大型水輪發電機推力軸承外加泵外循環冷卻技術

李明宇，武中德，吳軍令

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

0 前言

對于大型水輪發電機，冷卻技術對推力軸承的性能有著非常重要的影響。

在哈爾濱大電機研究所的 3000t推力軸承試驗臺上，進行了外加泵外循環冷卻方式的1000MW級水輪發電機彈性金屬塑料瓦推力軸承試驗，2012年進行了外加泵外循環冷卻方式的溧陽雙向巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦推力軸承試驗。

本文介紹了大型水輪發電機推力軸承外加泵外循環冷卻技術，分析了推力軸承瓦冷卻技術特性。對大型水輪發電機推力軸承的外加泵外循環冷卻技術設計提出了建議。

1 外加泵外循環特性

對外加泵外循環系統，在油的循環回路系統中外加一組互為備用的電動油泵，作為循環動力，由冷卻器、濾油器、壓力表、流量顯示器和閥門等元件組成，如圖1和圖2所示。潤滑油在油槽內部可采用瓦間噴管結構或瓦間隔板結構進行潤滑。外加泵外循環系統對外部管路和元件的阻力要求不高，適用于大負荷、低速推力軸承。

（1）瓦間噴管結構。進、出油環管布置在油槽內。在進油（冷油）環管上按瓦數布置帶有小孔的噴油管，冷油直接噴入瓦間鏡板面或瓦的入油邊進行潤滑冷卻。在出油（熱油）環管上布置吸油管，將熱油吸走，進入冷卻器，重復循環。適用于一般負荷的推力軸承。

（2）瓦間隔板結構。將隔板插入兩瓦之間并與鏡板平行，其與鏡板面之間形成一個徑向通道。該結構油槽中必須設隔油板，將油槽分成上、下兩腔。上部腔為熱油區，下部腔為冷油區。但必須采用連通管將冷油區的一部分油引到穩油板上方，以改善軸承運行條件。根據情況，也可將進、出油環管布置在油槽外部。此結構適用于大型或超大型推力軸承。

龍灘、官地、溧陽等是采用外加泵外循環冷卻的典型機組。

推力軸承的外加泵外循環冷卻方式，冷卻器、泵、油過濾器及相應閥門等均應100%備用，故障時可自動切換到備用管線工作，并發出報警信號，以保證油循環系統的可靠運行。

相對于內循環冷卻方式，外加泵外循環冷卻方式的油泵及油循環的控制設備結構復雜，設備投資比內循環的大，管路部件多，管理維護不便。但其優點是拆卸推力瓦不需拆卸冷卻器，且油冷卻器、推力軸承檢修相對便利。單個冷卻器可拆卸維修，不影響其他冷卻器的使用。

2 循環冷卻計算

潤滑冷卻的油量，包括油槽和管路及冷卻器中的所有用油，其最少要保證推力軸承斷水運行（巴氏合金瓦15min，塑料瓦20min）的要求。

圖1 外加泵外循環冷卻結構示意

圖2 外加泵外循環冷卻系統

外循環的油和水的流量根據軸承損耗確定，計算公式如下：

式中，Q（L/min）為流量，P（kW）為軸承損耗，ΔT（K）為循環油（水）溫差，C（cal/kg/K）為油（水）比熱，ρ（kg/m3）為油（水）密度。

對于循環油，ΔT=5～10 K，對于冷卻水，溫差可取油溫差的1/2。油泵電機的功率：

式中，F（kW）為電機的功率，ppump為泵壓力，0.6MPa，μ為泵和電機的效率。

3 試驗測量結果

試驗軸承基本參數見表1。試驗模型比例1:1，模擬軸承的實際運行狀態。

表1 推力軸承基本參數

多波紋彈性油箱支撐結構（軸承1）的塑料瓦推力軸承采用外加泵外循環冷卻方式，額定工況下，油溫37.9～39.2℃＜ [50℃]（表2），推力瓦溫度 48.3～50.6℃＜ [60℃]（RTD），推力瓦間溫度差 2.3K ＜ [5K]，瓦面溫度 79.9℃＜ [90℃]。

單波紋彈性油箱支撐結構的（軸承2）巴氏合金瓦推力軸承在額定工況下，油溫 34.1～36.3℃＜ [50℃]（表3），推力瓦溫度 71.2～74.6℃＜ [75℃]（RTD），推力瓦間溫度差4.4K＜ [5K]，瓦面溫度81℃＜ [90℃]。

單波紋彈性油箱支撐結構的（軸承2）塑料瓦推力軸承在額定工況下，油溫28.2～33.5℃＜ [50℃]（表4），推力瓦溫度41.6～44.8℃＜ [60℃]（RTD），推力瓦間溫度差 3.2K＜ [5K]，瓦面溫度 51℃＜ [90℃]。

試驗軸承的油溫和瓦溫符合相關規范。油槽內沒有明顯的冷熱油區域，說明外加泵外循環的油溫分布合理，冷卻效果較好。

表2 油槽內油溫

表3 油槽內油溫（℃）

表4 油槽內油溫（℃）

4 結論

推力軸承采用外循環或內循環潤滑冷卻，其效果相近，可根據推力軸承負荷的大小、轉速高低等進行選擇。內循環冷卻、鏡板泵、導瓦泵和外加泵外循環冷卻均有一定的優點，它們都是大型水輪發電機推力軸承可選用的潤滑冷卻方式之一。

采用外加泵外循環冷卻方式的試驗結果表明，采用油槽內瓦間隔板結構合理，冷卻器的容量選擇適當。

大型推力軸承采用外加泵外循環冷卻方式是安全可靠的。已在龍灘、官地、溧陽等機組上采用。

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