霍新新,范壽孝,王曉斌,武中德

(哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

0 引 言

通常，立式水輪發(fā)電機(jī)組按照結(jié)構(gòu)不同可分為懸式機(jī)組、傘式機(jī)組和半傘式機(jī)組，對(duì)立式機(jī)組而言，推力軸承和導(dǎo)軸承分別起軸向和徑向支撐作用，導(dǎo)軸承一般可設(shè)計(jì)為獨(dú)立油槽結(jié)構(gòu)或與推力軸承一起被設(shè)計(jì)為推導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)。

無(wú)論何種導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)形式，為了滿足摩擦散熱的需要，通常在油槽中設(shè)計(jì)有大量潤(rùn)滑油。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑油受轉(zhuǎn)動(dòng)部件的帶動(dòng)，與導(dǎo)軸承側(cè)壁之間產(chǎn)生激烈的撞擊作用，容易引起甩油現(xiàn)象，同時(shí)摩擦熱使油溫升高，降低潤(rùn)滑油粘度，所以油霧問(wèn)題經(jīng)常伴隨甩油現(xiàn)象一起發(fā)生。從油槽中溢出的油霧凝結(jié)在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子線棒的表面，給發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子裝配增加了難度，這種情況在傘式機(jī)組和半傘式機(jī)組中尤為嚴(yán)重。油霧問(wèn)題還會(huì)降低絕緣材料的使用壽命，甚至引發(fā)電氣故障。

在水電設(shè)備發(fā)展歷程中，甩油現(xiàn)象一直是困擾設(shè)計(jì)者的一大難題。龍門灘二級(jí)水電站、楓樹(shù)壩2號(hào)機(jī)組、構(gòu)皮灘等電站均發(fā)生過(guò)導(dǎo)軸承甩油問(wèn)題[1-3]。導(dǎo)致油槽甩油現(xiàn)象發(fā)生的原因十分復(fù)雜，一般認(rèn)為甩油現(xiàn)象受結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方案及流體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的綜合影響。針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承，通常采用增加1套機(jī)械密封、設(shè)計(jì)附加接油盆、均衡壓差等方式解決軸承甩油問(wèn)題[4-6]。此文從導(dǎo)軸承自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出采用流線型導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在不同方案下對(duì)油槽內(nèi)潤(rùn)滑油流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，并計(jì)算導(dǎo)軸承受力形變，以證明解決方案的可行性。

1 導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

圖1為某電站水輪發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)示意圖，導(dǎo)軸承為扇形瓦，在支撐端位置加工有60 mm×60 mm的2個(gè)倒角，導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

表1 導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 流線型導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)導(dǎo)軸承幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)流線型導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)如圖2(b)、2(c)所示。圖2(a)為導(dǎo)軸承原設(shè)計(jì)方案三維示意圖；圖2(b)為保持瓦長(zhǎng)、瓦寬、瓦厚不變基礎(chǔ)上對(duì)軸承背部進(jìn)行倒角處理，使其在潤(rùn)滑油流動(dòng)方向上圓滑過(guò)渡；圖2(c)為在圖2(b)基礎(chǔ)上增加頂部擋板，其目的是防止油滴飛濺。

圖2 流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3 油槽流動(dòng)狀態(tài)仿真分析

根據(jù)油槽幾何結(jié)構(gòu)，分別建立旋轉(zhuǎn)零部件和靜止零部件模型，潤(rùn)滑油液面高度為常規(guī)機(jī)組運(yùn)行要求中規(guī)定的導(dǎo)軸承高度的1/2，潤(rùn)滑油物理參數(shù)見(jiàn)表2。將旋轉(zhuǎn)零部件轉(zhuǎn)速由0升至428 r/min(額定轉(zhuǎn)速)，對(duì)3種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軸承液面波動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行等條件仿真分析，穩(wěn)定運(yùn)行后液面狀態(tài)如圖3～5所示。

表2 潤(rùn)滑油物理參數(shù)

圖3 液面波動(dòng)狀態(tài)(原始結(jié)構(gòu))

圖4 液面波動(dòng)狀態(tài)(流線型結(jié)構(gòu))

圖5 液面波動(dòng)狀態(tài)(擋板結(jié)構(gòu))

從仿真分析結(jié)果可知：

1)圖3為原導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)方案，在額定轉(zhuǎn)速下油槽液面波動(dòng)較為劇烈，潤(rùn)滑油在流動(dòng)過(guò)程中與導(dǎo)軸承側(cè)壁發(fā)生撞擊作用，產(chǎn)生較多飛濺的油滴，容易發(fā)生甩油現(xiàn)象。

2)圖4為不帶擋板結(jié)構(gòu)的流線型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)方案，在額定轉(zhuǎn)速下，液面波動(dòng)呈現(xiàn)交替的波峰、波谷形式，潤(rùn)滑油流動(dòng)過(guò)程中與導(dǎo)軸承側(cè)壁發(fā)生撞擊作用的程度較原方案低，因此幾乎不產(chǎn)生飛濺的油滴。

3)圖5為帶有擋板結(jié)構(gòu)的流線型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)方案，在額定轉(zhuǎn)速下，液面波動(dòng)狀態(tài)同樣較為劇烈，擋板結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了對(duì)潤(rùn)滑油流動(dòng)的阻礙作用，但液面波動(dòng)的劇烈程度與圖3相比較小。

4 導(dǎo)軸承承載性能分析

當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為428.6 r/min、導(dǎo)軸承徑向載荷為490 kN、供油溫度為40 ℃條件下，導(dǎo)軸承承載性能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 導(dǎo)軸承性能計(jì)算

分別對(duì)圖2(a)及圖2(b)兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軸承進(jìn)行綜合變形分析，施加作用力為490 kN，施加溫度載荷為導(dǎo)軸承計(jì)算所得溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示，其中從瓦面指向瓦背方向?yàn)閺较蛘较颉?/p>

圖6 徑向變形計(jì)算(原始結(jié)構(gòu))

圖7 徑向變形計(jì)算(流線型結(jié)構(gòu))

流線型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)方案徑向變形趨勢(shì)與原導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)方案一致，瓦面呈現(xiàn)凹變形狀態(tài)，有利于導(dǎo)軸承承載。流線型導(dǎo)軸承有效厚度減薄，徑向剛度減弱，在承受徑向力及摩擦熱綜合作用下，徑向壓縮變形增加，就瓦面平均壓縮變形而言，變形增量約為18 μm，與油膜厚度60 μm相比，壓縮變形量完全可以接受，證明流線型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)方案是可行的。

5 結(jié) 語(yǔ)

在水輪發(fā)電機(jī)組中，甩油現(xiàn)象的成因十分復(fù)雜。采用流線型導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，即從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)穩(wěn)定液面波動(dòng)狀態(tài)的一種有效方法，其作用類似于油槽內(nèi)部的穩(wěn)油板。如果參數(shù)設(shè)計(jì)合理，流線型導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)優(yōu)化方案并不會(huì)降低軸承承載性能。依據(jù)油槽內(nèi)部潤(rùn)滑油流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化軸承外形結(jié)構(gòu)，減弱液面飛濺程度，可提升潤(rùn)滑油流動(dòng)的整體平穩(wěn)性。這是解決導(dǎo)軸承甩油現(xiàn)象的有效方法，值得更深入的研究。