軸流式水輪機轉輪無油潤滑設計方向

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軸流式水輪機轉輪無油潤滑設計方向

[瑞典] H.林德索約等

隨著環保意識和環保要求的不斷提高，在水輪機轉輪中使用潤滑油的方案逐漸被取代。討論了軸流式水輪機轉輪無油潤滑技術的設計方向，并指出軸承材料的選擇對避免軸流式水輪機出現高周疲勞問題很關鍵。

無油潤滑技術；軸承材料；軸流式水輪機

卡普蘭在100 a以前發明了轉輪葉片可轉動的軸流式水輪機。一直以來，轉槳式轉輪的機械設計通過利用當時的最佳技術不斷得以改進。傳統的轉漿式水輪機轉輪葉片由金屬軸承和調節機構及液壓調節器操作。這些轉輪輪轂里充滿了油，以達到防腐蝕并潤滑葉片軸承和調節器滑動部件的目的。

然而，油和河水之間的單層密封在動態條件下(例如瞬態下葉片負荷變化時的旋轉和平移)工作時，也會有面臨環境風險的可能。隨著環境意識的提高，相關標準的實施，如ISO 14000(要求不斷改進環境影響)，且在許多國家立法要求使用“環境友好產品”，從而刺激了轉輪從充油到無油的技術轉變。自20世紀70年代末起，在一大批小型標準水輪機積累到經驗后，當前的無油轉輪的設計理念最初在斯堪的納維亞得到發展，該地區以湖泊和河流水質達到飲用水標準質量而聞名。現代嵌入式潤滑軸承材料的出現使這種發展成為可能。基于獨立調查員和供應商的廣泛內部測試和分析，以及大量現場應用的反饋和經驗，最終先進的軸承理念脫穎而出。

目前，世界范圍內軸流式水輪機轉輪穩定運行30多年以上的案例有180多個，其中使用先進軸承設計理念的最新一代轉輪有70多個。湄公河上新建成的沙耶武里(Xayaburi)水電站就是實例之一,該水電站7臺軸流式水輪機轉輪直徑均為 8.6 m，表明轉輪無油潤滑技術在國際上的突破。

1 水輪機無油潤滑技術的發展

1980年安德里茨水電公司在瑞典的達爾斯蒂加(Dalstuga)水電站首次采用了軸流式水輪機無油潤滑技術。這一時期的轉輪都很小，在中等水頭下運行。輪轂的設計也很簡單，葉片沒有任何密封。某些情況下，輪轂甚至與外界直接接觸，并有淡水在里面循環。伺服電機安裝在機組的頂部，輪轂的傳動軸由軸系的拉桿相連接。幾年后，位于奧地利的林茨辦公室設計出第一臺無油潤滑水輪機。第一代無油轉輪水輪機共交付了大約90臺，直徑 0.67～3.8 m，適用水頭范圍為 1.9～34.9 m。

無油轉輪的進一步發展始于20世紀90年代(第二代)，并在21世紀初得到加速發展(第三代)。二代轉輪是邁向帶有輪轂伺服電機全尺寸、高級轉輪的重要一步，其他特點也與現代轉輪類似。二代轉輪系列直徑 1.25～3.7 m，適用水頭為11～43 m，典型例子為用于羅特衲(Rottnen)水電站的水輪機。20世紀90年代末和21世紀初，無油轉輪在芬蘭的坦佩雷(Tampere)和瑞典的克里斯蒂娜港(kristinehamn)得到新發展。同時，在之前提到的其他地區，無油轉輪技術也得到持續發展。第三代無油轉輪直徑高達 7.5 m(沙耶武里水電站設計中得到再次突破，直徑達 8.6 m)，適用于水頭高達51 m的全尺寸高端設計。機組更新改造也促進了這類轉輪的發展。約有20個充油轉輪案例運用多個設計理念及幾何層次的改造方案，被重新設計成無油轉輪，從而開啟了無油轉輪新的設計空間。

安德里茲水電公司收購GE水電(那時同時包括坦佩雷和克里斯蒂娜港設計)和瓦普蘭斯(Waplans)公司后，對這些設計理念進行了整合。在此過程中，該公司投入巨大精力收集、分析并記錄了其不同的設計理念、背景及所有經驗。最終得到一系列的設計指導方針，包括轉輪輪轂的設計，更具體地說是如何使用復合軸承來完成其設計。

從總體數量統計看，第三代軸流式水輪機無油轉輪大約有90個，其中超過70個轉輪配備當今先進的復合軸承材料，一些轉輪無故障下運行已超過10 a。

2 功能要求

與大多數成熟的機械設計一樣，軸流式水輪機轉輪的設計要在有限的空間與所需功能中進行權衡。轉輪轂比、水力性能和成本之間的平衡最為重要。對于一臺新的水輪機，轂比越小轉輪直徑便越小，進而縮小水輪機的整體尺寸，最終降低土建工程成本。在改造工程中，轂比越小，空蝕性能越好，水輪機也能排出更多的水。在某些情況下，這會直接影響到項目的可行性。

然而，減小轂比會影響轉輪的機械性能。如果一個給定設計的轂比減小了(通過縮放所有的幾何參數)，無疑會導致應力升高、接觸壓力升高、變形增大、疲勞壽命縮短以及磨損加劇。即使一開始似乎是危言聳聽，但反應卻是直觀的。現代分析顯示現有高輪轂比轉輪的剩余疲勞壽命超過1 000 a，這提供了一些權衡疲勞壽命與輪轂比的思考方向。若是以降低液壓性能或增加投資成本為代價，1 000 a的壽命便沒有任何收益。

以下對那些影響到疲勞壽命、磨損期限和功能安全的參數進行討論。這些參數大多數在無油或是充油轉輪輪轂設計中都保持一致。主要的區別在于，使用無油輪轂時，需從疲勞分析方面考慮輪轂環境對裝置的腐蝕性，這也需要提高疲勞分析的精確度。

2.1 磨損壽命

磨損與磨損行程、表面壓力和磨損系數相關。磨損行程主要取決于水輪機轉輪的運行特性，而表面壓力卻是由外加負載和輪轂的幾何形狀決定的。磨損系數主要取決于軸承材料，盡管滑動速度、表面光潔度和表面壓力也會帶來一定的影響。

為了一次調頻有效，轉輪操作機構的快速響應至關重要(反應慢意味著轉輪葉片和導葉之間的結合將脫離組合曲線，導致功率飽和)。因此，運行方式對給定水輪機的磨損壽命有著巨大的影響。研究表明，相較于水位控制，一次調頻會導致磨損壽命減少約20倍。自動二次調頻(負載頻率控制或類似)將導致高的，甚至可能更高的磨損率。這些磨損期限的變化是磨損行程參數變動導致的結果：調節越多，磨損行程越長。

表面壓力參數會受轉輪輪轂設計的影響，因此可以通過巧妙的機械設計來延長磨損壽命。增加輪轂比及/或優化輪轂的幾何結構可以降低表面壓力(減少磨損)。

增加轂比將直接影響到液壓性能和成本之間的權衡，因此在規格設計階段就考慮這些是非常重要的。如果該水輪機不用于高頻調節(例如一個徑流式體系中不允許這樣調節)，在確定產品規格時應明確此點。調節周期越短(調節越少)，應用的轂比則可較小，這樣就可降低新水輪機的成本及(或)增加升級改造水輪機時的最大排水量和相應的輸出功率。另一方面，若升級改造時無法通過增加水輪機排水量及輸出功率來獲利，那么就延長該水輪機壽命則會取得更高收益。

轉輪輪轂幾何結構的優化同樣是一個需要權衡的問題。優化軸承壓力某種程度上是平衡內外葉片軸承和葉片推力軸承之間的負載問題。甚至鏈接運動、杠桿方向(領先或落后于旋轉方向)及轉輪葉片的轉矩特性都會影響軸承壓力。此外，疲勞壽命和功能安全之間有一個折中方案。對于給定轂比的轉輪增加其外軸承直徑(以減少軸承表面壓力)將導致高應力區域材料減少，進而影響疲勞壽命和裝置變形。尤其對于一些軸承材料來說，過度的變形會降低功能安全性(軸承箱的橢圓化可能導致葉片軸夾緊)。由此可得，表面壓力并不是唯一的優化目標。變形、應力和疲勞壽命都需考慮在內，要想得到一個好的設計，需要適當平衡這些參數。

盡管如此，輪轂的幾何形狀和輪轂比并不意味著能完全恢復磨損壽命和修復一次調頻帶來的影響。輪轂幾何形狀及輪轂比的影響比水輪機運行模式帶來的影響小一個數量級。然而，由于磨損系數在磨損中起到更大的作用，就需要對軸承材料性能有深入徹底的研究。有專家認為常用的軸承材料之間存在高達50倍的磨損率差異。由此可知，選擇合適的軸承材料時，磨損特性是一個非常重要的參數。

2.2 疲勞壽命

軸流式水輪機輪轂設計中的主要問題是高周疲勞(應力遠低于材料的屈服點)。高周疲勞壽命主要受平均應力、應力振幅和材料性能的影響。

在軸流式水輪機輪轂中，應力振幅的主要來源為轉輪葉片驅動機構的摩擦帶，主要取決于外徑向葉片軸承和葉片推力軸承。此外，根據運行調控模式，轉輪葉片的轉矩特性也是影響因子。

由于水輪機轉輪輪轂的內部環境要考慮到腐蝕性，材料沒有疲勞極限。因此，轉輪必須設計有一定量的負載周期。負載周期的數值高度依賴于水輪機的調節模式以及水輪機調速器參量和定位反饋系統的質量。研究表明，將水位控制轉換成一次調頻可以使負載周期的數值增加50～100倍。安德里茨水電公司在各國水輪機采取的措施(不同的調速器、調節策略和圖格編碼)表明，考慮初始調頻確定維度時， 40多年中總共1 000萬個調節周期(685周期/d或大約每兩分鐘一個周期)是合理并略顯保守的標準。

2.3 功能安全

對于功能安全，有幾個重要的因素。其中需要重點考慮的是輪轂的變形及其內部組件。無油潤滑輪轂上遇到的一些功能性問題被歸于外葉片軸承孔的橢圓化，這在軸承表面上增加了法向力，從而增加了40%的摩擦力矩。自潤滑金屬軸承似乎對這種現象更為敏感，而復合軸承似乎在這方面顯得承受力更強、更可靠。在任何情況下，必須對這種現象進行評估，特別是對于高負載的輪轂。

如圖1所示，箭頭代表耳軸與軸承之間的接觸法向力向量，陰影部分表示無任何接觸。分析始于非常高的所需作用力，經分析計算該力遠高于預期。外軸承是一種自潤滑金屬軸承，其顯然來自a點所指的接觸壓力。只有在軸承中邊緣和最初的幾毫米這樣很小的一部分，才會和耳軸接觸且接觸壓力峰值很高。因動輪轂的橢圓化，其接觸角大于180°；從b點可以看到，因軸承傾斜，接觸面從軸承c外轉移到內。同樣，葉片推力軸承的接觸角就很小(見d點)。

圖1 轉輪葉片軸承上的表面壓力與法向力示意

雖然使用的軸承材料的摩擦系數相對較高，但這還不足以解釋高測力的原因。有限元(FE)分析常常用來研究由動輪轂、軸承、耳軸和杠桿組成的耦合模型，這能闡明研究結果。輪轂橢圓化引起法向力大幅增大，導致測得的力很高。因不可能更換新輪轂，為此應踐行安德里茨水電軸承理念，即優化軸承間隙以減輕畸變造成的影響。至今轉輪已經運行了18個月，測力與計算值一致且運行正常。值得一提的是，該轉輪是克里斯蒂娜公司開發的轉輪組(合計17個轉輪)的一部分，但安德里茨水電公司不再運用轉輪組相應的軸承設計理念。

此外，功能的安全性必須通過反復運用已認可并得到測試的設計理念來增強。在新理念提出的情況下，需要進行徹底分析并格外關注設計評審。問題往往發生在微小的細節部分，故應特別關注像套管固定、密封設計、螺栓鎖系統等細節。重要的是要建立一個完善的并以以往經驗和分析為基礎的設計評審程序，這就離不開堅實而廣泛的文獻研究。

轉輪輪轂的裝配和工廠驗收測試(FAT)對功能安全也意義重大。詳細記錄、經過驗證的工作流程和操作指令，以及在最終安裝前對所有部件和組件的逐一核查，均會起到事半功倍的效果。

腐蝕是另一個可能影響功能安全的參數。因此，設計針對碳鋼部件的防腐系統時應在材料的選擇上多下功夫。輪轂內部環境的腐蝕性可通過水脫氧(是否使用化學品)或用阻蝕劑得到緩解。然而，還應關注其最終會不會產生預料不到的后果，如是否會對材料性能產生負面影響，或者是否會引入帶來環境問題的新化合物。依靠材料的選擇及最終向水中注入添加劑，可能是輪轂無保護碳鋼表面腐蝕減少的原因。如果使用復合軸承材料，供應商必須使用一致的質量檢驗程序。莫斯等研究者的匯總報表已被安德里茨水電公司作為這方面的參考框架之一。該公司軸流式水輪機無油潤滑轉輪新技術應用中的幾次失敗，可以歸因于不同批次軸承材料間的差異。在實驗室測試期間，該案例中使用的材料，表現出良好的抗摩擦性(在此特定案例中，因某種原因顯示其為最重要的因素)，并在實際應用中也表現良好。然而，卡頓等描述的項目中提供的軸承性能不及先前所測試的軸承，供應商將一些原因歸結于分包商更換了部分軸承材料。由此帶來的過多摩擦和磨損，導致轉輪在調試后幾天內就出現了故障。不過，向安德里茨水電公司提供軸承材料的供應商可以通過破壞實驗來評估各批次軸承材料的差異。此外，軸承的質量證書和質保證書正成為最終文件的一部分。

3 軸承的選擇標準

從上述列出的功能要求(磨損壽命、疲勞壽命和功能安全)可以明顯看出，永久潤滑軸承的性質和性能對輪轂整體性能的發揮極其重要。因此，關于軸承選擇適宜標準的討論必不可少。

如上所述，摩擦系數和磨損系數是影響轉輪輪轂機構壽命長短的主要參數。因此很顯然，在這兩者之間進行折中是非常重要的：低摩擦高磨損率沒有任何意義，反之亦然。選擇軸承材料最重要的標準如下：①摩擦系數；②磨損系數；③水內溶脹；④組裝后的切削加工性能；⑤彈性模量。

此外，擁有一個高度專業化、高質量標準的供應商是極其重要的。

3.1 摩擦系數

摩擦系數影響伺服電機的尺寸(這影響輪轂的最小可能直徑)、輪轂組件的靜態尺寸和疲勞壽命(通過摩擦帶)。只要不給磨損壽命帶來負面影響，優先選擇盡可能低的摩擦系數。避免選擇有粘滑運動傾向或隨著時間推移摩擦系數往不可預測方向發展的軸承材料也很重要。

軸承材料首選PFTE，配合使用其他降低摩擦的化合物。它們表現出合理的低摩擦性(在實際應用時，扁平試樣ft標準值低于 0.1)。這一點已被專業測試裝置室內測試證實。此外，不管是在調試中或是運行一段時間之后，安德里茨水電公司通過現場測量均完成了系統層面的連續確認。此確認過程的目的是跟蹤評估軸承材料的性能發揮并更新模擬輪轂機械運動和摩擦的室內開發工具。軸承材料的選擇經過了反復的測試和監測。

實驗室測試和現場測量的結果均未顯示出粘滑運動的問題。實驗室測試結果表明，摩擦力隨時間變化，且摩擦系數受表面壓力的影響，最初運行過程中這些現象反復出現。摩擦系數隨時間增加而減小，隨表面壓力的增大而減小。這些觀察結果都可以解釋為潤滑劑從軸承材料到軸承表面的與壓力有關的擴散過程，這是復合型軸承的特性。

3.2 磨損系數

磨損系數明顯影響輪轂的磨損壽命。除了磨損系數外，磨損壽命也受輪轂設計和轂比的影響。模擬運行中軸承的磨損壽命相當困難。最近取得的進展已更好地詮釋了磨損過程以及磨損對軸承摩擦轉矩的影響。目前主要的選擇標準就是找到磨損性能優于油潤滑青銅軸承的材料，這是軸流式水輪機轉輪傳統的解決方案。

相比油潤滑青銅材料，所選軸承材料的磨損系數相對較低。該材料也顯示出與其他典型自潤滑軸承材料相似或更低的磨損系數。內部測試(上述提到的試驗裝置)、獨立測試人員以及軸承供應商都核實了這一點。最近，2個輪轂在運行多年后被拆除，軸承的磨損已被測量，與預期磨損一致。

波爾尤斯(Porjus)水電站的水輪機U9(波爾尤斯水電站研發機組之一)自1999年開始運行。運行的前幾年里，測試了各種輪轂軸承材料的壓力壽命。盡管這臺水輪機的軸承高負荷運行，但所有軸承材料測出的磨損結果都非常適度。因為U9測試材料的磨損系數相接近或不及安德里茨水電公司選擇的材料，波爾尤斯U9的測試支持了安德里茨水電公司的選擇。

3.3 水內溶脹

水內溶脹明顯威脅到軸流式水輪機輪轂的功能安全。溶脹使軸承間隙減小，從而導致摩擦扭矩的大幅增長，而這種影響容易使轉輪葉片無法啟動。不管轉輪充水還是干燥，這項標準都十分重要。即使所謂的“干”的輪轂，也會常常有水滲漏至輪轂內。因為離心力的作用，這些水會被強制帶至輪轂外殼，而外軸承正設置在此處。因此，即使有少量的水進入輪轂，外軸承也會很潮濕。由于從摩擦轉矩角度來看，外軸承是最關鍵的部位，選擇防水的特別是溶脹特性突出的軸承材料很重要。安德里茨水電公司選擇的軸承材料在水中顯示出的溶脹特性很輕微甚至可以忽略。

3.4 組裝后的切削加工

安德里茨水電公司針對高端、大型軸流式水輪機輪轂的設計方案是軸承與轉輪輪轂相匹配后再進行加工。其目的是為了將軸承間隙控制在一個狹窄的范圍內，并確保軸承之間正確排列。所有這些因素對轉輪輪轂的功能安全都至關重要。所選擇的軸承材料非常適合用于適配后加工，且不需任何特殊工具或措施。

3.5 彈性模量

至于軸承材料的彈性模量，關鍵是選擇金屬基體軸承(彈性模量較高)還是復合或塑料軸承(彈性模量較低)。這代表了設計原則的重大抉擇。低彈性模量和高彈性模量軸承在設計上有巨大的差異，其實用性還需重新評估。

安德里茨水電公司已經選擇使用彈性模量比鋼低得多的復合軸承。設計復合軸承意味著接受其存在變形現象的事實，而并不是試圖消除這些變形，實際上這是一個控制和平衡變形的問題，以達到優化疲勞壽命、磨損壽命和功能安全的目的。其明顯優勢在于，可降低軸承接觸面的壓力峰值，更可能實現軸承之間負荷、高過載容量和邊緣壓力不敏感的平衡。基于經驗，轉輪機械設計中，復合軸承在應對負載的不確定性和可變性以及制造精度等方面都比金屬軸承更有優勢。這方面的經驗來自多年來不同軸承設計理念的實現，以及一些意外事件。除了卡頓等提到的材料問題外，安德里茨水電公司還從未遇到過因低彈性模量軸承導致的轉輪問題。對于自潤滑鋼鑄的軸承，與那些主要因鋼鑄軸承導致的功能欠缺的案例不同，其經常伴有軸承箱(常存在于軸流式水輪機轉輪中而與軸承材料的選擇無關)的變形問題。

4 結 語

對于高端軸流式水輪機轉輪的機械設計，需解決以下3個問題：磨損壽命、疲勞壽命及功能安全。

這些問題與客戶價值、成本、環境性能及可維護性同等重要。實現這些價值的關鍵因素是軸承材料的選擇。安德里茨水電公司已在軸流式水輪機無油轉輪中選擇了特定的復合軸承材料。應用這一理念運行了十幾年的70多個新型轉輪及20多個經更新改造的轉輪已達到非常好的效果。

軸流式水輪機無油潤滑轉輪技術已得到應用，且是當今用于軸流式水輪機轉輪最環保的技術。

劉布谷劉可薇譯

(編輯：朱曉紅)

TV73

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2017-03-02

1006-0081(2017)09-0041-05