梁宇強，鐘 建，劉 政

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

水輪發(fā)電機導(dǎo)軸承的作用是：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，維持機組主軸在軸承間隙范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。調(diào)試階段要在各個工況下進行軸承熱穩(wěn)定試驗，以驗證機組在長時間運行時軸承溫度是否能穩(wěn)定在設(shè)定值范圍以內(nèi)。某水電機組首臺機組調(diào)試階段作軸承熱穩(wěn)定試驗時，出現(xiàn)下導(dǎo)瓦溫度偏高，熱不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文從分析導(dǎo)瓦損耗及熱傳遞原理入手，研究了油溫對導(dǎo)瓦溫度及熱穩(wěn)定的影響，提出了相應(yīng)的解決措施，并通過真機試驗驗證了該措施的有效性，為后續(xù)電站處理類似問題提供了參考。

1 導(dǎo)瓦熱穩(wěn)定情況及初步分析

1．1 導(dǎo)瓦熱不穩(wěn)定說明

該機組為半傘結(jié)構(gòu)，推力軸承與下導(dǎo)軸承合用一個油槽，采用外加泵方式進行潤滑油外循環(huán)，并采用3臺板式換熱器進行潤滑油冷卻，其中2臺投入工作，1臺備用。外循環(huán)潤滑油總管進入下機架后分成兩路供油，一路給推力軸承供油，另一路給下導(dǎo)瓦供油，并采用瓦間設(shè)置噴管的供油方式。推力及下導(dǎo)的油量分配可以同通過推力供油支管及下導(dǎo)供油支管上的閥門開度進行調(diào)節(jié)。

機組首次開機運行3h后下導(dǎo)瓦溫沒有穩(wěn)住跡象，一直往上漲，至停機時溫度最高的12號瓦溫已達77℃，遠超報警溫度65℃，且仍然以每小時3℃的趨勢增長，不滿足軸承熱穩(wěn)定判定要求（每小時溫度變化小于1℃）。12號瓦運行數(shù)據(jù)如表1、圖1所示：

圖1 12號瓦熱穩(wěn)定曲線圖Figure 1 Thermal stability curve of the 12# guide bearing

表1 首次開機運行3h后12號瓦溫數(shù)據(jù)Table 1 Date of 12# guide bearing after operating for 3h

綜上，下導(dǎo)瓦主要面臨兩個問題：一個是軸瓦溫度偏高，二是無法達到熱穩(wěn)定。

1．2 冷卻器換熱能力初步分析

通常瓦溫高的原因可以先從冷卻器換熱效果差入手分析。如果潤滑油產(chǎn)生的損耗遠大于冷卻器帶走的損耗，則可以冷卻器換熱容量偏小，無法對潤滑油充分冷卻。

根據(jù)熱力學(xué)公式：流體帶走的熱量與流量有如下關(guān)系式：

式中：Cp——流體比熱容，；對于46號汽輪機油，30℃油溫時對應(yīng)比熱為0.451；水在20℃時比熱大概為1。

Qp——流量，m3/h，該案例中對應(yīng)油流量300，水流量為160。

Δt——溫升，K，該案例中對應(yīng)油溫升為8.2，水溫升為6.78。

γ——流體密度，kg/m3，46號汽輪機油在30℃時對應(yīng)值為888；水在20℃時對應(yīng)998。

上述數(shù)據(jù)代入式（1）計算可得：

潤滑油帶走軸承的損耗近似等于水帶走的損耗；理論上由于管路具有一定的散熱功能，P水應(yīng)略小于P油，出現(xiàn)上述偏差可認為是測溫電阻測量偏差引起的?？傮w而言，可以得出初步分析結(jié)論是冷卻器散熱容量并無問題。因此瓦溫高及熱不穩(wěn)定問題不在冷卻端，而是在發(fā)熱端，即潤滑油無法快速帶走軸承損耗引起的。

2 導(dǎo)瓦損耗及熱平衡分析

為了解決上述問題，首先對導(dǎo)瓦損耗產(chǎn)生機理以及熱平衡原理進行分析。

潤滑油被滑轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶入導(dǎo)瓦與滑轉(zhuǎn)子之間的間隙以后會受到瓦面、滑轉(zhuǎn)子面的剪切力，對滑轉(zhuǎn)子面以及瓦面產(chǎn)生摩擦阻力并產(chǎn)生摩擦熱。同時油膜分子在層流狀態(tài)下也相互摩擦產(chǎn)生熱量。這些熱量一部分被潤滑油通過導(dǎo)瓦出油邊帶走，另一部分通過潤滑油與軸瓦、滑轉(zhuǎn)子之間的對流換熱帶走，以及導(dǎo)瓦、滑轉(zhuǎn)子與其周圍的空氣的換熱帶走[1]。對于傳統(tǒng)的浸泡潤滑軸承，還可以通過導(dǎo)瓦、滑轉(zhuǎn)子與浸泡的潤滑油換熱帶走。上述熱量產(chǎn)生與傳遞路徑圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)瓦熱量產(chǎn)生及傳遞示意圖Figure 2 Sketch of the heat generation and transfer of the guide bearing

導(dǎo)軸承達到熱平衡的條件是：單位時間內(nèi)軸承所產(chǎn)生的摩擦熱量P0等于同時間內(nèi)流動的油帶走的熱量P1與滑轉(zhuǎn)子、導(dǎo)瓦散發(fā)的熱量P2，P3的總和，即；

本案例中的導(dǎo)瓦并未完全浸泡在潤滑油中，而是采用了較低液位的潤滑方式。從上述熱傳導(dǎo)路徑圖可以看出，導(dǎo)瓦熱量無法快速通過潤滑油帶走，只能通過空氣熱對流散熱。眾所周知，空氣傳熱能力遠遠低于潤滑油，因此導(dǎo)致導(dǎo)瓦上導(dǎo)的熱量很難被快速帶走。如果傳遞到導(dǎo)瓦的熱量P3大于導(dǎo)瓦散發(fā)到空氣中的熱量，則會在導(dǎo)瓦上形成熱量積累，導(dǎo)致瓦溫持續(xù)升高，熱穩(wěn)定時間比常規(guī)浸泡潤滑的軸承更加漫長甚至無法達到熱平衡。

3 降低瓦溫及實現(xiàn)導(dǎo)瓦熱平衡措施

從上述熱傳遞分析圖可以看出，在導(dǎo)瓦散熱能力比傳統(tǒng)浸泡式軸承要弱的情況下，要降低導(dǎo)瓦溫度，并盡快實現(xiàn)導(dǎo)瓦熱平衡，需要盡量減少傳遞到導(dǎo)瓦上的熱量P3，這就需要從兩個方面入手：一方面需要減少熱源產(chǎn)生的熱量P0，另一方面要增大從導(dǎo)瓦出油邊流走的潤滑油帶走的熱量P1。

根據(jù)文獻[2]，潤滑油進入瓦面后因摩擦產(chǎn)生的損耗P0為：

其中最小油膜厚度hmin為

式中：m——瓦塊數(shù)；

B——瓦軸向長度，cm；

L——瓦周向長度，cm；

D——負載系數(shù)，由L/B決定；

n——摩阻系數(shù)，由L/B決定；

λ——潤滑油的黏度系數(shù)，kg·s/m2；

Vn——滑轉(zhuǎn)子面的線速度 ，m/s；

p——導(dǎo)瓦比壓，kg/cm2。

將式（5）代入式（4）并整理得：

當(dāng)一個機組設(shè)計好以后，瓦塊數(shù)m、瓦尺寸B和L，瓦負荷p以及轉(zhuǎn)速Vn都是確定了的，因此除了潤滑油黏度λ外，式（6）其余因子乘積是個常數(shù)，不妨設(shè)，則式（6）可簡寫為

由此可見，降低熱源損耗P0，需要降低潤滑油黏度系數(shù)λ。該系數(shù)受溫度影響較大，溫度越高，黏度系數(shù)就越小。因此可以提高冷油溫度來降低進入瓦面潤滑油的黏度。值得注意的是，文獻[3]也提到過電站冬季水溫低，導(dǎo)致油溫低，從而瓦溫升高的現(xiàn)象。由此可見，提高油溫對降低瓦溫是有理論及實例支撐的。

在增大潤滑油帶走損耗能力P1方面，根據(jù)式（1）可知，流量Qp是可以人為調(diào)節(jié)的，因此，增大P1最直接手段就是增大流量Qp。提高進入瓦面的潤滑油流量的方法很多，其一是增加下導(dǎo)瓦供油流量，其二是將導(dǎo)瓦進油邊斜坡的斜度增大，并加大導(dǎo)瓦抱軸間隙，使更多潤滑油進入摩擦面。鑒于第二個措施需要打開油槽并拆出導(dǎo)瓦處理，需要更多的處理時間。在調(diào)試試驗安排比較緊湊情況下，先考慮只增加導(dǎo)瓦供油量。

綜上分析，確定降低瓦溫及實現(xiàn)導(dǎo)瓦熱平衡兩個措施：

（1）減少冷卻器冷卻水量，提高冷油溫度，通過降低潤滑油黏度來降低軸承損耗。

（2）增大下導(dǎo)瓦油量分配比例，提高潤滑油帶走損耗能力。

4 處理效果及分析

為了找到使導(dǎo)瓦處于最優(yōu)的工作狀態(tài)的油溫、油量等參數(shù)，在調(diào)試過程中做了多次試驗，在一臺冷卻器上反復(fù)調(diào)整不同冷卻水閥門開度來調(diào)節(jié)冷油溫度，同時不斷調(diào)整推力與下導(dǎo)供油量的分配比例。為了便于對比，現(xiàn)將溫度最高的12號瓦的多次試驗的關(guān)鍵參數(shù)及主要測量結(jié)果見表2。

表2 抽水工況12號下導(dǎo)瓦在不同冷卻條件下的溫度對比表Table 2 Temperature comparison for different cooling condition of the 12# guide bearing

從序2與序5對比可知：下導(dǎo)油流量相同情況下，通過減少冷卻器冷卻水量提高油溫，運行4h后的瓦溫可以從68.89℃降低到64.84℃（且是在最初瓦溫較高的情況下），最后一個小時瓦溫上升速度已經(jīng)大幅度減緩，滿足熱平衡考核標準；序3與序4的對比結(jié)果同樣滿足這個規(guī)律。可見，提高潤滑油溫度，對于降低瓦溫，促進導(dǎo)瓦盡快進入熱平衡是有效的。

序5和序6對比可知，在冷卻器冷卻水流量相同情況下，提高下導(dǎo)潤滑油油流量，可以使導(dǎo)瓦最高溫度降低大約1℃，并且最后一個小時溫度上升更加平緩，也就意味著可以更快達到熱穩(wěn)定?？梢?，提高潤滑油流量對于降低瓦溫，促進導(dǎo)瓦盡快進入熱平衡也是有效的。

序2和序4對比可知，序2潤滑油量大，但是冷卻水多，油溫低；而序4潤滑油量少，但冷卻水少，油溫高；在此條件下，序4最高瓦溫卻更低，溫度上升更平緩，說明加大潤滑油流量和提高油溫兩個因素中，提高油溫對于降低瓦溫，促進導(dǎo)瓦盡快進入熱平衡作用更大。

序4和序6對比可知，序6熱油溫度略高于序4，但是瓦溫及最后一小時溫度上升幅度卻沒有延續(xù)前面“油溫越高，瓦溫越低，熱平衡越快”的規(guī)律，說明油溫也不是越高越好，應(yīng)該存在一個臨界最優(yōu)值，油溫超過了這個臨界值會導(dǎo)致瓦溫進一步上升。

5 進一步的處理措施

經(jīng)過上述試驗，確認了提高油溫和增加進入瓦面潤滑油流量的措施是有效的。但是導(dǎo)瓦溫度仍然顯得比較高，導(dǎo)瓦雖然能夠達到熱穩(wěn)定，但時間也比較長。通常導(dǎo)瓦2h就可以達到熱穩(wěn)定，該機組需要3～4h才能達到熱穩(wěn)定。為了徹底解決該問題，在調(diào)試消缺階段，采取了進一步改進措施，包括增大抱瓦間隙，修磨導(dǎo)瓦瓦面增大進出油邊斜度，從而增大導(dǎo)瓦瓦面進油量。經(jīng)過上述處理，導(dǎo)瓦最高溫度從處理前的78℃，降到了60℃以內(nèi)，熱穩(wěn)定時間也控制在2.5h左右，成功解決了導(dǎo)軸承溫度高、熱不穩(wěn)定問題（見圖3）。

圖3 采取進一步措施后12號瓦瓦溫曲線圖Figure 3 Temperature curve of the 12# guide bearing after taking further measures

6 結(jié)語

對于導(dǎo)瓦瓦溫過高問題，傳統(tǒng)的處理手段是提高冷卻效果，降低油溫。但是對于潤滑液面較低、軸承大部分裸露在空氣中的結(jié)構(gòu)，上述措施無法解決該問題。本文通過分析導(dǎo)瓦熱平衡傳遞路徑，提出了相反的措施，即提高潤滑油溫度，并輔以增大潤滑流量的措施，成功解決了導(dǎo)瓦溫度過高及熱不穩(wěn)定問題，同時還通過對比多個試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)提高潤滑油溫度比增加進入瓦面潤滑油流量所起的作用更加明顯。上述處理經(jīng)驗對軸承設(shè)計、安裝調(diào)試具有一定的參考價值。

值得注意的是，推力下導(dǎo)外循環(huán)總油流量是一定的，增大下導(dǎo)油量分配的同時，需要兼顧推力油流量減少引起的瓦溫上升。因此，對于合油槽結(jié)構(gòu)，建議設(shè)計時外循環(huán)油泵應(yīng)具有足夠的循環(huán)流量，以便在下導(dǎo)“搶油”的情況下，推力仍有一定的油流量裕度。

另外，潤滑油溫度也不是越高越好，因為如果潤滑油油溫過高，黏度過低，必然會導(dǎo)致油膜承載能力降低，導(dǎo)致潤滑失效[4、5、6]。從多個試驗對比也可以看出，隨著油溫升高，到了相同運行時間后瓦溫是先降后升，因此實際調(diào)試過程中不能一味升高油溫，應(yīng)通過多次調(diào)整冷卻水量，觀察熱平衡后瓦溫值，來尋找最佳的油溫[7、8]。