柴 峰，王巖祿

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

錦屏一級水輪發(fā)電機泵環(huán)結(jié)構(gòu)導軸承設計與計算

柴 峰，王巖祿

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

立式水輪發(fā)電機導軸承用來承受機組轉(zhuǎn)動部分的徑向機械不平衡力和電磁不平衡力，對機組軸系的穩(wěn)定性及機組運行的安全性都有重要意義。論文以錦屏一級水輪發(fā)電機為研究對象，總結(jié)了泵環(huán)結(jié)構(gòu)導軸承在錦屏一級電站發(fā)電機上的應用經(jīng)驗，提出了泵環(huán)結(jié)構(gòu)設計方法和計算公式，并給出了判定標準。本文的研究成果可為巨型水輪發(fā)電機組導軸承的設計研究提供參考借鑒。

水輪發(fā)電機；導軸承；泵環(huán)；檔油管

1 前言

導軸承在立式水輪發(fā)電機組中起到了承受機組轉(zhuǎn)動部件的徑向機械不平衡力和電磁不平衡力，維持機組軸線擺度在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)的作用。作為軸系的一部分，機組導軸承的結(jié)構(gòu)布置和型式的選擇與水輪發(fā)電機的容量、額定轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)型式緊密關聯(lián)，不僅要滿足機組軸系剛度的性能要求，同時也要滿足臨界轉(zhuǎn)速計算的相關判定條件。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析和軸系穩(wěn)定性計算結(jié)果，錦屏一級電站采用三導結(jié)構(gòu)，分別在1645.28m、1637.915m和1632.375m高程設置了上導軸承、下導軸承和水導軸承。

錦屏一級電站以1635.575m高程的主軸法蘭連接面為分界高程，以下是水輪機，由東方電機股份有限公司設計制造，以上是水輪發(fā)電機，由哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造。本文將就哈電設計制造的發(fā)電機上導軸承、下導軸承的設計創(chuàng)新點進行詳細論述。

2 泵環(huán)式導軸承冷卻結(jié)構(gòu)

2.1 常規(guī)滑轉(zhuǎn)子泵潤滑油循環(huán)結(jié)構(gòu)介紹

浸油式內(nèi)循環(huán)冷卻的導軸承通常采用滑轉(zhuǎn)子泵潤滑油循環(huán)結(jié)構(gòu)，即通常潤滑油經(jīng)過冷卻器循環(huán)的動力，來源于滑轉(zhuǎn)子中所開的泵孔。導軸承滑轉(zhuǎn)子在對應導軸承瓦底部位置沿徑向開設一定數(shù)量和尺寸的泵孔，利用滑轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中其內(nèi)腔潤滑油的離心力作用產(chǎn)生壓頭，強迫潤滑油通過泵孔流入導瓦腔，為導軸承潤滑冷卻的油循環(huán)提供動力。該結(jié)構(gòu)在哈電設計機組上已有多年的使用經(jīng)驗。圖1為滑轉(zhuǎn)子泵結(jié)構(gòu)的導軸承。

圖1 滑轉(zhuǎn)子泵結(jié)構(gòu)的導軸承

由圖1可見，為保證泵孔布置空間，滑轉(zhuǎn)子泵結(jié)構(gòu)的滑轉(zhuǎn)子未與轉(zhuǎn)軸配合固定區(qū)域的懸臂軸向長度較大，其中布置泵孔和導瓦腔造成的滑轉(zhuǎn)子加長部分客觀上也造成了滑轉(zhuǎn)子材料的浪費；為配合泵孔，導軸承瓦下部也需要設置50mm高的空腔，造成了導軸承瓦的軸向尺寸加長，引起重量增加，成本的增加。

2.2 泵環(huán)結(jié)構(gòu)潤滑油循環(huán)方式

錦屏一級電站發(fā)電機上導軸承、下導軸承采用了泵環(huán)結(jié)構(gòu)的潤滑循環(huán)方式。滑轉(zhuǎn)子下端面為平面，在下端面下方設置了泵環(huán)，利用滑轉(zhuǎn)子與泵環(huán)的間隙作為潤滑油流動的通道，利用滑轉(zhuǎn)子外圓和泵環(huán)內(nèi)圓處轉(zhuǎn)動部件的周向線速度差產(chǎn)生壓頭，為潤滑油提供循環(huán)動力，使滑轉(zhuǎn)子和導軸承瓦的材料均得到有效利用，潤滑油流動通道更為暢通。

錦屏一級水輪發(fā)電機泵環(huán)結(jié)構(gòu)上、下導軸承結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

圖2 錦屏一級泵環(huán)結(jié)構(gòu)上導軸承裝配

圖3 錦屏一級泵環(huán)結(jié)構(gòu)下導軸承裝配

為便于安裝，泵環(huán)采用分瓣結(jié)構(gòu)，固定在導軸承瓦的托板下面，與油冷卻器的間隙盡量小，以便潤滑油與冷卻管充分進行熱交換。水輪發(fā)電機安裝時通過調(diào)整泵環(huán)與托板之間的墊片厚度調(diào)整泵環(huán)與滑轉(zhuǎn)子下端面的泵環(huán)間隙，從而在機組運行過程中控制合理的泵環(huán)出口潤滑油壓頭和泵出的潤滑油流量。

2.3 泵環(huán)結(jié)構(gòu)出口壓頭、潤滑油流速和流量的計算

泵環(huán)結(jié)構(gòu)出口潤滑油的壓頭可按下述公式計算：

式中：p-潤滑油流出泵環(huán)口時的出口壓頭（MPa）；ρ-流入泵環(huán)的潤滑油的運動粘度（m2/s）；ω-機組旋轉(zhuǎn)的角速度（rad/s）；R2-滑轉(zhuǎn)子外徑（mm）；R1-泵環(huán)內(nèi)徑（mm）。

根據(jù)工程經(jīng)驗，潤滑油流出泵環(huán)口的出口壓頭應不小于0.002MPa。軸承損耗大時，出口壓頭適當增加。

泵環(huán)結(jié)構(gòu)潤滑油流速可按下述公式計算：

式中：ν-泵環(huán)結(jié)構(gòu)潤滑油流速（L/min）；λ-阻力系數(shù)；h-泵環(huán)間隙（mm）。

為減少潤滑油流動的沿程損失，流過泵環(huán)的潤滑油流速控制在1～1.5m/s為宜。

泵環(huán)結(jié)構(gòu)潤滑油流量可按下述公式計算：

式中：Q-潤滑油流量（L/min）

由于軸承油槽中潤滑油流動情況復雜，受轉(zhuǎn)動部件、固定部件干擾導致實際供油量可能不準確，設計的潤滑油流量應為理論計算帶走軸承損耗所需油量的4~6倍為宜，軸承損耗大時取上限。

3 泵環(huán)結(jié)構(gòu)擋油管

錦屏一級電站上下導軸承擋油管同樣采用了泵環(huán)擋油結(jié)構(gòu)。擋油管油面以下部分設置了水平的擋油環(huán)，與導軸承滑轉(zhuǎn)子內(nèi)圓側(cè)的臺階配合，形成了泵環(huán)擋油結(jié)構(gòu)。滑轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，滑轉(zhuǎn)子臺階內(nèi)圓與擋油環(huán)外圓存在的周向線速度差形成了動壓壓頭。該壓頭亦可通過公式（1）計算。壓頭方向迫使?jié)櫥椭匦铝骰赜筒蹆?nèi)，增大了潤滑油通過滑轉(zhuǎn)子與擋油管之間的空腔發(fā)生內(nèi)甩油的阻力。此處的小間隙除了增大向油槽內(nèi)的壓頭外，也增大了潤滑油內(nèi)甩的阻力。

擋油環(huán)上層設置有銅墊板，用于調(diào)節(jié)泵環(huán)的間隙。安裝時應以機架安裝擋油管的把合面為基準，測量滑轉(zhuǎn)子臺階高度和擋油環(huán)高度，配合給出的泵環(huán)間隙值計算并調(diào)整銅墊板的厚度，必要時可以采用局部打磨銅墊板的方式保證泵環(huán)間隙值的均勻。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了泵環(huán)結(jié)構(gòu)在錦屏一級電站水輪發(fā)電機上導軸承、下導軸承上的成功應用經(jīng)驗，總結(jié)了泵環(huán)結(jié)構(gòu)的特點，并給出了泵環(huán)結(jié)構(gòu)出口壓頭、潤滑油流量和流速的計算公式和控制條件，為泵環(huán)結(jié)構(gòu)在其他水電機組上的應用提供了參考和借鑒。該技術的應用還應注意以下幾點：

（1）泵環(huán)間隙h的確定應考慮機組運行時推力負荷造成的轉(zhuǎn)動部分下沉量的影響。當導軸承處于非負荷機架中時，泵環(huán)的安裝間隙應為計算的運行間隙h與轉(zhuǎn)動部分下沉量之和。如錦屏一級電站發(fā)電機上導軸承，泵環(huán)的安裝間隙為6.5mm，運行間隙為4mm；對于處于負荷機架中的導軸承，由于機架隨轉(zhuǎn)動部分共同下沉，則泵環(huán)的安裝間隙與運行間隙相同。如錦屏一級電站發(fā)電機下導軸承，安裝間隙與運行間隙均為4mm。

（2）對機組轉(zhuǎn)動部分下沉量的修正同樣適用于擋油管部位的泵環(huán)結(jié)構(gòu)。

（3）由于不可避免的擋油管變形，在擋油管和滑轉(zhuǎn)子之間會形成偏心泵效應，造成吸油，增大了導軸承內(nèi)甩油的可能，泵環(huán)結(jié)構(gòu)的擋油管除可適當減小泵環(huán)間隙外，還應考慮擋油管和滑轉(zhuǎn)子之間采取適當?shù)幕赜徒Y(jié)構(gòu)，以免此處油位過高。

[1]白延年.水輪發(fā)電機設計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社, 1990.

[2]宋洪占，張硯明.立式水輪發(fā)電機導軸承滑轉(zhuǎn)子泵的設計與計算[J].通用機械,2012,2：78-86.

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1672-5387（2017）05-0043-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.010

2016-05-07

柴 峰（1982-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機設計研發(fā)工作。