鐘海權(quán)，歐陽(yáng)寧東，楊培平

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)推力軸承工作時(shí)，軸瓦順轉(zhuǎn)向與鏡板形成楔形間隙，冷油在旋轉(zhuǎn)鏡板的帶動(dòng)下從楔形間隙的大口側(cè)進(jìn)入，從楔形間隙的小口側(cè)流出，又進(jìn)入下一塊瓦的楔形間隙，并在鏡板工作面與軸瓦工作面之間形成用于承載載荷的油膜。油在經(jīng)過(guò)鏡板摩擦后會(huì)變熱，由于油的黏附作用，鏡板工作面通常附著一層厚度小于1mm 的熱油，溫度遠(yuǎn)高于油槽油溫，該薄層內(nèi)溫度梯度很大，稱為熱油邊界層[1]，是推力軸承固有的。熱油邊界層，提高了軸承的工作油溫，降低了軸承的承載能力，軸瓦容易損壞。

本文分析了熱油邊界層對(duì)推力軸承性能的影響，介紹了熱油邊界層隔離降溫技術(shù)的原理、熱油隔油裝置[2]的結(jié)構(gòu)及工程應(yīng)用效果。模擬試驗(yàn)和工程應(yīng)用結(jié)果表明，熱邊界層隔離降溫裝置（以下簡(jiǎn)稱熱隔裝置）能夠明顯提高推力軸承承載能力、降低運(yùn)行瓦溫約5K 以上。

1 推力軸承熱油邊界層隔離降溫技術(shù)的原理

1.1 推力軸承瓦間油流一般特點(diǎn)

水輪發(fā)電機(jī)推力軸承一般由轉(zhuǎn)軸、鏡板、軸瓦和支撐件等組成，轉(zhuǎn)軸與鏡板固定連接用于帶動(dòng)鏡板轉(zhuǎn)動(dòng)，軸瓦為多個(gè)，分布在轉(zhuǎn)軸四周，且軸瓦傾斜設(shè)置在鏡板的工作面下方，并順轉(zhuǎn)向與鏡板形成楔形間隙，楔形間隙的大口側(cè)為進(jìn)油端，楔形間隙的小口側(cè)為出油端，軸承支撐件固定在油槽內(nèi)。

推力軸承工作時(shí)，冷油在旋轉(zhuǎn)鏡板的帶動(dòng)下從楔形間隙的大口側(cè)進(jìn)入，從楔形間隙的小口側(cè)流出，并在鏡板工作面與軸瓦工作面之間形成用于承載載荷的油膜。但在相鄰兩塊軸瓦中，由于前一軸瓦的出油端為后一軸瓦的進(jìn)油端，而油在經(jīng)過(guò)鏡板摩擦后會(huì)變熱，這就導(dǎo)致會(huì)有部分熱油附著在鏡板工作面，并在鏡板的帶動(dòng)下進(jìn)入下一軸瓦與鏡板之間，提高了軸承的工作油溫，降低了軸承的承載能力（如圖1 所示）。

圖1 推力軸承瓦間油流示意圖Figure 1 The oil flow between thrust bearing segment

在實(shí)際使用過(guò)程中，為了減少前一軸瓦進(jìn)入后一軸瓦的熱油量，通常采用增大瓦間距離的方式，其效果非常有限。為了保持合適的比壓，只好增大推力軸承的尺寸，不僅導(dǎo)致推力軸承的空間占用面積增大，還導(dǎo)致整個(gè)推力軸承的制造材料和成本增加。

特別是抽水蓄能機(jī)組的雙向推力軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)300 ～500r/min，單純地增大推力軸承的尺寸，還將導(dǎo)致攪拌損耗和總損耗大幅增加，降低機(jī)組效率、增加潤(rùn)滑油內(nèi)部的氣泡、增加油槽周邊的油霧。

1.2 速度邊界層數(shù)學(xué)模型

在緊貼鏡板表面附近有一層油，速度梯度很大，顯著地受到黏性的影響，稱為速度邊界層。在速度邊界層內(nèi)，鏡板表面上流速為最大值，距離鏡板越遠(yuǎn)，速度趨近于0。速度邊界層以外的流動(dòng)區(qū)域，流體速度很小，稱為主體區(qū)或外流區(qū)（見(jiàn)圖2）。速度邊界層是由黏滯力產(chǎn)生的效應(yīng)，和雷諾數(shù)Re有關(guān)。

圖2 瓦間未隔油的速度邊界層Figure 2 Velocity boundary layer when no hot oil isolation device

速度邊界層厚度δ，定義為同一截面上外部主流速度相差1%的位置與鏡板的距離。

速度邊界層厚度越小，邊界層內(nèi)速度的變化率越大，可以視為速度的擴(kuò)散率越大。

潤(rùn)滑油為不可壓縮流體，由N-S 方程和連續(xù)方程經(jīng)簡(jiǎn)化得到瓦間油流的速度邊界層方程[3]：

式中：x——順轉(zhuǎn)向的坐標(biāo)，m；

y——垂直于鏡板的坐標(biāo)，m；

u——x向速度，m/s；

υ——y向速度，m/s；

ν——油運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；

Ue——外部勢(shì)流速度，m/s。

1.3 熱邊界層數(shù)學(xué)模型

與速度邊界層相似，在緊貼鏡板表面附近有非常薄的一層熱油，該薄層內(nèi)溫度梯度很大，顯著地受到熱傳導(dǎo)的影響，稱為熱邊界層。熱邊界層厚度定義和速度邊界層厚度類似，即同一截面上外部主流溫度相差1%的位置與鏡板的距離。熱邊界層厚度越小，表示熱交換的效果越好。熱邊界層厚度與速度邊界層厚度的關(guān)系由普蘭特爾數(shù)Pr=μCp/k控制。

熱邊界層內(nèi)的熱交換方程[3]：

式中：T——油溫度，℃；

k——熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m2K）；

Cp——比熱，J/（kg K）；

ρ——油密度，kg/m3；

μ——油動(dòng)力黏度，Pa·s。

1.4 推力軸承隔油降溫技術(shù)原理

在相鄰兩軸瓦之間設(shè)置隔油裝置[2、4、5]，隔油裝置固定在鏡板工作面下方的油槽內(nèi)，隔油板通過(guò)彈簧與支撐架連接，隔油板與鏡板工作面配合阻擋前一塊的熱油，使熱油流入軸瓦下方的油槽內(nèi)，不直接進(jìn)入下一塊軸瓦，如圖3 所示。瓦間隔油后的速度邊界層如圖4 所示。

圖3 推力軸承瓦間隔油裝置及其油流示意圖Figure 3 Hot oil isolation device and the oil flow between thrust bearing segment

圖4 瓦間隔油后的速度邊界層Figure 4 Velocity boundary layer when hot oil isolation device

1.5 瓦間油流溫度分析

利用推力軸承熱彈流程序求解上述邊界層方程，可以得到推力瓦間油流的溫度分布。推力瓦之間采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，瓦間沒(méi)有設(shè)置隔油裝置時(shí)，平均半徑上瓦間油流的溫度等值線見(jiàn)圖5。圖形左側(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?？梢?jiàn)在油槽油溫40℃時(shí)，后一塊瓦實(shí)際進(jìn)油溫度高得多，達(dá)56.3 ～76.2℃。

圖5 瓦間未隔油的油流溫度Figure 5 Oil flow temperature when no hot oil isolation device

推力瓦之間采用最新開(kāi)發(fā)的專利技術(shù)，在瓦間設(shè)置隔油裝置時(shí)，平均半徑上瓦間油流的溫度等值線見(jiàn)圖6。可見(jiàn)，后一塊瓦進(jìn)油溫度計(jì)算值為40 ～70℃，平均降低11K。

圖6 瓦間隔油后的油流溫度Figure 6 Oil flow temperature when hot oil isolation device

2 熱邊界層隔離降溫技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 推力軸承模擬試驗(yàn)原則

模擬試驗(yàn)在東方電機(jī)有限公司2000t 級(jí)高速重載雙向推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。分別采用了4 套模型軸承模擬4 座不同電站進(jìn)行試驗(yàn)，僅在推力瓦之間安裝熱隔裝置，推力軸承其余結(jié)構(gòu)完全不變，如圖7 所示。

圖7 熱隔裝置安裝示意圖Figure 7 Hot oil isolation device installation diagram

模擬試驗(yàn)按照相同油溫下，試驗(yàn)比壓Pm、平均線速度Vm相等的原則進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)比采用熱隔裝置前后的降溫效果以及對(duì)推力軸承影響。

2.2 偏心支撐推力軸承熱隔裝置降溫效果

常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承采用偏心支撐結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，可以設(shè)計(jì)配套的熱隔裝置并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)電站1 的大型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承運(yùn)行工況（油溫40℃，比壓4.2MPa 左右，平均線速度約27m/s）進(jìn)行模擬試驗(yàn)。采用熱隔裝置后，推力軸承瓦溫明顯下降，如圖8 所示。電站1 的推力軸承運(yùn)行溫度（RTD）平均降低超過(guò)12K，瓦面最高溫度平均降低超過(guò)7K，最小油膜厚度平均增加0.02mm以上。

圖8 電站1 降溫對(duì)比模擬試驗(yàn)結(jié)果Figure 8 Power station 1 cooling contrast test results

根據(jù)國(guó)內(nèi)電站2 的水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承運(yùn)行工況（油溫40℃，比壓4.5MPa 左右，平均線速度約23m/s）進(jìn)行模擬試驗(yàn)。采用熱隔裝置后，如圖9 所示，電站2 的推力軸承運(yùn)行溫度（RTD）平均降低超過(guò)10K，瓦面最高溫度平均降低大于5K，最小油膜厚度平均增加約0.01mm 以上，油膜厚度分布也更合理。

圖9 電站2 降溫對(duì)比模擬試驗(yàn)結(jié)果Figure 9 Power station 2 cooling contrast test results

2.3 雙向推力軸承熱邊界層隔離降溫效果

抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)需要滿足雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，其推力軸承通常采用中心支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了配套的熱隔裝置，參照某抽水蓄能機(jī)組工況（油溫45℃，比壓3MPa 左右，平均線速度約39m/s）進(jìn)行模擬試驗(yàn)。安裝熱隔裝置前后的模擬試驗(yàn)結(jié)果，如圖10、圖11 所示。推力軸承運(yùn)行溫度（RTD）平均降低7.8 ～9.3K，瓦面最高溫度平均降低18.5 ～19.1K，最小油膜厚度平均增加0.019 ～0.034mm，油膜厚度分布也更合理。

圖10 抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況降溫對(duì)比模擬試驗(yàn)Figure 10 Cooling contrast test results under generator working conditions

圖11 抽水蓄能機(jī)組水泵工況降溫對(duì)比模擬試驗(yàn)Figure 11 Cooling contrast test results under pump working conditions

3 熱邊界層隔離降溫技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 陜西某機(jī)組推力軸承的隔油降溫效果

陜西省某水電站一臺(tái)常規(guī)機(jī)組，在夏季運(yùn)行時(shí)推力瓦溫多次高于報(bào)警值，導(dǎo)致長(zhǎng)期限負(fù)荷運(yùn)行。2017 年6 月安裝熱隔裝置后，推力軸承運(yùn)行瓦溫同比降低6 ～8K，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組滿發(fā)的愿望，見(jiàn)圖12 和圖13。

圖12 陜西某電站熱隔裝置安裝示意圖Figure 12 Shanxi × power station hot oil isolation device installation diagram

圖13 陜西某水電機(jī)組安裝熱隔裝置后降溫效果Figure 13 Shanxi × power station cooling contrast test results

2018 年4 月，在機(jī)組運(yùn)行了10 個(gè)月以后，將熱隔裝置拆出全面檢測(cè)，預(yù)期會(huì)磨損的零件實(shí)際磨損量小于0.1mm，遠(yuǎn)小于該零件容許的磨損值。這說(shuō)明該裝置使用壽命可以滿足機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行要求。

3.2 湖南某抽水蓄能機(jī)組推力軸承的隔油降溫效果

湖南某抽水蓄能電站有裝機(jī)容量300MW 的抽蓄機(jī)組4臺(tái)，由法國(guó)水電企業(yè)設(shè)計(jì)，采用長(zhǎng)桿加托盤(pán)的支撐結(jié)構(gòu)，不同程度地出現(xiàn)了推力軸承運(yùn)行瓦溫偏高的問(wèn)題。

尤其是4 號(hào)機(jī)組，在夏季運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)瓦溫高報(bào)警的情況，最高運(yùn)行瓦溫曾經(jīng)超過(guò)84℃，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。針對(duì)該機(jī)組運(yùn)行狀況，東方電機(jī)有限公司設(shè)計(jì)了一套熱隔裝置，于2018 年3 月成功安裝在4 號(hào)機(jī)上。熱隔裝置安裝示意圖見(jiàn)圖14。

圖14 湖南某電站熱隔裝置安裝示意圖Figure 14 Hunan ×power station hot oil isolation device installation diagram

安裝熱隔裝置后，該機(jī)組推力軸承運(yùn)行瓦溫出現(xiàn)明顯降低。對(duì)比機(jī)組安裝前后相同工況下的瓦溫?cái)?shù)據(jù)，無(wú)論是發(fā)電工況還是水泵工況，推力軸承運(yùn)行瓦溫均降低了10K 以上。降溫效果對(duì)比見(jiàn)圖15、圖16。

圖16 水泵工況下推力瓦降溫效果對(duì)比（單位：℃）Figure 16 Cooling contrast test results under pump working conditions（unit：℃）

3.3 廣西某機(jī)組推力軸承的隔油降溫效果

廣西某電站機(jī)組額定容量228.6MVA，最大推力負(fù)荷37240kN，采用小支柱雙層瓦，球面支柱支承結(jié)構(gòu)，2020 年夏季該電站8 號(hào)機(jī)組最高瓦溫達(dá)到78.8℃[6]，被迫將推力軸承瓦溫的整定值調(diào)整為80℃報(bào)警、85℃停機(jī)。

2020 年枯水期該電站8 號(hào)機(jī)停機(jī)改造，加裝了熱隔裝置，與未裝熱隔裝置前進(jìn)行對(duì)比，推力瓦溫降低非常明顯[6]。推力軸承運(yùn)行瓦溫降低了10.9 ～17.5K，見(jiàn)圖17；推力軸承運(yùn)行瓦溫相對(duì)于油溫的溫升降低了5.2 ～11.8K，見(jiàn)圖18。

圖17 廣西某電站8 號(hào)機(jī)推力瓦溫下降效果對(duì)比（單位：℃）Figure 17 Cooling contrast test results（unit：℃）

圖18 廣西某電站8 號(hào)機(jī)推力瓦相對(duì)油溫升下降效果對(duì)比（單位：K）Figure 18 Cooling contrast test results（unit：K）

3.4 云南某機(jī)組推力軸承的隔油降溫效果

云南某巨型水電站裝設(shè)有6 臺(tái)單機(jī)容量為700MW 的立軸半傘式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速為150r/min，推力負(fù)荷27330kN。推力軸承采用小支柱彈性支撐的雙層巴氏合金瓦，軸承有效承載面積60313cm2，單位壓力4.39MPa，采用外循環(huán)冷卻方式，由裝設(shè)在鏡板周圍的導(dǎo)瓦泵驅(qū)動(dòng)油流動(dòng)。該電站各機(jī)組投產(chǎn)后，使用泵站作為機(jī)組技術(shù)主供水方式時(shí)，推力瓦運(yùn)行溫度比較均勻，但整體偏高，最高運(yùn)行瓦溫為76 ～80℃；當(dāng)使用頂蓋技術(shù)供水方式運(yùn)行時(shí)，推力瓦溫比泵站主供水時(shí)高5 ～8K，最高達(dá)85.3℃。在水溫和油槽內(nèi)油溫均不高的情況下，最高瓦溫已到設(shè)定值[7]。

該電站在2011 ～2012 年度檢修期間，在1 號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承上新增了2 臺(tái)并聯(lián)的冷卻器，將推力冷卻器數(shù)量由4 臺(tái)增加至6 臺(tái)。改造后推力油溫下降約5K，但推力瓦溫?zé)o改善[7]。

該電站在2018 ～2019 年度4 號(hào)機(jī)組大修期間，優(yōu)化了推力軸承結(jié)構(gòu)，增設(shè)隔油降溫裝置，如圖19 所示，使推力軸承運(yùn)行瓦溫平均降低了4.5K，最高瓦溫降幅達(dá)6.9K[7]，達(dá)到了預(yù)期效果，保障了推力軸承及機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，帶來(lái)了顯著的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

圖19 云南某電站熱隔裝置安裝示意圖Figure 19 Yunnan x power station hot oil isolation device installation diagram

4 結(jié)論

本文分析了熱油邊界層對(duì)推力軸承性能的影響，介紹了熱邊界層隔離降溫技術(shù)的原理、熱油隔油裝置的結(jié)構(gòu)及工程應(yīng)用效果，得出以下結(jié)論：

（1）熱油邊界層對(duì)推力軸承性能影響很大，提高了軸承的實(shí)際工作油溫，降低了軸承的承載能力。

（2）采用熱邊界層隔離降溫裝置，能夠去除鏡板工作表面的大部分熱油，降低下一塊瓦的實(shí)際進(jìn)油溫度，可以降低運(yùn)行瓦溫5K 以上，增加油膜厚度0.01mm 以上，明顯提高推力軸承承載能力。

（3）熱邊界層隔離降溫裝置僅局部改變推力軸承原有結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果明顯，特別適合瓦溫高的舊機(jī)組推力軸承改造，該類處理措施對(duì)推力軸承運(yùn)行瓦溫偏高的各水電站具有良好的參考和借鑒價(jià)值。