[德國]P.佩雷拉 P.斯米特 K.里亞希 M.姆勒布若德曼

自潤滑軸承在轉槳式水輪機輪轂中的應用

[德國]P.佩雷拉 P.斯米特 K.里亞希 M.姆勒布若德曼

轉槳式水輪機轉輪輪轂軸承一般是采用青銅鑄造,因為轉輪通常是充油的。油潤滑軸承會給環(huán)境帶來較高的風險,因為密封并不總是可靠的,而最近幾年對油泄漏入河流的關注越來越多,這樣可以促使水輪機制造商研究開發(fā)新的解決方案。介紹了自潤滑軸承的特性、研發(fā)狀況、試驗條件及結果等。試驗結果表明,自潤滑軸承可應用于充油的、充水的或干的轉輪輪轂中。

轉槳式水輪機;潤滑系統;創(chuàng)新技術;德國

由加拿大技術創(chuàng)新和能源發(fā)展促進中心(CEATI)開展的對一些轉槳式水輪機業(yè)主的調查表明,60%以上的轉槳式水輪機轉輪漏油出現在輪葉的樞軸密封上。

漏油泄入河流的高風險促使大多數轉槳式水輪機制造商致力于研發(fā)在轉輪輪轂中不采用油的解決方案。最有前途的解決方案包括用水或空氣來代替油。

環(huán)境友善型的 DEVA-BM自潤滑軸承系統向水電廠業(yè)主提供了一種可靠的取代油潤滑系統的方案。充油轉槳式轉輪可含數千升的油,輪葉樞軸密封是油與河流之間唯一的屏障。可以預見,在運行一段時間之后,這些密封將會磨損或損壞,因此,存在著漏油泄入河流的風險。

制造商和發(fā)電廠業(yè)主通過使用無油轉槳式轉輪系統和德瓦自潤滑軸承即可避免承擔由此而造成的環(huán)境方面的責任。

聯邦莫古爾德瓦(Mogul Deva)公司已經成功地將 DEVA-BM自潤滑軸承應用于轉槳式轉輪達 30余年。除了擁有長期的現場經驗以外,該公司也在自己的實驗室中進行了試驗,以開發(fā)在技術上最可行的解決方案。

1 自潤滑系統

DEVA-BM自潤滑材料由一個雙金屬結構組成,它意味著一個不銹鋼支座和燒結的青銅滑動層會含有小顆粒的固體潤滑劑,這些潤滑劑可以是石墨或聚四氟乙烯(PTFE),它們會均質地分布在青銅結構中,如圖 1所示。自潤滑的基本原理是自潤滑材料與軸接觸時,在運動和承受載荷的作用下,促使材料表面活動。在此過程中,固體潤滑劑被轉移到軸的表面,在軸的周圍形成所謂轉移膜的固體潤滑劑膜。

圖1 含有小顆粒的固體潤滑劑在青銅結構中的分布狀況

有幾個因素可以證明采用這些軸承作為轉槳式轉輪轂的軸承是最佳解決方案。

(1)可以減少軸與軸承之間的摩擦,減小使槳葉運動所必須的力,因此,液壓缸需要的驅動負載較少。

(2)因為磨損率較低,軸承的使用壽命較長。

(3)潤滑劑石墨與 PTFE均不會受到軸承及其金屬相反物質,如碳氫化合物(油和油脂)的催化特性的影響。

(4)轉槳式轉輪輪葉的運動頻率很低,大部分時間為靜止狀態(tài)。

(5)通常,輪葉非常重,其重量可達數噸,這決定于水輪機的尺寸,而且由于離心加速度,運行時的徑向壓力很大。

(6)由于其不銹鋼背襯,DEVA-BM材料有很高的楊氏彈性模量(剛度),因此,在輪葉樞軸軸承情況下,運行期間的樞軸偏心最小。

(7)在轉輪充油情況下,由于上述條件,可能得出以下結論:在輪葉運動時,不能保證軸與軸承之間穩(wěn)定的油膜,因為在輪葉樞軸/軸承組件上施加的載荷很高,發(fā)生了邊界摩擦,從而會導致卡住和過度磨損。最后,觀測到摩擦增加。

因為在起動時,油不能形成足夠的潤滑,嵌入DEVA-BM材料結構中的固體潤滑劑(石墨或 PTFE)能夠保證足夠的潤滑,尤其是在高載荷運行的條件下。

(1)在無油轉輪情況下(充水和干轉輪)采用自潤滑材料很重要,因為軸承/軸組件需要的潤滑只能通過使用自潤滑材料才能獲得。

(2)轉槳式轉輪的運行更加可靠,因為它不會發(fā)生不期望發(fā)生的故障。

一位水輪機制造商認為,通常建議樞軸軸承不采用其他非金屬自潤滑軟材料類型,因為它們的變形會導致產生較低的楊氏模量,這樣會引起輪葉樞軸偏心過大,從而導致滲漏。

2 研究與開發(fā)

聯邦莫古爾德瓦研究開發(fā)部正在不斷地研究開發(fā)新材料,并在新的開發(fā)應用中支持公司的應用工程師。配備了幾臺用于研發(fā)的試驗臺,以便對不同的材料進行試驗并對各種條件進行模擬。這些試驗臺能實施在線控制及監(jiān)測速度、載荷、運動、摩擦、磨損和溫度。

本文介紹了在聯邦莫古爾德瓦試驗臺上按試驗程序進行的某些試驗結果,以評估轉槳式轉輪輪轂在運行條件下其 DEVA-BM 342(含石墨潤滑劑)和 DEVA-BM 362/9P(含 PTFE潤滑劑)軸承的摩擦特性。

該試驗程序的目標是通過模擬典型的轉槳式水輪機輪轂的運行、調查摩擦與磨損的機制以及對DEVA-BM材料的可用合金進行比較,找到輪轂在3種運行條件下每一種運行條件的最佳解決方案。這些摩擦與磨損機制決定于:(1)在自潤滑軸承材料中采用的潤滑劑類型;(2)在轉輪中充入液體的類型:油、水、水 +防腐劑和空氣;

(3)設計參數,如載荷、輪葉軸材料、輪葉軸材料粗糙度、裝配容差等。

2.1 試驗協議

轉槳式水輪機運行條件的變化取決于水電站的要求和設計。為了進行現場和有代表性的調查,必須草擬一份試驗協議,以考慮能復制典型轉槳式轉輪輪葉運行條件的運動模式。該協議與福伊特水電公司共同研究完成。所采用的輪葉樞軸運動模式包括 3°、5°和 45°三個角運動的序列。運動序列的循環(huán)如下:

(1)±45°運動 100個周期;

(2)停止 10min;

(3)±5°運動 1 000個周期;

(4)停止 10min;

(5)±3°運動 2 500個周期。

重復上述運動序列,直到循環(huán)數達到約 60 000個周期。

2.2 試驗臺

試驗是在聯邦莫古爾德瓦 VRP2試驗臺上進行的。

圖2 試驗臺原理

試驗臺的橫斷面(圖 2)表示軸(直徑 70mm)安裝在滾柱軸承上,這樣會使摩擦力矩的誤差最小。液壓載荷單元在外殼/軸承上施加載荷,最大容量為10 000 kN。從試驗開始前的準備程序起,外殼即充滿所要求的液體(水或油)。

2.3 試驗條件

表1為轉槳式水輪機試驗協議中規(guī)定采用的參數。按照 DIN 1.4057標準,軸由不銹鋼制成,表面拋光精度為0.4μm＜Ra＜0.6μm,硬度為 240 ～260HB。軸直徑容差為 h7,過切容差為 D8。

表1 摩擦系統參數

在開始每項試驗之前,將軸研磨,并用丙酮對其進行清潔,在滑動方向和與滑動方向垂直的方向上測量表面粗糙度。在試驗期間,以一定的時間間隔來監(jiān)測摩擦,因此,記錄了作為滑動周期數的函數的摩擦曲線。

在試驗期間,溫度應保持在 15℃～35℃之間。

試驗開始之前,在試驗軸承上施加載荷,并使其在整個試驗期間保持不變。

3 充水轉槳式轉輪輪轂

圖3 軸承磨損比較

設計工程師公認,充水轉輪必須采用自潤滑軸承,因為這是確保軸承/軸系統有效潤滑的唯一途徑。DEVA-BM軸承已應用于許多新水電廠和改造工程的充水轉槳式水輪機轉輪輪轂中。

充水轉輪設計人員面對的難題之一是如何處理內部元件的防腐問題。因此,通常會在水中添加適當的防腐劑。

必須仔細地選擇防腐劑,且應考慮其與自潤滑軸承的相互作用。所用防腐劑的類型由水輪機設計人員決定,最好是與防腐劑和軸承制造商一起研究決定。

聯邦莫古爾德瓦公司已經為不同的客戶進行了水和添加劑混合物的幾項調查,包括一些與水電無關的應用,如船用可調槳角的螺旋槳。作為一個領先的水輪機制造商最新應用開發(fā)的一部分,DEVA-BM342軸承用水和防腐劑進行了試驗。為了進行比較,了解防腐劑在軸承系統中的影響,試驗序列中必須包括采用純水的試驗。

3.1 防腐劑對 DEVA-BM自潤滑軸承性能的影響

對在水和水 +防腐劑兩種試驗中觀測到的總軸承磨損情況進行了分析比較,結果表明,磨損的差別非常小,完全可以忽略。在兩個試驗中,軸承的摩擦系數也相似。

因此,試驗結果證明,當采用 DEVA-BM軸承時,轉槳式水輪機轉輪輪轂采用的水 +防腐劑的方法在技術上是可行的。

3.1.1 試驗條件

規(guī)定的軸承載荷為 40 MPa,滑動速度為 10 mm/s。軸承尺寸為 Φ70×Φ76×40 mm,徑向間隙為0.1～0.15mm。軸的材料為1.405 7,表面粗糙度范圍為0.4μm＜Ra＜0.6μm。運動角為 ±45°、±5°、 ±3°。

3.1.2 總磨損

圖4 軸承摩擦值試驗結果

圖3中的(a)表示浸沒在純水中的軸承的總磨損;(b)表示浸沒在水+防腐劑中的軸承的總磨損。

3.2 摩擦值的比較

圖4表示浸沒在純水中與浸沒在水 +防腐劑中的軸承摩擦值的試驗結果。

4 干旋轉轉槳式轉輪輪轂

在 3種可能的輪轂設計中,干旋轉轉輪 DEVA-BM自潤滑軸承的摩擦性能最好。這是因為油和水通常會干擾軸承固體潤滑劑對摩擦系統的電鍍反應過程。

對于軸承應用工程師來講,這也是比較簡單的,因為自潤滑材料原先就是設計在干條件下工作。10多年來,布蘭斯科(CKD Blansko)公司一直在將 DEVA-BM軸承成功地應用于它們的干旋轉轉槳式轉輪上。

5 充油轉槳式轉輪輪轂

雖然有些設計人員并不考慮自潤滑軸承在充油轉輪中的必要性,但是聯邦莫古爾德瓦公司現代化/改造轉槳式水輪機的經驗表明,在輪轂中采用的油不能提供有效的潤滑,因為會發(fā)生混合摩擦情況,甚至會發(fā)生邊界摩擦。

在聯邦莫古爾德瓦公司參與改造工程的某些情況下,當拆卸轉輪時,會發(fā)現老的青銅軸承已經過度磨損。在少數幾種情況下,甚至還會發(fā)現由于軸與軸承之間的嚴重摩擦,已導致軸承青銅被擠入外殼中。

在滑動軸承情況下,一個眾所周知的問題是所謂的“粘滑效應”,這可由產生的“尖叫”或“散射”噪聲確定。通常,這種情況會發(fā)生于靜態(tài)摩擦系數大大高于動態(tài)摩擦系數的條件下,是采用油或脂潤滑系統的典型情況。

DEVA-BM材料具有相同的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數值。當采用自潤滑材料時,在軸表面上將形成一層穩(wěn)定的固體潤滑劑膜。這會使靜態(tài)摩擦系數降低到一個較低的水平,即使有水或油也不會發(fā)生粘滑。

安裝在巴西圣保羅能源公司(CESP)茹皮亞(Jupia)電廠的 6臺水輪機的改造工程,是充油轉槳式水輪機轉輪中 DEVA-BM軸承的成功應用實例之一。

6 結 語

近年來,人們對生態(tài)環(huán)境的關注度大大增加,給某些工業(yè)公司施加了很大的壓力。為此,水力發(fā)電公司及其設備制造商已經開發(fā)出對環(huán)境友善的解決方案。

自潤滑軸承成為大壩閘門和水輪機導水機構一個標準的解決方案已有 40多年歷史,現在無油轉槳式水輪機轉輪也正在成為一個標準的解決方案。對聯邦莫古爾德瓦公司在轉槳式水輪機輪轂中應用DEVA-BM自潤滑軸承的調查結果及其現場運行經驗已經證明了這是一種可行和可靠的解決方案。

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2009年第 6期

黃守宣 校

TK 733.5

A

1006-0081(2010)10-0030-04

2010-05-08

(編輯:趙秋云)