎo)軸承的滑轉(zhuǎn)子使用。巨型機(jī)組由于機(jī)組主軸尺寸大，軸領(lǐng)加工工藝復(fù)雜，相對(duì)帶軸領(lǐng)的水導(dǎo)軸承而言，無(wú)軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)降低了主軸加工難度，因而受到生產(chǎn)廠家的青睞。但此種結(jié)構(gòu)需設(shè)置甩油環(huán)、外油箱等部件，整體較復(fù)雜，對(duì)泵的可靠性要求高，所需安裝空間大，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后，因上油箱油液大量滲漏進(jìn)入外油箱，對(duì)軸瓦保護(hù)不足。三峽哈電、ALSTOM 機(jī)組以及向家壩哈電、ALSTOM 機(jī)組均采用此結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 無(wú)軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)水導(dǎo)軸承

3.2.2 有軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)

有軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)在水輪機(jī)大軸上附加有一圈軸領(lǐng)，并以軸領(lǐng)作為軸承滑轉(zhuǎn)子，由于軸領(lǐng)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)軸承可在軸領(lǐng)及大軸間設(shè)置擋油筒，從油箱與滑轉(zhuǎn)子間滲漏油液直接進(jìn)入到下油盆，故而無(wú)需設(shè)計(jì)下甩油環(huán)，迷宮式密封環(huán)結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，整體尺寸緊湊，對(duì)空間要求較低，冷卻方式選擇靈活性高。

由于河道條件的限制，越來(lái)越多的電站只能將機(jī)組設(shè)備建設(shè)在地下廠房?jī)?nèi)，對(duì)機(jī)組設(shè)備的空間利用率要求高，所以仍有大量的水輪發(fā)電機(jī)組采用有軸領(lǐng)軸承結(jié)構(gòu)。三峽VGS、東電機(jī)組以及溪洛渡、烏東德、白鶴灘電站全部機(jī)組均采用此結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 有軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)水導(dǎo)軸承

4 白鶴灘水電站水導(dǎo)軸承簡(jiǎn)介

白鶴灘水電站水導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)滑分塊瓦、有軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中東電、哈電機(jī)組水導(dǎo)軸承分別設(shè)有24 塊、16 塊巴氏合金軸瓦，為楔子板調(diào)整結(jié)構(gòu)。

4.1 東電水導(dǎo)軸承

東電水導(dǎo)軸承整體結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。其冷卻方式采用外加泵強(qiáng)迫外循環(huán)模式，整體設(shè)計(jì)要求較低，但對(duì)油泵工作可靠性要求較高，控制程序復(fù)雜，維護(hù)工作量大。其冷卻系統(tǒng)如圖4 所示，油盆內(nèi)熱油在油泵作用下依次進(jìn)入過(guò)濾器、冷卻器后再注入油槽，對(duì)水導(dǎo)瓦進(jìn)行冷卻，冷油經(jīng)過(guò)水導(dǎo)瓦后被加熱成熱油，密度小于冷油，浮在油箱上部，并翻過(guò)溢流板進(jìn)入下部油盆，再被油泵抽出，形成油路循環(huán)。冷卻水通過(guò)冷卻水總管上的支管分別進(jìn)入冷卻器，冷卻熱油后再排出匯至出水總管排走。

4.2 哈電水導(dǎo)軸承

圖3 東電水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 東電水導(dǎo)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)示意圖

圖5 哈電水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

哈電水導(dǎo)軸承整體結(jié)構(gòu)形式如圖5 所示。其冷卻方式采用自泵外循環(huán)模式，無(wú)需外接電動(dòng)油泵，故而不存在斷電影響，安全可靠性較高，維護(hù)工作量小，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。其冷卻系統(tǒng)如圖6 所示。油盆內(nèi)的熱油在大軸旋轉(zhuǎn)離心力作用下，甩入下油箱，并達(dá)到一定的壓力，在差壓作用下分別自流進(jìn)入冷卻器，經(jīng)冷卻器冷卻后注入油槽，對(duì)水導(dǎo)瓦進(jìn)行冷卻，冷油經(jīng)過(guò)水導(dǎo)瓦后被加熱成熱油，密度小于冷油，浮在油箱上部，并翻過(guò)溢流板進(jìn)入下部油盆，再被甩入下油箱，形成油路循環(huán)。冷卻水通過(guò)冷卻水總管上的支管分別進(jìn)入冷卻器，冷卻熱油后再排出匯至出水總管排走。

5 結(jié)語(yǔ)

圖6 哈電水導(dǎo)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)示意圖

（1）隨著水輪發(fā)電機(jī)組的容量增大，水導(dǎo)軸承所承載負(fù)荷也越來(lái)越高，尺寸越來(lái)越大，承載能力強(qiáng)、造價(jià)相對(duì)較低、檢修維護(hù)及調(diào)整方便的分塊瓦式導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。

（2）自泵式外循環(huán)安全可靠性較高，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)難度高，而外加泵強(qiáng)迫外循環(huán)雖然控制程序復(fù)雜，但設(shè)計(jì)難度較低，應(yīng)用更為廣泛。

（3）無(wú)軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)雖然主軸加工難度較低，但需要的外部輔助設(shè)備較多，空間要求較大，日常維護(hù)工作量大；而有軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)空間利用率高，外循環(huán)方式選擇靈活，且隨著技術(shù)進(jìn)步，加工難度相對(duì)越低，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

作為水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件的水導(dǎo)軸承，其工作正常與否，直接影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定性能，隨著機(jī)組單機(jī)容量的越來(lái)越大，人們對(duì)水導(dǎo)軸承的關(guān)注度也越來(lái)越高。隨著長(zhǎng)江干流三峽、向家壩、溪洛渡水電站的建設(shè)及投產(chǎn)運(yùn)行，國(guó)內(nèi)已探索出一套巨型水輪發(fā)電機(jī)組水導(dǎo)軸承安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的管理和使用經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)進(jìn)步，并將進(jìn)一步推動(dòng)世界水電的高質(zhì)量發(fā)展。