鐘海權(quán)，歐陽寧東，楊培平，駱 林，徐建偉，劉 政

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

推力軸承損耗由瓦面油膜的摩擦損耗和鏡板等旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的攪拌損耗組成，攪拌損耗與油位成正相關(guān)。為了保證推力瓦面能充分潤滑，油槽內(nèi)的初始油位均較高，一般淹沒到鏡板背面，推導(dǎo)組合軸承至少淹沒到導(dǎo)軸瓦一半高度。油位高，意味著鏡板等轉(zhuǎn)動部件淹沒的面積也大，鏡板高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，將造成很大的攪拌損耗、降低機(jī)組效率，而且會升高軸承運(yùn)行油溫和瓦溫，加速潤滑油老化，降低軸承性能和可靠性，增加潤滑油內(nèi)部的氣泡，加重油霧問題。隨著抽水蓄能機(jī)組單機(jī)容量的不斷增長，機(jī)組轉(zhuǎn)速不斷提高，軸承損耗會迅速增大，前述問題更加突出。

采用噴淋式潤滑系統(tǒng)，可以將推力軸承油位降低到鏡板工作面附近甚至以下運(yùn)行，降低油位可以大幅降低攪拌損耗30%～90%，在冷卻系統(tǒng)不變的情況下，可以降低軸承運(yùn)行油溫和瓦溫，提高軸承性能和可靠性。

1 推力軸承的損耗分析

推力軸承的損耗本質(zhì)上是油層之間的摩擦損耗，層流狀態(tài)滿足黏性牛頓定律：

式中τ——運(yùn)動壁面處的剪切應(yīng)力；

μ——動力黏度；

U——流速；

Z——垂直于運(yùn)動壁面的坐標(biāo)；

P——軸承的損耗；

A——摩擦面積。

為了方便分析，將推力軸承損耗分為瓦面油膜的摩擦損耗P1、鏡板等旋轉(zhuǎn)件背面的攪拌損耗P2、鏡板等旋轉(zhuǎn)件內(nèi)圓柱面的攪拌損耗P3、鏡板等旋轉(zhuǎn)件外圓柱面的攪拌損耗P4、瓦間邊界層內(nèi)的攪拌損耗P5。

由瓦面油膜產(chǎn)生的摩擦損耗始終存在，不因采用的潤滑方式而改變。

1.1 旋轉(zhuǎn)件背面的攪拌損耗[1]

式中ns——轉(zhuǎn)速；

D1——旋轉(zhuǎn)件內(nèi)徑；

D2——旋轉(zhuǎn)件外徑；

A2——系數(shù)。

1.2 旋轉(zhuǎn)件內(nèi)圓柱面的攪拌損耗[1]

式中H——旋轉(zhuǎn)件浸油深度；

A3——系數(shù)。

1.3 旋轉(zhuǎn)件外圓柱面的攪拌損耗[1]

式中A4——系數(shù)。

1.4 瓦間邊界層內(nèi)的攪拌損耗[1]

式中m——瓦塊數(shù)；

α——瓦間圓心角；

A5——系數(shù)。

鏡板等旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的攪拌損耗與油位成正相關(guān)，較低的油位可能導(dǎo)致沒有P2、P3、P4、P5項。

采用低油位的浸泡潤滑將導(dǎo)致沒有P2項，P3、P4項也會減小。采用非浸泡潤滑將導(dǎo)致沒有P2、P3、P4項，P5項也會減小。本項目開發(fā)的噴淋式低損耗推力軸承技術(shù)可以實現(xiàn)噴淋式低油位浸泡潤滑或者噴淋式非浸泡潤滑，可以降低推力軸承攪拌損耗30%～90%[2]。

2 噴淋式低損耗推力軸承技術(shù)原理

噴淋式低損耗推力軸承技術(shù)系統(tǒng)[3]由外加泵、冷卻器、付油箱、瓦間噴油、軸承、油槽組成，見圖1。

圖1 噴淋式低損耗推力軸承技術(shù)系統(tǒng)Figure 1 Spray type thrust bearing technology system with low power loss

在正常運(yùn)行時，供油泵將油槽內(nèi)的熱潤滑油泵入油冷卻器，冷油注入付油箱，油槽油位下降至工作油位，見圖1。在油泵壓力作用下，通過供油環(huán)管向瓦間鏡板面噴油，鏡板再將潤滑油帶入瓦面油膜。此時，大幅度降低了推力軸承的攪拌損耗。

圖1是低油位的噴淋式浸泡潤滑，圖2是噴淋式非浸泡潤滑。

圖2 噴淋式非浸泡潤滑F(xiàn)igure 2 Spray type non-immersion lubrication

當(dāng)泵由于停電或其他故障停運(yùn)時，此時付油箱不再充油。付油箱中的油在重力作用下，會繼續(xù)向油槽排油，同時自動補(bǔ)氣，油槽油位會逐漸上升。當(dāng)付油箱排空后，油箱中的潤滑油完全排入油槽，軸承處于傳統(tǒng)的全浸泡潤滑狀態(tài)，見圖3。在此過程中，不會出現(xiàn)斷油風(fēng)險。

圖3 全浸泡潤滑F(xiàn)igure 3 Immersion lubrication

3 噴淋式低損耗推力軸承技術(shù)的試驗驗證

模擬試驗在東方電機(jī)有限公司2000t級高速重載雙向推力軸承試驗臺上進(jìn)行。分別采用了4套模型軸承進(jìn)行1∶1的抽水蓄能機(jī)組低損耗推力軸承試驗，采用了2套模型軸承進(jìn)行常規(guī)巨型機(jī)組低損耗推力軸承試驗。

3.1 全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑的損耗測試

測試推力軸承試驗臺的拖動電機(jī)功率可以間接反映被試推力軸承的損耗。在同種轉(zhuǎn)速、相同油溫時，全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑軸承對應(yīng)的電機(jī)功率之差即為攪油損耗，見圖4。

圖4 全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑的損耗對比Figure 4 Comparison of immersion and spray type nonimmersion lubrication losses

利用油循環(huán)參數(shù)采用量熱法計算軸承損耗，見表1。某抽水蓄能機(jī)組試驗軸承采用噴淋式非浸泡潤滑，比全浸泡潤滑降低損耗約520kW，降幅約40%。

表1 推力軸承油循環(huán)損耗測試Table 1 Thrust bearing oil cycling power loss test

3.2 啟動過程中油膜厚度測試

啟動過程中，油膜厚度見表2，全浸泡和噴淋式非浸泡潤滑相近。

3.3 額定工況推力軸承性能對比

推力軸承采用噴淋式非浸泡潤滑幾乎沒有攪拌損耗，其中，發(fā)電機(jī)工況總損耗比全浸泡潤滑減少464kW（見表3），水泵工況總損耗比全浸泡潤滑減少500kW（見表4）。在相同的冷卻水條件下，發(fā)電機(jī)工況噴淋式非浸泡潤滑的油槽油溫比全浸泡潤滑低6.2K，水泵工況4.2K，相應(yīng)的RTD平均溫度降低4.5K和4.1K，其他性能也有不同程度的改善。

表2 10%～50%轉(zhuǎn)速的油膜厚度測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of oil film thickness at 10%～50% rotational speed

表3 發(fā)電機(jī)工況推力軸承性能對比表Table 3 thrust bearing performance comparison Table under generator working conditions

表4 水泵工況推力軸承性能對比表Tabel 4 Thrust bearing performance comparison table under pump working conditions

3.4 斷水工況推力軸承性能對比

設(shè)定推力軸承斷水運(yùn)行時的RTD報警溫度均為80℃，采用噴淋式非浸泡潤滑的斷水運(yùn)行時間比全浸泡潤滑延長約6分鐘（見表5）。

4 結(jié)束語

本文分析了推力軸承攪拌損耗的組成成分，介紹了東方電機(jī)有限公司開發(fā)的噴淋式低損耗推力軸承技術(shù)的研究成果和試驗驗證情況，得出以下結(jié)論：

表5 推力軸承斷水運(yùn)行時間對比Table 5 Comparison of running time of thrust bearing with cooling water off condition

（1）降低油位可以降低推力軸承攪拌損耗30%～90%。推力軸承采用噴淋式非浸泡潤滑幾乎沒有攪拌損耗，相對全浸泡潤滑，降低總損耗40%～50%。

（2）在冷卻系統(tǒng)不變的情況下，可以降低軸承運(yùn)行油溫和瓦溫，延長意外斷水的運(yùn)行時間，提高軸承性能和可靠性。