取消傳統冷卻器的水導軸承在改造電站中的應用

沈 丹，楊希華，李國慧

(浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 電站簡介

格拉夫納亞水電站位于塔吉克斯坦南部哈特隆州境內，距離首都杜尚別、哈特隆州府庫爾干秋別約110、11 km，是瓦赫什河流域上9座梯級水電站的第7級，裝機240 MW。1964年由前蘇聯建成投運，經過50多年的運行，機組、電氣、閘門、起重等設備以及土建、監測等設施已經大量老化、損壞，運行極不穩定，局部功能失效，急需整體全面的技術改造。

該電站1、2、5號機組于2016年底開始改造，至2018年10月28日，首臺機組(5號機)順利完成72 h試運行，正式投入商業運行。改造后，該電站的主要參數如下所示(見表1)。

表1 電站改造后主要參數

2 水導軸承設計方案

改造前，該電站水導軸承采用抗重螺栓支撐的分塊瓦水導軸承[1](見圖1)。這種結構對安裝要求較高，安裝不細致或機組不穩定運行時間過長，會造成支撐螺栓頭部損壞及支持座變形。同時，頂瓦螺栓與軸承體之間用螺母固定，運行中易松動，致使軸瓦間隙變化，影響主軸擺度。檢修時抱瓦及間隙調整均需要采用大錘作業的方式，工作量大且存在一定的安全隱患。上述問題會造成主軸擺度過大及軸承瓦溫過高，影響機組安全穩定運行，并增加了檢修和維護成本[2]。冷卻方式采用內置油冷器冷卻和自然循環冷卻相結合的方式[3]。機組運行時，軸承體內熱油被旋轉的主軸軸領泵出并沿回油管流入外油箱。該油箱設置在支持蓋中，外油箱中內置油冷卻器，通過油冷卻器交換熱量，降低潤滑油溫度；同時外油箱與支持蓋設計為一體，熱油亦可與流道內水實現熱交換，使熱油冷卻。

塔吉克斯坦是一個多山國家，高山常年被積雪和冰覆蓋。電站控制室室內最高氣溫不超過30 ℃，瓦赫什河水溫最高不超過17.6 ℃，改造時可以利用環境溫度優勢，考慮自然循環冷卻。該電站推力軸承采用頂蓋支撐方式[4]，改造時充分考慮水導軸承、主軸密封檢修的空間需要，必要時主軸結構可不設軸頸。

改造后，水導軸承采用不帶冷卻器的畢托管筒式瓦結構，由軸承蓋、軸承座、軸瓦、轉動油盆、畢托管等主要部件組成。軸瓦基體材料采用ZG270—500，瓦表面離心澆鑄巴氏合金(見圖2)，冷卻方式為自然循環。主軸轉動時，轉動油盆中的潤滑油在離心力的作用下形成邊緣高、中心低的狀態，即旋轉的下油盆使軸承體的進油口(畢托管進口)處獲得靜壓力，油便通過畢托管到達上油盆，進入水導軸承瓦與主軸的間隙流回到旋轉油盆，循環往復。水輪機運行時，油槽中的熱油通過轉動油盆、軸承座、軸承蓋等與軸承周圍空氣實現熱交換，軸承周圍空氣通過支持蓋與流道中冷水實現熱交換，這樣使油槽中的熱油與流道中的冷水間接實現了熱交換，使油溫維持在合理的溫度。

圖1 改造前的水導軸承結構

3 相關計算

3.1 軸承基本參數

主軸直徑D為975 mm，轉速nr為125 r/min，飛逸轉速nf為340 r/min，環境溫度T環為30 ℃，軸承損耗P1(正常運行)為2.85 kW，軸承損耗Pf(飛逸)為11.7 kW，飛逸時間t為3 600 s，轉動油盆外側盆壁直徑D1為1 750 mm。

3.2 自然循環的水導軸承油溫計算

水導軸承的溫度狀況是從熱平衡計算得到的。熱量產生于軸承損耗P，并通過對流的方式耗散，即先通過熱傳導和軸承座內潤滑油的循環，然后通過軸承座的表面以輻射和對流的方式傳遞到環境中[5]。

(1)正常運行時

根據公式：P1=kA1×A1×ΔT1/103+kA2×A2×ΔT1/103

由公式變形可得：ΔT1=P1×103/[(kA1×A1)+(kA2×A2)]

經計算：ΔT1=16 ℃，油溫為：T=T環+ΔT1=46 ℃<55 ℃，滿足要求。由此可知，在沒有冷卻器的情況下，機組可以安全運行。

(2)飛逸工況

假定飛逸后油溫為Tf，則：

軸承摩擦損失(kJ)：Ebear=Pf*t

油吸收熱量(kJ)：Eoil=Cpoil×ρoil×Voil×(Tf-T)

金屬部分吸收熱量(kJ)：Esteel=Cpsteel×ρsteel×Vsteel×(Tf-T)

自然對流散熱Eth,amb(kJ)：Eth,amb=[kA1×A1×(Tf-T環)×t+kA2′×A2×(Tf-T環)×t]/103

式中，Cp為比熱容；ρ為密度；Voil為油的體積；Vsteel為導熱金屬的體積；kA2′為轉動部件平均對流換熱系數。

根據能量守恒定律可知：Ebear=Eoil+Esteel+Eth,amb

經計算：Tf=62 ℃<65 ℃，滿足要求。由此可知，在沒有冷卻器的情況下，機組飛逸時，軸承仍可以安全運行。

4 水導軸承取消油冷卻器的優點

改造后的水導軸承不設置油冷器，不需要冷卻水，整個油循環在單一環境中完成，避免油中出現過多水份或其他酸性物質，使油品乳化，影響潤滑性能，造成燒瓦事故。

冷卻器裝置的取消，不僅省去了1套冷卻水銅管裝置，而且省去了1套冷卻水系統，包括管路、壓力表、壓力開關、示流信號器、水力旋流器及相應的機組在線監測系統和設備，及上述設備日后的維護費用等。

5 結 語

格拉夫納亞水電站5號機自投入運行至今，經過近2年的運行和觀察，水導軸承瓦溫長期穩定在42～45 ℃，與計算相近，瓦溫十分理想，得到了業主和監理的一致好評。此次水導軸承取消傳統冷油器的成功實例，既降低了制造和維護成本，取得了良好的經濟效益，又為日后其他類似電站改造提供了一定的借鑒和依據。