[法] E.戈德克 等

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2009年第6期

1 靜水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承

1.1 一般原理

與含油軸承相比,靜水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承在新建和改造工程中具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。阿爾斯通水電公司安裝這些導(dǎo)軸承已有多年,獲得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承可用于任何尺寸、所有類型的立式與臥式水輪機(jī)(圖 1)。

圖1 靜水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承

靜水潤(rùn)滑技術(shù)在軸承中不需要油,消除了污染河流的風(fēng)險(xiǎn)。由壓力鋼管直接供水,如果壓力鋼管的水壓不夠高,可采用水泵。經(jīng)過(guò)軸承體中幾個(gè)機(jī)加工的槽供水。軸承槽中水壓由負(fù)荷容量確定,通過(guò)一個(gè)孔口系統(tǒng)調(diào)節(jié)。圖 2和圖 3詳細(xì)說(shuō)明了在一個(gè)軸偏心時(shí)的軸承特性。

通過(guò)孔口系統(tǒng)向每個(gè)槽供水。軸的偏心在軸承的一側(cè)致使壓力升高(圖 3中槽 1),因而產(chǎn)生一個(gè)相反的力,以糾正軸的位置。該自動(dòng)對(duì)中作用為軸線的性質(zhì)提供了穩(wěn)定性,同時(shí)也減小了軸位移和振動(dòng)。

圖2 水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承的原理

圖3 具有 4個(gè)槽的軸的壓力場(chǎng)

靜水潤(rùn)滑軸承可在所有運(yùn)行條件下工作,包括啟動(dòng)階段,而含油軸承是利用軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的液體動(dòng)力效應(yīng)工作的。當(dāng)軸不旋轉(zhuǎn)時(shí),含油軸承沒(méi)有對(duì)中作用。相反,靜水軸承即使沒(méi)有轉(zhuǎn)速時(shí)仍能對(duì)軸線對(duì)中起作用。在正常和異常情況下,在起動(dòng)、停機(jī)和低速階段,系統(tǒng)性能均能得到保證。

水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)包括了軸密封功能,這就不需要難以進(jìn)行維修的外部軸密封,從而使維護(hù)量減少,系統(tǒng)更加緊湊。

1.2 液體動(dòng)力含油軸承與靜水導(dǎo)軸承的比較

阿爾斯通水電公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)靜水軸承的計(jì)算工具。在該計(jì)算軟件中包括了許多物理現(xiàn)象(包括軸的偏心和軸的傾斜)。圖 4是水潤(rùn)滑軸承與油潤(rùn)滑軸承之間的比較情況。對(duì)于相同的軸位移而言,水導(dǎo)軸承的徑向力明顯大于含油軸承的徑向力。較高的剛度保證了較好的穩(wěn)定性和較小的軸線位移。

圖4 水潤(rùn)滑軸承與油潤(rùn)滑軸承的剛度比較

水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承與油潤(rùn)滑導(dǎo)軸承等效徑向負(fù)荷的比較情況列于表 1。由表 1可以看出,水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承使軸承的總損失最小。已經(jīng)對(duì)中等尺寸的水輪機(jī)進(jìn)行了該計(jì)算。它考慮了所有的損耗,包括壓力鋼管向軸承供水的少量水流的分流引起的摩擦損耗和功率損耗。軸承直徑為 600mm,徑向負(fù)荷為 110kN,軸的轉(zhuǎn)速為 430r/min。

計(jì)算表明,水導(dǎo)軸承的總損耗減少 50%,溫升低于 1℃。

表1 水與油潤(rùn)滑導(dǎo)軸承等效徑向負(fù)荷的比較

1.3 水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承技術(shù)

靜水潤(rùn)滑軸承的主要功能是產(chǎn)生徑向剛度,以減小軸線的徑向位移。而且,假設(shè)在含油軸承情況下,軸密封功能由一個(gè)獨(dú)立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 5表示了水潤(rùn)滑軸承與油潤(rùn)滑軸承所需要的安裝空間。由于水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)緊湊小巧,因而易于適應(yīng)新建與改造工程,包括替代含油軸承。

靜水導(dǎo)軸承比含油導(dǎo)軸承更加剛性、更加緊湊。而且,它們能更加靠近轉(zhuǎn)輪,最小化懸臂作用。因此,轉(zhuǎn)輪的徑向位移較小,可降低固定迷宮環(huán)的間隙,減少了泄漏,提高了整個(gè)電廠的效率。

圖5 油和水導(dǎo)軸承所要求的安裝空間

為了方便安裝和維修,軸承體可制成一個(gè)或幾個(gè)部件。軸的外表面(或覆蓋它的不銹鋼套筒)和軸承內(nèi)表面用陶瓷涂層保護(hù),以防止在供水故障時(shí)出現(xiàn)任何問(wèn)題。為防止水輪機(jī)在停機(jī)時(shí)向軸承漏水或在維修期間向過(guò)濾系統(tǒng)漏水,在軸承體下部布置有一個(gè)可充氣的密封。

1.4 輔助部件

供水系統(tǒng)包括:

(1)如果水頭能在軸承槽中生成足夠高的壓力,只要在壓力鋼管處設(shè)一個(gè)進(jìn)水口。在其他情況下,可安裝一臺(tái)增壓泵增加水壓。

(2)一個(gè)過(guò)濾系統(tǒng),包含自動(dòng)過(guò)濾器和水力旋流器(hydrocyclon)。

(3)調(diào)節(jié)各槽供水流量的孔口系統(tǒng)。

如果需要增壓泵,可以提供 2臺(tái)獨(dú)立的水泵,以獲得平行的系統(tǒng),允許電廠不停運(yùn)情況下進(jìn)行維修。

水潤(rùn)滑軸承不需要油潤(rùn)滑導(dǎo)軸承的輔助設(shè)備,包括油泵、油路和油冷卻系統(tǒng)。這是因?yàn)樗哪Σ帘扔偷哪Σ列〉枚?。同?溫升也平穩(wěn)得多。

1.5 安全系統(tǒng)

軸承內(nèi)徑和套筒(或軸)外徑上的陶瓷涂層,可在出現(xiàn)供水故障時(shí)有效地保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。軸承配備有安全傳感器,這就進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的安全性,在供水系統(tǒng)或者可充氣密封出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)發(fā)出停機(jī)令。安全元件包括:

(1)壓力開(kāi)關(guān)和壓力傳感器,用以檢測(cè)水壓過(guò)低或過(guò)高;

(2)流量表,以保證供水;

(3)溫度探頭,用以檢測(cè)任何異常溫升。

1.6 靜水潤(rùn)滑軸承的效益

(1)發(fā)電廠效率。靜水潤(rùn)滑軸承在提高發(fā)電廠效率方面可發(fā)揮重要作用。

因?yàn)橛秃退恼扯炔煌?水潤(rùn)滑軸承的摩擦損耗下降 50%。溫升非常有限,不再需要冷卻系統(tǒng),因此提高了發(fā)電廠效率。同樣,因?yàn)閼冶坌?yīng)較低、靠近轉(zhuǎn)輪的軸位移較小,可減小設(shè)計(jì)用于油潤(rùn)滑軸承的迷宮間隙,因此減少了漏水。

(2)環(huán)境效益。河流中的大多數(shù)漏油來(lái)自水輪機(jī)油潤(rùn)滑軸承,它們可對(duì)環(huán)境造成重大破壞。因此,它們也損毀了水電的名譽(yù),甚至遭到罰款。而采用水作為潤(rùn)滑劑是防止漏油進(jìn)入河流的根本解決辦法,因此,消除了污染風(fēng)險(xiǎn)。

(3)維護(hù)效益。靜水潤(rùn)滑軸承的維護(hù)非常方便。因?yàn)橐呀?jīng)從系統(tǒng)中去除了軸密封及其供水輔助設(shè)施(很難到達(dá)),大大減少了這些元件的維護(hù)量。

因?yàn)椴贾酶泳o湊,至各部件的通路更加暢通,對(duì)水潤(rùn)滑軸承的檢查更加容易。如前節(jié)所述,油潤(rùn)滑軸承需要更多必須維護(hù)的輔助設(shè)施。

(4)提高運(yùn)轉(zhuǎn)率效益。油潤(rùn)滑軸承和軸密封的維護(hù)操作可能是整個(gè)發(fā)電廠有效利用率低的原因。由于維修工作的減少和在正常與異常情況下的水潤(rùn)滑軸承的穩(wěn)定性,所以機(jī)組不經(jīng)常停機(jī)和停機(jī)時(shí)間較短,對(duì)提高發(fā)電廠的運(yùn)轉(zhuǎn)率是有貢獻(xiàn)的。

(5)健康與安全效益。水潤(rùn)滑系統(tǒng)上安裝了許多壓力與流量傳感器,以防止不正常的運(yùn)行。此外,消除了發(fā)電廠中的油蒸氣,從而排除了因地面濕滑而使發(fā)電廠工人滑倒的可能性。

圖6 油潤(rùn)滑軸承與水潤(rùn)滑軸承的經(jīng)濟(jì)附加值比較

(6)經(jīng)濟(jì)附加值。圖 6表示安裝油潤(rùn)滑軸承與水潤(rùn)滑軸承的經(jīng)濟(jì)比較,并以一臺(tái)運(yùn)行壽命為 40a的 70MW混流式機(jī)組為例加以說(shuō)明。①可量化的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因降低維護(hù)成本、具有更高的可用性而減少發(fā)電廠停電,因減少摩擦和泄漏損失而提高效率。②不可量化的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因環(huán)境友善、增加發(fā)電廠使用壽命以及降低健康與安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)幾個(gè)工程實(shí)例研究得知,水潤(rùn)滑軸承的投資基本可在 2 a內(nèi)收回,給顧客帶來(lái)很大的附加值。

1.7 社會(huì)效益

阿爾斯通水電公司開(kāi)發(fā)的靜水潤(rùn)滑軸承已安裝在 20多臺(tái)機(jī)組上,累計(jì)總運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 124 a。

第1個(gè)靜水潤(rùn)滑軸承安裝在法國(guó)勒特呂埃勒(Le Truel)發(fā)電廠的一臺(tái)水泵水輪機(jī)(45 MW,450m水頭)上。該軸承已經(jīng)與原有設(shè)備一起運(yùn)行了 20多年。這證明了該系統(tǒng)高度可靠。顧客對(duì)水潤(rùn)滑軸承的環(huán)境、效率和可用性反映良好。

塔斯馬尼亞(Tasmania)水電咨詢公司對(duì)于 4 a前在特雷瓦林(Trevallyn)發(fā)電廠投運(yùn)的靜水潤(rùn)滑軸承發(fā)表如下評(píng)論:

“該工程水潤(rùn)滑軸承的效益包括無(wú)油的環(huán)境效益、簡(jiǎn)化了水輪機(jī)和軸承設(shè)計(jì)、降低了靠近水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的軸承、新軸承也用作軸密封,因此消除了需要單獨(dú)水輪機(jī)軸密封的必要性”?！艾F(xiàn)在已經(jīng)安裝了 2個(gè)軸承,第1個(gè)調(diào)試與運(yùn)行已超過(guò) 12個(gè)月,第2個(gè)接近 12個(gè)月。自最初為保證足夠的流量和壓力而進(jìn)行的調(diào)試試驗(yàn)和供水調(diào)整以來(lái),新軸承從未發(fā)生過(guò)任何故障,甚至在甩負(fù)荷期間也能應(yīng)付接近水輪機(jī)飛逸的過(guò)速”。

1.8 實(shí)例

最近,在通阿提奈(Tungatinah)改造工程中,塔斯馬尼亞水電公司也要求阿爾斯通公司為塔斯馬尼亞電站 (裝機(jī) 31.5 MW,水頭 295 m,轉(zhuǎn)速 600r/min)安裝一個(gè)靜水潤(rùn)滑軸承。該靜水潤(rùn)滑軸承的直徑為 690mm,有 6個(gè)槽(圖 7)。工程做了以下技術(shù)改進(jìn):

(1)軸承體材料為鑄造不銹鋼;

(2)軸承體由螺栓連接的 2個(gè)部件構(gòu)成。

2 靜水潤(rùn)滑推力軸承

2.1 一般原理

如同對(duì)待導(dǎo)軸承那樣,阿爾斯通水電公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng),用靜水潤(rùn)滑推力軸承替代傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑推力軸承。該推力軸承與靜水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承技術(shù)類似,沒(méi)有污染風(fēng)險(xiǎn),且效率較高。

圖7 通阿提奈工程的靜水潤(rùn)滑軸承

推力軸承的作用是支撐由水輪機(jī)各部件的重量和水推力產(chǎn)生的軸向荷載。推力軸承鏡板(圖 8)與軸相連,通過(guò)兩個(gè)板之間的水膜將軸向荷載傳遞到發(fā)電廠土建工程部件。

圖8 靜水潤(rùn)滑推力軸承的原理

第1個(gè)靜水潤(rùn)滑推力軸承是為法國(guó)的勒特呂埃勒工程制造的(電站裝機(jī) 45MW,水頭 450m),是一臺(tái)多級(jí)水泵水輪機(jī)。

推力軸承槽中所需供水取自壓力鋼管,如果所需水壓不夠,也可由增壓泵供水。水經(jīng)過(guò)濾(采用水力旋離器和過(guò)濾器)并流至槽的孔口系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)鏡板與固定板之間的水膜產(chǎn)生軸向推力。圖 8表示靜水潤(rùn)滑推力軸承的原理。

水推力軸承在起動(dòng)階段和低速時(shí)期仍能發(fā)揮功能。無(wú)論軸轉(zhuǎn)速的高低,均能建立水膜。正常、暫態(tài)和異常條件下的功能得到保證。在失去供水的情況下,陶瓷涂層的鏡板和固定板可保護(hù)軸承系統(tǒng)。

2.2 油潤(rùn)滑與水潤(rùn)滑推力軸承的比較

現(xiàn)將導(dǎo)軸承的實(shí)例研究與推力軸承作一比較。在該實(shí)例中,目標(biāo)是評(píng)價(jià)油和水潤(rùn)滑推力軸承的總損耗。在正常情況下,軸的轉(zhuǎn)速和軸向推力分別為430r/min和 1800kN(表 2)。

在相同的軸向載荷下,水潤(rùn)滑推力軸承的總損耗大大下降。而且,與油推力軸承不同,不需要冷卻系統(tǒng),因?yàn)闇厣秊?.8℃。

表3表示油導(dǎo)軸承和推力軸承與水潤(rùn)滑系統(tǒng)的比較。水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承和推力軸承的供水壓力相同。水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承和推力軸承的安裝可使損耗從 100kW降低至 25 kW。另外,還有組合供水回路和減小安裝空間的優(yōu)點(diǎn)。

表2 等值軸向載荷的油潤(rùn)滑和水潤(rùn)滑推力軸承的比較

表3 水技術(shù)替代油技術(shù)的實(shí)例研究

2.3 安全和輔助設(shè)備

安裝了壓力傳感器、流量計(jì)、溫度探頭和位移傳感器用以檢測(cè)推力軸承的功能。位移傳感器檢測(cè)推力軸承 2個(gè)塊板之間的水膜厚度。如果出現(xiàn)任何異常事件,這些安全元件將會(huì)向數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警和停機(jī)令。

與導(dǎo)軸承的情況一樣,陶瓷涂層保證了在失去供水情況下推力軸承的安全和使用壽命。推力軸承供水的技術(shù)與前面說(shuō)明的靜水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承相似。

2.4 附加值

靜水潤(rùn)滑推力軸承能提供與水導(dǎo)軸承系統(tǒng)可比的附加值:

(1)環(huán)境。沒(méi)有油推力軸承漏油的污染風(fēng)險(xiǎn)。

(2)效率。使用水潤(rùn)滑,總損耗下降。溫升很小,不再需要冷卻系統(tǒng)。在勒特呂埃勒工程的原型機(jī)上計(jì)算與測(cè)量了損耗的降低,效率增加了0.3%。

(3)維護(hù)。供水系統(tǒng)與輔助設(shè)備的簡(jiǎn)化減少了維護(hù)工作量。

(4)可用性。靜水潤(rùn)滑推力軸承由于降低了維護(hù)工作,為發(fā)電廠提供了高水平的可用性。

3 結(jié) 語(yǔ)

靜水潤(rùn)滑軸承和推力軸承能使發(fā)電廠運(yùn)行人員以較高的效率和可靠性來(lái)生產(chǎn)清潔能源。油系統(tǒng)用水技術(shù)的替代,改進(jìn)了發(fā)電廠的環(huán)境狀況以及生產(chǎn)效率,并降低了維護(hù)費(fèi)用。