水轮机水润滑轴承的应用及展望 prospect applying of the water smooth bearing for hydroturbine.pdf

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  2011．№4 大电机技术 51 水轮机水润滑轴承的应用及展望 王鉴，王春雷 (哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040) [摘要]本文回顾了水润滑轴承的应用历史，通过一系列分析比较其结构的优缺点，希望唤起人们对水润滑轴承 的青睐。从结构和选材上展望其应用前景。 [关键词]水轮机；水润滑轴承；结构 [中图分类号]TK730[文献标识码]B [文章编号]1000．3983(2011)04-005l_04 oftheWaterSmooth for Hydroturbine ProspectApplying Bearing Ⅵ後NGJian．Ⅵ後NGChurl．1ei Electric 1 (HarbinMachineryCompanyLimited，Harbin50040，China) Abstract：Thislookedbackthe ofwaterlubricatedand the paper appliedhistory bearingpassed meritand thatthe itsstructureandarousedthefavorof tothe shortcominganalysiscompares people waterlubricated it fromsla-uctureandmaterial． bearing，andprospectappliedforeground lubricated Keywords：hydroturbine；waterbearing；structure 为380mm的水润滑橡胶导轴承…。水润滑橡胶轴承的 1水润滑轴承在水轮机上的应用背景 大范围的应用是对稀油润滑轴承改造成功之后，由于其环 20世纪初，水轮机广泛用作水力发电机组的原动 保和结构相对比较简单的优势才得以推广。对水润滑橡胶轴承 机，其主轴导轴承主要是采用稀油润滑巴氏合金轴承。 和稀油润滑巴氏合金轴承作比较，采用水润滑橡胶 这种轴承为防止水浸入油中，在下部需设密封装置。 轴承，取消下转动油盆使轴承布置更靠近转轮，减小 密封装置故障频繁，很难保证长期可靠运行，尤其是 转轮的悬臂伸长度，增加了运行稳定性。稀油润滑巴 轴流式水轮机，轴承下部空间窄小，安装维护难度更 氏合金轴承由很多个零件构成，重量大，而水润滑的 大。为简化密封结构，多数采用干油润滑轴承。直至 橡胶轴承零件较少，重量较轻，节省了大量的加工工 20世纪中叶，欧洲、日本等国家生产的转桨式水轮机 时。此外，还节省了大量润滑油与运行中油的清理、 仍采用干油润滑轴承。用过的润滑油不能收回，泄入 再生处理等耗费，更重要的是减少了对河流的污染。 水中，污染河流，引起人们的非议。 水润滑橡胶轴承也是国际上水轮机最通用的一种 水润滑轴承应用的历史可追溯到和水轮机应用同 结构型式。具有可接受的耐磨性能、较低的摩擦系 样远古。是美国最先把船用螺旋桨的水润滑轴承移植 数和良好的运行质量，常规使用的寿命约17—20年。国际上 到水轮机上。后来，前苏联由于当时密封材质欠佳， 已积累了丰富的设计制造和运行维护经验。我国在上 水轮机应用稀油润滑轴承矛盾突出，因而进行了大量 世纪的50—70年代也大范围的应用，为水轮机导轴承的主 应用研究，轴承材料初期采用铁梨木，桦木叠层塑胶 要型式之一【2J。如单机容量300MW的白山水电站，采 板等天然材料，由于吸水膨胀和对泥沙磨损敏感，后 用水润滑橡胶轴承，轴承规格为西1620mm×880mm。 来采用橡胶。水润滑橡胶轴承，在20世纪的50--70年运行至今，情况良好。 代是前苏联大、中、小型水轮机导轴承的主导结构方 3关于水润滑轴承的润滑和摩擦磨损问题 案。 通过研究对水润滑橡胶轴承在水轮机上代替稀油 2水润滑轴承在水轮机上应用的经验 润滑轴承的应用进行了许多试验，证明了应用的可行 水润滑轴承是以结构相对比较简单，且简化了周边装置和 性并加以推广，但对橡胶轴承的摩擦理论研究没有深 部件而代替稀油润滑轴承在水轮机上应用的。早在 入进行。 1935年列宁格勒金属工厂在为莫斯科运河卡拉美舍夫 运行实践表明，水润滑橡胶轴承的轴瓦和轴颈都 电站提供的1350kW转桨式水轮机，首先安装了直径有不同程度的磨损，不如稀油润滑轴承那样稳定。认 万方数据 1．N04 52 水轮机水润滑轴承的应用及展望 201 为水润滑橡胶轴承运行中不能恒定地保持水动力润滑 平缓。橡胶轴承摩擦是液体的，这也可从圆周速度增 膜，而是在混合摩擦范围运行。根据雷诺方程，当给 加、摩擦系数降低和压强增加摩擦损失比油润滑金属 定轴承的尺寸和滑动速度时，在液体摩擦下运行，其 轴承增加慢的试验资料得到证实。因此，所谓水润滑 承载能力与液体的粘度成正比与最小润滑膜厚度的平 橡胶轴承在混合摩擦范围运行应是瞬时的，基本是液 方成反比，即p：：q／h02 体摩擦。这些性能的迸一步表述有待进一步研究。 式中：r轴承的承载能力，kN； P ，r液体动力粘度，1111112／s； hD-—．最小润滑膜厚度，lan。 从轴承润滑油与水的粘温曲线上可以查到，当温 度为40。C时，油的动力粘度为68ram2／s，水的动力粘 度为0．65mm2／s。计算轴承在409C时，在液体摩擦状 ． 态下承受同样载荷时，最小水膜厚度和最小油膜厚度 的关系为： h萨跃‰ (a)刚性巴氏合金轴衬 106kP／em2 ·2rb=0．6x ·在载荷作用下。轴村几何压强特性的影响不大 t ·压强特性曲线如图l a)所示．由间隙形状确定 式中： ^。，一最小水膜厚度； 尸 办。I．一最小油膜厚度； 77。——水的动力粘度； r／，，——油的动力粘度。 即水润滑轴承最小水膜厚度约为油润滑的1／10。 稀油润滑轴承的间隙6，一般按扣O．15+0．2D／1000选 取，设轴承直径D=1000mm，则间隙扣0．35mm，依此， 水润滑轴承间隙声产0．35x0．098=0．034ram，显然，直径 为1000mm的轴承，间隙为O．034mm是有困难的。设 (b)软性橡胶轴衬 计实践中水润滑橡胶轴承的间隙并非像分析那样选 ·E。,=150kP／em2=Ed4000 择，而是取与稀油润滑轴承相同或略小些。因此认为 ·设计的轴承间隙(无载间隙)对形状不变 水润滑橡胶轴承在运行中难以恒定保持液体润滑膜， ·间隙的整体形状取决于实在的压力分布 可能出现混合摩擦，磨损或多或少要发生。这是目前 图 1 认为水润滑轴承除水中含沙的磨粒磨损外，还发生摩 4展望水润滑轴承结构、材料的应用 擦磨损的理论根据。 实际上，上述按雷诺方程分析水润滑橡胶轴承运 水轮机导轴承的主要形式有：稀油润滑的巴氏合 行摩擦状态有失偏颇，因为雷诺方程的前提是组成间 金轴承、干油(脂)润滑的巴氏合金轴承和水润滑轴承。 隙的两个固体表面是刚性的，而橡胶是软性的。从图l 其中，干油润滑轴承N--十世纪中后期很少应用。水 能够准确的看出，油润滑的巴氏合金轴承，轴瓦是刚性的， 润滑轴承，已成为典型的主导结构，后来随着形势变 在载荷作用下，轴承润滑间隙的几何形状由轴和轴承 化，开始应用油润滑轴承，尽管如此，在1960—1986 的几何尺寸而定，则轴承的压力特性曲线由此间隙形 年间列宁格勒金属工厂和哈尔科夫透平厂等生产的大 状确定。而软性的橡胶轴承受载后，橡胶变形，轴被 型转桨式和混流式水轮机中，除为境外20多座电站按 压入软性的橡胶衬中，此时，测量不同转速下的水膜 用户想要提供油润滑轴承外，有半数是采用水润滑轴 压力分布表明和通常的油润滑的刚性轴承中压力分布 承，表明水润滑轴承和稀油润滑的巴氏合金轴承在水 的特征相似，但是由于橡胶的弹性，最大压力值分布 轮机上都有广泛应用，各有长短。我国在二十世纪70 万方数据 大电机技术 年代以前广泛采用水润滑橡胶轴承，改革开放以来开 提高了瓦面的耐磨性能，此外，轴瓦可互换，只需按 始与油润滑轴承对比，认为水润滑橡胶轴承结构相对比较简单、 ～定数量提供备品，便可取消瓦面修复手续，瓦面的 可靠，安装检修方便，但轴瓦与轴颈都有不同程度的 磨损便不成问题。 磨损，支持刚度略差。不如油润滑轴承运行稳定，此 (4)关于轴承材料 外，还受到水质条件限制，开始较少应用。目前，各 水润滑轴承材料由天然的木质改为橡胶材料后， 国对环境格外的重视，无污染或少污染的水润滑轴承又 长期大范围的应用。近来有弹性金属聚四氟乙烯塑料瓦、 受到青睐。 赛龙瓦和聚酰亚胺塑料瓦的水润滑轴承在水轮机上应 本文试图通过综合分析水润滑轴承运行经验，提 用，都着眼于采用自润滑耐磨材料把水润滑橡胶轴承 出改进提高的具体措施，扩大其应用前景： 的性能再提升一步。赛龙材料和弹性金属聚四氟乙烯 (1)关于润滑水质 与橡胶材料的主要性能如表l所示。 水润滑轴承的润滑冷却水传统的供应方案是：主 表 1 水源取自水轮机蜗壳，经过滤器引至轴承水箱，备用 水源取自电站的技术用水。但是过滤器不能够确保轴承 金属聚四氟乙烯 橡胶 赛龙s地 用水充分清洁，实践证明，只有水中悬浮物不超过0．1 塑料瓦 酣的清水电站水润滑轴承的磨损轻微，并有较长的使 用寿命【2】。因此，认为水润滑轴承的应用受到了电站水 抗拉强度 吩=MPa f死,ffil2MPa 1毫=34．2．tⅫDa 质的限制，不适用于浑水电站。 ——(抗压强度)—— 抗剪强度 砭,=14MPa tb=33．4MPa 其实像黄河上刘家峡电站300MW机组，直径为 西1620mm，如果采用水润滑轴承，计算最大润滑冷却 水量不超过20t／s(实际还小很多)，因此，轴承的润滑 冷却水的主水源完全可以取自电站的技术用水或生活 用水，通过技术经济论证是可行的。这就从根本上消 除了轴承的磨粒磨损和电站水质的限制，保证了轴承 更长的常规使用的寿命。 (2)关于轴颈的磨损 传统水润滑轴承轴颈是采用不锈钢板镶焊在主轴 从表l中能够准确的看出，弹性金属聚四氟乙烯材料和 上，然后和主轴～起加工，为不可拆的衬套。当出现 赛龙材料的主要性能都优于橡胶，尤其是弹性金属聚 磨损需运回制造厂上大设备修复。这是水润滑轴承的 四氟乙烯材料，无论是水胀率、摩擦性能还是强度性 缺点之一。丰满电站某水轮机运行8年后，因轴颈磨 能均有突出的优点，适合做轴承瓦面。哈尔滨电机厂 损，运回制造厂修复不锈钢衬套。这曾引起水电同行 有限责任公司(以下简称哈电机)承制的俄罗斯兹姆 对水润滑轴承的不放心。其实，该轴颈修复原因是与 列斯卡亚水轮机改造的水导轴承采用了聚四氟乙烯轴 填料密封配合处磨损引起的，而与橡胶瓦配合处轴颈 瓦，希望能够通过该项目进行尝试，深入研究，从而获得 的磨损不太严重。目前水润滑轴承上部采用不磨损主 广泛的应用。 轴的端面平板密封，轴颈磨损检修期将远大于8年。 (5)寻求合适的材料弹性模量 推荐轴颈采用可拆卸的不锈钢衬套结构代替镶焊的不 前面已经提到，稀油润滑的巴氏合金轴承为刚性 可拆不锈钢衬套结构，完全不必运回制造厂修复，甚 瓦衬，在载荷作用下轴心偏移，形成楔形润滑间隙， 至可制成互换件，提供备品随时更换免于修复。 其油膜压力特性能被确定。而软性瓦衬的橡胶轴承， (3)关于轴瓦磨损 在载荷作用下，轴被压入橡胶瓦衬中，其水膜的压力 传统的水润滑轴承为筒式结构，轴瓦磨损后允许 特性与油润滑巴氏合金轴承相似，实测表明压力较为 背面加垫或更换轴瓦。轴瓦检修周期较长，这样的检 平缓，其差别与材料的弹性模量有关。上面提到的采 修方案并不复杂，也不存在困难。下面将推荐采用分 用聚四氟乙烯材料提高水润滑轴承性能的试验已在进 块瓦结构，橡胶分块瓦的瓦块硫化压制后，瓦面可不 行，应用弹性流体动力润滑理论在水轮机导轴承压强 再进行机械加工。因而瓦面可获得更高的粗糙度等级， 范围内，研究最适宜的材料弹性模量，这是提高水润 万方数据 水轮机水润滑轴承的应用及展望 2011．N04 滑轴承性能的一个重要方面。 轴不设轴领，径向尺寸减小，如图3所示，就完美地 (6)关于轴承结构 做到了结构紧密相连，满足了买方需要。该电站第一阶段 目前水轮机导轴承的主要型式有：稀油润滑的筒 的低水头运行，由于转轮水力不平衡的动态作用力(超 式轴承和分块瓦式轴承以及水润滑的筒式轴承。早在 过计算值的1．6倍)造成轴承体径向振动达 1958年列宁格勒金属工厂就提出了采用水润滑橡胶分0．45-4)．5mm，顶盖达0．2mm。对轴承的工作上的能力提出 块瓦导轴承。1967年哈尔科夫透平厂在为普良文水电 了严酷的考验。理所当然地频繁故障，频繁处理，最 站的水轮机上采用了减摩层为石墨．橡胶混合物的水 终通过增加轴承体的刚度；加强轴承体和顶盖的固定； 润滑分块瓦导轴承担J，如图2所示，用两条管路一主 加强分块瓦的支承部件；增大垫块接触面的曲率半径 用和备用供水，运行中不尽人意。该厂未能及时提出 等措施得以完善。改进的水润滑分块瓦轴承已在该电 解决措施，这种轴承便被搁置，放弃采用。但列宁格 站运行，证明它和目前大范围的应用的油润滑筒式轴承， 勒金属工厂于1971年在那尔夫斯克电站试用并于分块瓦轴承和水润滑的筒式轴承同样是最可靠的轴承 1974年在乌斯基撒里姆斯克水电站正式应用【4J。水轮型式。该电站的密封通过改造也解决了调相运转时的 机采用水润滑分块导轴承，虽然是从无到有的结构创 发热失效。类似这种密封哈电机生产的大型水轮机已 新，但是，大量的油润滑巴氏合金分块瓦导轴承多年 有运行经验。 的运行经验，逐渐完备进步，已演变为典型的成熟结 构，其经验可以直接借鉴。 3 A向视图 4 4A 5 6 7 8 I 图2普朗文水电站水轮机轴承 图3水润滑橡胶自调整分块瓦导轴承 众所周知，分块瓦导轴承，当主轴在中心旋转时， 1．顶盖2．轴承体3．上密封4．支柱螺丝5．扇形支撑板 即偏心值为零，主轴也受到来自各个分块瓦的向心推 6．分块瓦7．支撑螺帽8．下密封 力，使主轴运行稳定。而筒式导轴承在运转中，只有 5小结 主轴偏离几何中心，即产生偏心值后，才承受来自轴 瓦楔形间隙侧的推力，这是分块瓦轴承性能的优越性。 评价了水轮机稀油润滑的巴氏合金轴承和水润滑 水润滑分块瓦导轴承特别是大型机组，在生产制造、 轴承。从水电机组的运行实践中已经认识到，水轮机 安装调整、运行维护都优于筒式导轴承。 的轴承和密判属于配套装置。必须把轴承装置、密封 水润滑分块瓦导轴承，在大型水电机组的应用， 装置、润滑冷却装置都包括在内，即轴承系统，进行 更主要是由于水电站的设计专家们推出把机组推力轴 整体的综合分析。这样，水润滑轴承系统比油润滑轴 承支架布置在水轮机顶盖上，以缩小机组高度，节约 承系统有以下优点：结构相对比较简单、布置紧凑；事故率低， 电站建筑成本。例如前苏联的克拉斯诺雅尔斯克水电 可靠性高；维护方便，检修容易；水的热容量大，冷 站就是这样。此时，在推力轴承支架的内部布置导轴 却效果好；水的粘度低，摩擦损失小。在此优点上， 承和密封装置，无论是油润滑的筒式轴承和分块瓦轴 本文提出的改变润滑冷却水方式及结构改进的措施将 承以及水润滑的筒式轴承都有困难。而采用水润滑的 进一步提升其摩擦磨损性能，扩大其应用。特别是， 分块瓦轴承，因密封装置简化可以缩小高度尺寸，主 (下转第6l页) 万方数据 太mn技术 作状态。这种艰比例伺服阀切换J’作原理保证了当双 停机液控阀107DR．紧急停机电磁阀102EM和 比例伺服矧目互切换时，控控对象接力器的扰动极小。 103EM。这样减少了管路连接．通油能力强．不易发 传统设计的备用状态比例伺服阀往往处于冷备用 卡不易精油操作也星加简便、同时也利于维护和 状态，只有当切换到其T作状态时．才有电气控制信 检修。 号输出到相应的比例伺服周．这就使得双比剖伺服阀 6结语 切换时被控对象会产生较大的扰动。 5．2主配压阀 通过对三峡右岸和景洪水电站调速系统的设计， 主配压阿采用哈电机公司的产品。其主要由阀傩、 堆终完成了对功果桥水电站调速系统的设计．实现了 衬套和活塞组成。阀体与村套为铸件．括塞为般件， 太型调速系统i殳计的国产化。今后工作中还要积累一 两阀盘结拇。主阀奉体上设有开，关机调整时间的调 螋太犁调遣系统同产化后的运行经验，包括保证调速 整件，调整方便，能做到无级调整．一端部设有主配 系统的高可靠性及调速系统控制程序的可移植性。 压阀拒动的触点IIIFC厦反映主配压闫活塞位置的位 【“*日m㈣·12 移传感器lIIMM和112MM．主配位移传感器是双冗 [作者简介] 余设计。 ⅫⅡ涛(1嘴．)，2001年毕nf佳}*太{ 与传统带有辅助接力器的结构相比，此主配压阀 m*自fI《专n，一直H}$#发电mn自 结构相对比较简单，加

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