大型軸流泵立式電機上導瓦過熱原因分析與對策

徐鷹健，王明娣，周傳福

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大型軸流泵立式電機上導瓦過熱原因分析與對策

徐鷹健1, 2，王明娣1，周傳福3

（1.蘇州大學，機電工程學院，蘇州215021；2. 常熟市長江河道管理處，蘇州215513；3. 江蘇省江都水利工程管理處，江都225200）

對軸流泵立式電機上導軸承溫度過高現象產生的內部原因和外部原因進行了較為全面的分析，并從減少徑向載荷，改善潤滑條件，提高熱交換效率著手采取改進措施，有效降低了機組運行時上導軸承溫升過高的現象，提高了機組運行的安全性，可以在很多類似場合推廣。

立式電機；上導軸承；溫度控制

0 前言

常熟海洋涇泵站作為城區引水源頭，常年頻繁運行，該泵站有兩臺TL-1000立式同步電機分別驅動兩臺開敞式軸流泵，電機采用懸吊式結構，主軸的徑向載荷由三部分承擔，水泵內部的水導軸承、電機上部的上導軸承、電機下部的下導軸承。但投運兩年來兩臺立式電機一直存在上導瓦溫度過高的問題，和同類機組相比溫度高出了20K，在長時間運行時上導瓦溫度不能穩定下來，有繼續攀升的趨勢，甚至有燒瓦的危險。

1 上導瓦過熱原因分析

導致上導軸瓦溫度持續上升不能夠穩定下來的原因很多，主要從徑向滑動軸承的以下幾個關鍵要素著手分析。

1.1 導向瓦摩擦熱分析

電機工作時，上導軸瓦的熱量主要是軸頸和軸瓦的摩擦功生成的，由參考文獻[1]徑向軸承在承載區的摩擦功耗

P=（1）

公式（1）中為軸承摩擦系數，為軸頸圓周速度，值和值在電機正常運轉油膜建立時達到流體動力潤滑以后被視為常數，故限制徑向載荷是降低摩擦功減少摩擦熱的對策之一。

上導軸承徑向載荷分析可參照文獻[2]，主要有：電機不平衡磁拉力，主軸以及主軸上轉動部件質心偏心產生的慣性離心力，還有葉輪所受的水力不平衡力。

其中主軸以及主軸上轉動部件質心偏心產生的慣性離心力一般認為在電機制造時就已經產生，而且出廠時做過動平衡試驗應視為合格，只有電機不平衡磁拉力和葉輪水力不平衡力可能是在安裝過程中產生，可以通過后期調整減輕。

1.2 上導軸承流體動力潤滑條件分析

流體動力潤滑建立的條件是軸頸與軸瓦的相對圓周運動能夠將潤滑油帶入軸承間隙并建立穩固的油膜[1]。只有在流體動力潤滑條件下才能夠降低值，從而減少摩擦功。具體到這兩臺機組的上導軸承就要求導瓦和軸頸間有適當的間隙且是收斂的，垂直于水平面的上導軸瓦能夠在瓦面上存住帶進的潤滑油。

為此我們打開油缸檢查了四塊導瓦與主軸推力頭軸頸間的間隙，見表1。

表1 導向瓦與主軸推力頭軸頸間的間隙 單位：mm

西側導瓦間隙明顯不符合標準，根本無法建立穩定的油膜，實際上推力頭軸頸和軸瓦處于半干摩擦狀態。按照文獻[3]，大中型立式機組上導雙邊間隙應該在12-16絲最為合理。

同時我們還對四塊導瓦的瓦面狀況檢查發現，四塊上導瓦雖然都經過刮研，但是由于經過兩年多運行，在抗重螺絲相對應的一側瓦面由于承重形變出現較多磨光的點，最大點直徑2mm，這些點處于瓦面和軸頸接觸的最突出位置，影響油膜的完整。

1.3 上導瓦熱平衡分析

在實際運行過程中，我們記錄了機組運行1.5h、2h、3h后幾個關鍵部件用電阻式溫度儀測得的溫升情況，如表2所示。

表2 關鍵部件用電阻式溫度儀測得的溫升情況

圖2 溫度對比圖

從表2可以看到，處于上油缸內的推力瓦溫度和潤滑油溫度相近且緩慢上升，而上導瓦溫度明顯高于油溫，因此可以由此斷定上導瓦沒能被潤滑油有效帶走熱量是溫度持續升高的主要原因。

上導軸承熱平衡的條件是：單位時間內軸承所產生的摩擦熱量等于同時間內流動的油所帶走的熱量及軸承散發的熱和[1]。用公式可表述為：

=CρqΔ+πBdαΔ（2）

式中C為潤滑油比定壓熱容，為潤滑油密度，為瓦面散熱面積，α為軸承表面傳熱系數，Δ為潤滑油溫升，這些在給定的機組中都是定值，是常數，只有q是導瓦上的潤滑油體積流量是變量，可以調節。故要達到熱平衡，使導瓦和油溫相近就要提高潤滑油體積流量。

圖2 立式電機上機架油缸內部結構

從圖2可以看到油缸內部結構，平時油缸內的汽輪機油油位加至抗重螺絲中心也就是上導軸承中心線位置，但是在運行時由于推力頭和主軸高速旋轉會帶動油液旋轉，油液此時在油缸內會向油缸壁盤升形成一個四周高中心低的旋轉拋物面，處于油缸中心的導瓦處的油位已經低于中心線位置。因此導瓦沒有充足的潤滑液膜可以冷卻瓦面。

2 消除上導瓦過熱的方法與對策

針對上述找出的幾個主要原因，我們分別采取四項措施進行技術改造。

2.1 減小電機上導軸承徑向力

根據前面分析，上導瓦徑向力主要來自電機定子磁場不平衡磁拉力，在忽略電網質量影響前提下，電機磁拉力平衡與否可以通過測量定轉子空氣間隙來衡量，其中一臺機組空氣間隙測量結果如表3所示。

表3 機組空氣間隙測量結果

根據水利部頒《泵站安裝驗收規范》（SL317-2004）標準。各間隙與平均間隙之差不應該超過平均間隙的10%，從表1中可以看到上部間隙超出了標準，因此給上導瓦帶來了額外的徑向載荷。而葉輪所受水力不平衡力對于開敞式軸流泵來說主要取決于葉片安裝角度，經檢查葉輪四片泵葉安裝角度均為-4°，符合安裝標準。我們對電機擺度進行了調整，對主軸中心和電機轉子中心重新定中，使得磁場中心處于轉動部分幾何中心，減少了上導瓦的徑向載荷。

2.2 調整上導軸瓦間隙

將四塊上導瓦的雙邊間隙調整到0.12~0.16mm，單邊間隙也調整到0.04~0.08mm范圍之內；在上導瓦進油一側刮出深0.5mm、寬10mm的楔型進油邊，使得潤滑油能夠隨著主軸旋轉時帶入軸瓦和軸頸間隙內，如圖2所示，對上導瓦重新刮研，使刀花在順主軸旋轉方向斜向上45°排列，這樣一方面可以讓油液在軸瓦表面留存更長時間，另一方面能夠增加軸瓦和軸頸的接觸點數量，還能讓下面的油液向上流動。

通過這幾項改進措施，我們對機組進行了試運行，對比改進后的上導瓦溫度發現效果還是比較明顯的，起動3小時后溫度上升趨緩，比改進前低了4℃。但這還沒有達到我們的預期。

2.3 改善熱交換條件

為徹底解決導瓦過熱問題，我們在油缸四周導瓦中心線高度焊上了一圈不銹鋼擋油環，并且在導瓦環形瓦架上中心對稱地鉆出了12個25的小孔，使得甩出去的油經過外面冷卻器的冷卻后還能沿前述的油層旋轉拋物面流回油缸中部的導瓦。改造后實際運行發現效果顯著，比改造前降低了10℃，達到了預期效果。

圖2 導瓦面上的油槽

3 結語

從本次導瓦溫度控制改造中可以看到，在考慮導致立式電機上導瓦過熱的因素中主要還是從滑動軸承摩擦熱生成原理入手，從機組本身的安裝質量，零件工況著手，消除主觀因素；再從外部因素即提高散熱效率進一步改善導瓦工作環境。立式同步電機上導軸承過熱不僅在水力機械上存在，在大型空壓機、礦場球磨機、電廠水輪發電機組上都會出現，因此希望本文能夠給這些領域也帶來一些積極意義。

[1] 邱宣懷, 等. 機械設計. 第4版[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997.

[2] 仇寶云. 大型立式軸流泵導軸承載荷分析計算[J]. 農業機械學報, 2001(1), 58-61.

[3] 中華人民共和國水利部[S]. 泵站安裝及驗收規范, 2005.

The Causation and Countermeasure of Superheating of Radial Bearing of Large Vertical Pump Unit Electric Motors

XU Yingjian1,2, WANG Mingdi1, ZHOU Chuanfu2

(1. Soochow University, Suzhou 215021, China;2. Yangtze River Management Office, Changshu, Suzhou 215513, China;3. Water Project Management Office,Jiangdu,Yangzhou225200,China)

The internal and external causation of superheating of radial bearing of large vertical pump unit electric motors were analyzed. On the basis of the analyses, three counter-measure of superheating were introduced. The results indicate that by means of lightening the radial load, improving the condition of lubrication, improving the efficiency of heat-exchange were available. These countermeasures can be generalized in many occasions.

vertical motor upper journal bearing temperature control

TM301.4+1

A

1000-3983(2014)04-0010-03

2013-06-05

國家自然科學基金資助（51205266）

徐鷹健（1982-），2004年7月畢業于南通大學機械工程及自動化專業，蘇州大學機電工程學院工程碩士研究生在讀，現從事水利工程大型泵站安裝和運行管理工作，工程師。

審稿人：吳軍令