東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司 吳金水
湖南辰溪清水塘水電開發(fā)有限責(zé)任公司 范文勝
近年來燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組向大容量、大尺寸的方向發(fā)展。由于燈泡貫流式電站的低水頭特性,機(jī)組的轉(zhuǎn)速較低,大多都在150r/min以下。因?yàn)闄C(jī)組的低轉(zhuǎn)速特性,在機(jī)組向大容量化發(fā)展時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量大幅增加。而常規(guī)燈泡貫流式機(jī)組為臥式布置,使承載轉(zhuǎn)動(dòng)部件重力的徑向?qū)лS承成為燈泡貫流式機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。
按照常規(guī)的看法,燈泡式機(jī)組單個(gè)導(dǎo)軸承的荷載一般在170t以下。因此在20世紀(jì)90年代初期以前,燈泡貫流式機(jī)組的軸系采用兩導(dǎo)軸承時(shí),單機(jī)容量一般在30MW以下。當(dāng)單機(jī)容量超過30MW以上時(shí),一般需采用三導(dǎo)軸承的軸系結(jié)構(gòu)以減輕單個(gè)導(dǎo)軸承的荷載。
但是相對(duì)于三導(dǎo)軸承,兩導(dǎo)軸承具有機(jī)組總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、安裝調(diào)整檢修方便、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì),因此在可能的情況下都會(huì)盡力避免使用三導(dǎo)軸承。兩導(dǎo)軸承的燈泡機(jī)組中布置見圖1。
經(jīng)過國(guó)內(nèi)外各制造廠的持續(xù)努力,最近十年,雙導(dǎo)軸承機(jī)組的應(yīng)用已擴(kuò)展到45MW級(jí)以上的燈泡貫流機(jī)組,單導(dǎo)軸承的實(shí)際荷載達(dá)到了190-200t級(jí)。
圖1 燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)軸承布置
清水塘水電站機(jī)組的功率為32MW,但機(jī)組的轉(zhuǎn)速僅為62.5r/min,屬于大容量、特低轉(zhuǎn)速的燈泡機(jī)組。而且發(fā)電機(jī)的GD2又較大,如采用兩導(dǎo)軸承的軸系設(shè)計(jì)方案,發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承的荷載將達(dá)到230t,已大大超出常規(guī)兩導(dǎo)軸承軸系的應(yīng)用范圍以及單個(gè)導(dǎo)軸承的允許承載力。而采用三導(dǎo)軸承軸系的設(shè)計(jì)方案時(shí)會(huì)使機(jī)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝維護(hù)不便以及造價(jià)高。
因此,在清水塘水電站的機(jī)組上,有必要攻克世界性的技術(shù)難題,創(chuàng)新、開發(fā)出適應(yīng)荷載重、轉(zhuǎn)速低的燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)軸承。
清水塘水電站位于湖南省辰溪縣境內(nèi),是沅水干流梯級(jí)開發(fā)中湖南省境內(nèi)第六級(jí)電站。電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量為32MW的低水頭燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為128MW。
根據(jù)清水塘水電站發(fā)電機(jī)的初步設(shè)計(jì)結(jié)果,我們將重載導(dǎo)軸承的開發(fā)目標(biāo)定為:荷載230t??紤]到國(guó)內(nèi)也只有極少數(shù)幾個(gè)電站的導(dǎo)軸承實(shí)際負(fù)荷達(dá)到將近200t,而且機(jī)組轉(zhuǎn)速也相對(duì)較高。因此,本課題的重載、低轉(zhuǎn)速導(dǎo)軸承的創(chuàng)新開發(fā)難度和首先在大容量機(jī)組上使用都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。
考慮到機(jī)組總體結(jié)構(gòu)布置的限制,燈泡機(jī)組發(fā)電機(jī)側(cè)的導(dǎo)軸承,一般都采用與正向推力軸承、反向推力軸承組合成緊湊、復(fù)雜的組合軸承。而待開發(fā)的新型重載導(dǎo)軸承要求不能與成熟的原傳統(tǒng)型組合軸承結(jié)構(gòu)形式有沖突,或者說原組合軸承的總體結(jié)構(gòu)形式不允許作大的改變。
初步分析表明,對(duì)清水塘導(dǎo)軸承也無法采用原傳統(tǒng)圓筒形導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單延長(zhǎng)設(shè)計(jì),因?yàn)楹?jiǎn)單的延長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)軸承的尺寸很大、潤(rùn)滑參數(shù)不合理、過大的導(dǎo)瓦和支撐體的熱變形和受力變形使導(dǎo)瓦的偏心量和瓦間隙等難以合理選取,以及大尺寸的圓筒型導(dǎo)瓦制造困難等諸多問題。
在作了區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多種結(jié)構(gòu)方案的參數(shù)可靠性、結(jié)構(gòu)可行性以及制造的可能性等綜合研究對(duì)比后,基本確定了新型導(dǎo)軸承采用分塊、雙排、固定式、塑料滑動(dòng)面的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu),如圖2所示。該構(gòu)造特點(diǎn)如下:
(1)以周向及軸向分割的多塊扇型瓦結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的圓筒型瓦結(jié)構(gòu);
(2)滑動(dòng)面材料采用PTFE塑料;
(3)采用通常的強(qiáng)制給油方式。
而對(duì)于燈泡貫流式機(jī)組的導(dǎo)軸承,采用雙排、固定扇形分塊瓦、塑料滑動(dòng)面都是創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)。
圖2 導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)
確定新型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)形式后,根據(jù)近似業(yè)績(jī)和導(dǎo)軸承基本參數(shù)可以初步確定導(dǎo)軸承及相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)尺寸。為了驗(yàn)證新型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和軸承潤(rùn)滑冷卻的可靠性,采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)導(dǎo)軸承采用油膜彈性流體潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行CFD潤(rùn)滑解析,以理論證明新型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)的科學(xué)性。模型見圖3。
對(duì)導(dǎo)軸承的潤(rùn)滑解析,得到瓦的變形、溫度分布、油膜壓力分布、油膜厚度分布等。根據(jù)解析的結(jié)果分析,優(yōu)化導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)尺寸,并再次進(jìn)行潤(rùn)滑解析,如此循環(huán),最終得出較為合理的結(jié)構(gòu)尺寸方案。
圖3 導(dǎo)軸承模型
對(duì)新型導(dǎo)軸承的基本參數(shù)和解析條件如下:
導(dǎo)軸承荷載:230 ton;
主軸轉(zhuǎn)速: 62.5 r/min;
主軸直徑: 1200mm;
潤(rùn)滑油牌號(hào):ISO-VG68;
給油溫度: 40℃;
對(duì)導(dǎo)軸承在不同的設(shè)計(jì)間隙和不同轉(zhuǎn)速工況下,潤(rùn)滑解析結(jié)果的特征參數(shù)列表對(duì)比如表1。
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上述解析結(jié)果表明,最終確定的導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)參數(shù)是完全可行的。
以下圖4、圖5、圖6是3號(hào)瓦在額定轉(zhuǎn)速下瓦間隙為0.65mm時(shí),導(dǎo)軸瓦油膜厚度、油膜壓力、油膜溫度潤(rùn)滑三特性的解析結(jié)果,以及圖7所示55%過速下的油膜分布。
潤(rùn)滑解析結(jié)果說明,機(jī)組在額定狀態(tài)下導(dǎo)軸承油膜的最高溫度不超過90℃,平均約65℃,導(dǎo)軸承瓦面負(fù)載中心的油膜厚度在45μm以上,油膜厚度在最小點(diǎn)也有約20μm。由于在導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)上采取了創(chuàng)新的固定雙排瓦以及塑料滑動(dòng)面結(jié)構(gòu),并且優(yōu)化了導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)配合尺寸,使各瓦面上油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力的分布均呈合理的狀態(tài)。
因此,雖然清水塘水電站發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承的荷載達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的230t、額定轉(zhuǎn)速低至62.5r/min,但從解析結(jié)果的理論上證明,該導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑參數(shù)是合理可行的。
2.1 考慮到清水塘水電站采用的導(dǎo)軸承為創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式,而且導(dǎo)軸承荷載也是創(chuàng)紀(jì)錄的。雖然潤(rùn)滑解析計(jì)算從理論上證明了新型導(dǎo)軸承的可行性和合理性,但從保證機(jī)組能順利投產(chǎn)、長(zhǎng)期安全、可靠運(yùn)行的角度出發(fā),有必要對(duì)新型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軸承進(jìn)行模型試驗(yàn),以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。
2.2 模型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)、尺寸按與真機(jī)導(dǎo)軸承的特征參數(shù)——索末菲數(shù)相一致的真機(jī)1/2的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。下表2列舉了真機(jī)導(dǎo)軸承與模型導(dǎo)軸承的相關(guān)尺寸、參數(shù)對(duì)比。
圖4 油膜厚度分布
圖5 油膜壓力分布
圖6 油膜溫度分布
圖7 過速油膜厚度分布
表2 真機(jī)和驗(yàn)證模型用導(dǎo)軸承的基本參數(shù)對(duì)此
圖8 模型導(dǎo)軸承試驗(yàn)裝置
模型導(dǎo)軸承試驗(yàn)裝置如圖8,它可以按要求通過下加載方式施加不同的徑向荷載,主軸通過調(diào)速馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)。導(dǎo)軸承運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)通過渦流傳感器測(cè)量主軸的上浮和水平位移來監(jiān)測(cè)油膜的厚度,用埋置在模型導(dǎo)瓦體上不同位置、不同深度的測(cè)溫元件測(cè)量導(dǎo)軸承的運(yùn)行溫度。
模型導(dǎo)軸承在額定工況下試驗(yàn)時(shí)主軸的軸位移情況見圖9。從試驗(yàn)結(jié)果看,反映運(yùn)行時(shí)油膜厚度的主軸上浮量為46-50μm,和理論潤(rùn)滑解析的結(jié)果相一致。
圖9 模型導(dǎo)軸承試驗(yàn)的軸位移
模型導(dǎo)軸承在額定工況試驗(yàn)時(shí)下端瓦各測(cè)點(diǎn)的溫度見圖10。供油溫度:40℃,環(huán)境溫度:25℃。
圖10 各測(cè)點(diǎn)瓦溫
上述試驗(yàn)結(jié)果表明,模型導(dǎo)軸承在額定狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定,軸承溫度、油膜形成厚度等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)良好。
飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的突然提速和降速,雖然軸承溫度及油膜厚度隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的,軸瓦的溫度有4-5℃的升高,見圖11,但并沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象,導(dǎo)軸承繼續(xù)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。
圖11 飛逸試驗(yàn)下導(dǎo)軸承溫度
另外對(duì)模型導(dǎo)軸承在無高壓頂起供油的情況下進(jìn)行30%低轉(zhuǎn)速30min連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)也表明,穩(wěn)定的油膜厚度為18μm。由于導(dǎo)軸瓦滑動(dòng)面采用了PTFE塑料,長(zhǎng)時(shí)間的低轉(zhuǎn)速、低油膜運(yùn)行也非常穩(wěn)定。試驗(yàn)后對(duì)導(dǎo)軸承滑動(dòng)面和轉(zhuǎn)軸表面進(jìn)行了檢查,均呈完好的原始光潔狀態(tài)。
新型導(dǎo)軸承的模型試驗(yàn),驗(yàn)證了導(dǎo)軸承的潤(rùn)滑解析結(jié)果,并以試驗(yàn)證明新型導(dǎo)軸承所確定的結(jié)構(gòu)、尺寸和各設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的。
新型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)確定、理論解析并經(jīng)模型導(dǎo)軸承運(yùn)行試驗(yàn)的成功驗(yàn)證,最終確定了在清水塘水電站燈泡貫流式機(jī)組上采用該創(chuàng)新的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)。
前期進(jìn)行的新型導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑冷卻解析、以及模型導(dǎo)軸承的模擬運(yùn)行試驗(yàn),都是從理論上進(jìn)行驗(yàn)證。而實(shí)際導(dǎo)軸承運(yùn)行的可靠性還和制造、組裝、安裝調(diào)整、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、運(yùn)行條件等各種綜合因素都有密切的關(guān)系,因此真機(jī)運(yùn)行的考驗(yàn)才是檢驗(yàn)新型導(dǎo)軸承技術(shù)是否成功的最有效、最終的依據(jù)。
在著手新型導(dǎo)軸承研究約兩年后,清水塘水電站首臺(tái)機(jī)組于2008年9月底完成72h試運(yùn)行,試運(yùn)行期間對(duì)新型導(dǎo)軸承進(jìn)行了各種試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果證明導(dǎo)軸承各項(xiàng)參數(shù)合理、穩(wěn)定,并且與理論解析以及模型試驗(yàn)結(jié)果相吻合。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)束機(jī)組隨后投入正式的商業(yè)運(yùn)行。
清水塘機(jī)組發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)后導(dǎo)軸承的實(shí)際基本參數(shù)為:導(dǎo)軸承荷載:220t,額定轉(zhuǎn)速:62.5r/min; 大軸直徑:1200mm。
首臺(tái)機(jī)組72h試運(yùn)行的前5h導(dǎo)軸承運(yùn)行數(shù)據(jù)如下表3,運(yùn)行溫度曲線如圖12。
清水塘電站首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)后,其它機(jī)組也陸續(xù)投入運(yùn)行,其中最后一臺(tái)4#機(jī)組在2009年8月底投入商業(yè)運(yùn)行。電站四臺(tái)機(jī)組先后投入運(yùn)行后,新型導(dǎo)軸承的運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良、穩(wěn)定。 各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行情況表明,各項(xiàng)性能指標(biāo)全面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,得到用戶的高度贊揚(yáng)。
應(yīng)用于清水塘水電站的新型重載低速導(dǎo)軸承的研制前后歷時(shí)兩年多時(shí)間。制造廠、電站業(yè)主面對(duì)全新結(jié)構(gòu)和荷載創(chuàng)紀(jì)錄的雙重重大挑戰(zhàn),經(jīng)過多方艱苦努力,從導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑解析、模型試驗(yàn)到實(shí)際運(yùn)行都取得豐富的成果。
本課題最終采用的新型導(dǎo)軸承中有多項(xiàng)技術(shù)和結(jié)構(gòu)形式為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng),清水塘機(jī)組導(dǎo)軸承的運(yùn)行情況表明,課題的研究取得了圓滿成功。
新型導(dǎo)軸承同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造難度適中、可取消高壓油頂起裝置、運(yùn)行安全可靠、荷載大等優(yōu)點(diǎn),在大型燈泡貫流式機(jī)組上具有廣闊的應(yīng)用前景,也為解決巨型燈泡貫流式機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
圖12 真機(jī)導(dǎo)軸承初始運(yùn)行溫度
表3 新型導(dǎo)軸承初始運(yùn)行數(shù)據(jù)
[1]吳金水,南波聰,三上誠(chéng)著,燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組用重載塑料導(dǎo)軸承開發(fā),第二屆水力發(fā)電國(guó)際會(huì)議論文集