大型水輪發電機推力軸承熱邊界層隔離降溫技術及工程應用

鐘海權，歐陽寧東，楊培平

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

水輪發電機推力軸承工作時，軸瓦順轉向與鏡板形成楔形間隙，冷油在旋轉鏡板的帶動下從楔形間隙的大口側進入，從楔形間隙的小口側流出，又進入下一塊瓦的楔形間隙，并在鏡板工作面與軸瓦工作面之間形成用于承載載荷的油膜。油在經過鏡板摩擦后會變熱，由于油的黏附作用，鏡板工作面通常附著一層厚度小于1mm 的熱油，溫度遠高于油槽油溫，該薄層內溫度梯度很大，稱為熱油邊界層[1]，是推力軸承固有的。熱油邊界層，提高了軸承的工作油溫，降低了軸承的承載能力，軸瓦容易損壞。

本文分析了熱油邊界層對推力軸承性能的影響，介紹了熱油邊界層隔離降溫技術的原理、熱油隔油裝置[2]的結構及工程應用效果。模擬試驗和工程應用結果表明，熱邊界層隔離降溫裝置（以下簡稱熱隔裝置）能夠明顯提高推力軸承承載能力、降低運行瓦溫約5K 以上。

1 推力軸承熱油邊界層隔離降溫技術的原理

1.1 推力軸承瓦間油流一般特點

水輪發電機推力軸承一般由轉軸、鏡板、軸瓦和支撐件等組成，轉軸與鏡板固定連接用于帶動鏡板轉動，軸瓦為多個，分布在轉軸四周，且軸瓦傾斜設置在鏡板的工作面下方，并順轉向與鏡板形成楔形間隙，楔形間隙的大口側為進油端，楔形間隙的小口側為出油端，軸承支撐件固定在油槽內。

推力軸承工作時，冷油在旋轉鏡板的帶動下從楔形間隙的大口側進入，從楔形間隙的小口側流出，并在鏡板工作面與軸瓦工作面之間形成用于承載載荷的油膜。但在相鄰兩塊軸瓦中，由于前一軸瓦的出油端為后一軸瓦的進油端，而油在經過鏡板摩擦后會變熱，這就導致會有部分熱油附著在鏡板工作面，并在鏡板的帶動下進入下一軸瓦與鏡板之間，提高了軸承的工作油溫，降低了軸承的承載能力（如圖1 所示）。

圖1 推力軸承瓦間油流示意圖Figure 1 The oil flow between thrust bearing segment

在實際使用過程中，為了減少前一軸瓦進入后一軸瓦的熱油量，通常采用增大瓦間距離的方式，其效果非常有限。為了保持合適的比壓，只好增大推力軸承的尺寸，不僅導致推力軸承的空間占用面積增大，還導致整個推力軸承的制造材料和成本增加。

特別是抽水蓄能機組的雙向推力軸承，轉速達300 ～500r/min，單純地增大推力軸承的尺寸，還將導致攪拌損耗和總損耗大幅增加，降低機組效率、增加潤滑油內部的氣泡、增加油槽周邊的油霧。

1.2 速度邊界層數學模型

在緊貼鏡板表面附近有一層油，速度梯度很大，顯著地受到黏性的影響，稱為速度邊界層。在速度邊界層內，鏡板表面上流速為最大值，距離鏡板越遠，速度趨近于0。速度邊界層以外的流動區域，流體速度很小，稱為主體區或外流區（見圖2）。速度邊界層是由黏滯力產生的效應，和雷諾數Re有關。

圖2 瓦間未隔油的速度邊界層Figure 2 Velocity boundary layer when no hot oil isolation device

速度邊界層厚度δ，定義為同一截面上外部主流速度相差1%的位置與鏡板的距離。

速度邊界層厚度越小，邊界層內速度的變化率越大，可以視為速度的擴散率越大。

潤滑油為不可壓縮流體，由N-S 方程和連續方程經簡化得到瓦間油流的速度邊界層方程[3]：

式中：x——順轉向的坐標，m；

y——垂直于鏡板的坐標，m；

u——x向速度，m/s；

υ——y向速度，m/s；

ν——油運動黏度，mm2/s；

Ue——外部勢流速度，m/s。

1.3 熱邊界層數學模型

與速度邊界層相似，在緊貼鏡板表面附近有非常薄的一層熱油，該薄層內溫度梯度很大，顯著地受到熱傳導的影響，稱為熱邊界層。熱邊界層厚度定義和速度邊界層厚度類似，即同一截面上外部主流溫度相差1%的位置與鏡板的距離。熱邊界層厚度越小，表示熱交換的效果越好。熱邊界層厚度與速度邊界層厚度的關系由普蘭特爾數Pr=μCp/k控制。

熱邊界層內的熱交換方程[3]：

式中：T——油溫度，℃；

k——熱傳導系數，W/（m2K）；

Cp——比熱，J/（kg K）；

ρ——油密度，kg/m3；

μ——油動力黏度，Pa·s。

1.4 推力軸承隔油降溫技術原理

在相鄰兩軸瓦之間設置隔油裝置[2、4、5]，隔油裝置固定在鏡板工作面下方的油槽內，隔油板通過彈簧與支撐架連接，隔油板與鏡板工作面配合阻擋前一塊的熱油，使熱油流入軸瓦下方的油槽內，不直接進入下一塊軸瓦，如圖3 所示。瓦間隔油后的速度邊界層如圖4 所示。

圖3 推力軸承瓦間隔油裝置及其油流示意圖Figure 3 Hot oil isolation device and the oil flow between thrust bearing segment

圖4 瓦間隔油后的速度邊界層Figure 4 Velocity boundary layer when hot oil isolation device

1.5 瓦間油流溫度分析

利用推力軸承熱彈流程序求解上述邊界層方程，可以得到推力瓦間油流的溫度分布。推力瓦之間采用傳統的結構，瓦間沒有設置隔油裝置時，平均半徑上瓦間油流的溫度等值線見圖5。圖形左側是上一塊瓦的出油溫度，右側是后一塊瓦的進油溫度?？梢娫谟筒塾蜏?0℃時，后一塊瓦實際進油溫度高得多，達56.3 ～76.2℃。

圖5 瓦間未隔油的油流溫度Figure 5 Oil flow temperature when no hot oil isolation device

推力瓦之間采用最新開發的專利技術，在瓦間設置隔油裝置時，平均半徑上瓦間油流的溫度等值線見圖6?？梢?，后一塊瓦進油溫度計算值為40 ～70℃，平均降低11K。

圖6 瓦間隔油后的油流溫度Figure 6 Oil flow temperature when hot oil isolation device

2 熱邊界層隔離降溫技術的試驗驗證

2.1 推力軸承模擬試驗原則

模擬試驗在東方電機有限公司2000t 級高速重載雙向推力軸承試驗臺上進行。分別采用了4 套模型軸承模擬4 座不同電站進行試驗，僅在推力瓦之間安裝熱隔裝置，推力軸承其余結構完全不變，如圖7 所示。

圖7 熱隔裝置安裝示意圖Figure 7 Hot oil isolation device installation diagram

模擬試驗按照相同油溫下，試驗比壓Pm、平均線速度Vm相等的原則進行。試驗目的是對比采用熱隔裝置前后的降溫效果以及對推力軸承影響。

2.2 偏心支撐推力軸承熱隔裝置降溫效果

常規水輪發電機組推力軸承采用偏心支撐結構，根據其結構和運行工況，可以設計配套的熱隔裝置并進行對比試驗。根據國內電站1 的大型水輪發電機組推力軸承運行工況（油溫40℃，比壓4.2MPa 左右，平均線速度約27m/s）進行模擬試驗。采用熱隔裝置后，推力軸承瓦溫明顯下降，如圖8 所示。電站1 的推力軸承運行溫度（RTD）平均降低超過12K，瓦面最高溫度平均降低超過7K，最小油膜厚度平均增加0.02mm以上。

圖8 電站1 降溫對比模擬試驗結果Figure 8 Power station 1 cooling contrast test results

根據國內電站2 的水輪發電機組推力軸承運行工況（油溫40℃，比壓4.5MPa 左右，平均線速度約23m/s）進行模擬試驗。采用熱隔裝置后，如圖9 所示，電站2 的推力軸承運行溫度（RTD）平均降低超過10K，瓦面最高溫度平均降低大于5K，最小油膜厚度平均增加約0.01mm 以上，油膜厚度分布也更合理。

圖9 電站2 降溫對比模擬試驗結果Figure 9 Power station 2 cooling contrast test results

2.3 雙向推力軸承熱邊界層隔離降溫效果

抽水蓄能機組發電電動機需要滿足雙向轉動，其推力軸承通常采用中心支撐結構。根據其結構和運行工況，設計了配套的熱隔裝置，參照某抽水蓄能機組工況（油溫45℃，比壓3MPa 左右，平均線速度約39m/s）進行模擬試驗。安裝熱隔裝置前后的模擬試驗結果，如圖10、圖11 所示。推力軸承運行溫度（RTD）平均降低7.8 ～9.3K，瓦面最高溫度平均降低18.5 ～19.1K，最小油膜厚度平均增加0.019 ～0.034mm，油膜厚度分布也更合理。

圖10 抽水蓄能機組發電工況降溫對比模擬試驗Figure 10 Cooling contrast test results under generator working conditions

圖11 抽水蓄能機組水泵工況降溫對比模擬試驗Figure 11 Cooling contrast test results under pump working conditions

3 熱邊界層隔離降溫技術的應用驗證

3.1 陜西某機組推力軸承的隔油降溫效果

陜西省某水電站一臺常規機組，在夏季運行時推力瓦溫多次高于報警值，導致長期限負荷運行。2017 年6 月安裝熱隔裝置后，推力軸承運行瓦溫同比降低6 ～8K，實現了機組滿發的愿望，見圖12 和圖13。

圖12 陜西某電站熱隔裝置安裝示意圖Figure 12 Shanxi × power station hot oil isolation device installation diagram

圖13 陜西某水電機組安裝熱隔裝置后降溫效果Figure 13 Shanxi × power station cooling contrast test results

2018 年4 月，在機組運行了10 個月以后，將熱隔裝置拆出全面檢測，預期會磨損的零件實際磨損量小于0.1mm，遠小于該零件容許的磨損值。這說明該裝置使用壽命可以滿足機組長期運行要求。

3.2 湖南某抽水蓄能機組推力軸承的隔油降溫效果

湖南某抽水蓄能電站有裝機容量300MW 的抽蓄機組4臺，由法國水電企業設計，采用長桿加托盤的支撐結構，不同程度地出現了推力軸承運行瓦溫偏高的問題。

尤其是4 號機組，在夏季運行時經常出現瓦溫高報警的情況，最高運行瓦溫曾經超過84℃，嚴重威脅機組安全運行。針對該機組運行狀況，東方電機有限公司設計了一套熱隔裝置，于2018 年3 月成功安裝在4 號機上。熱隔裝置安裝示意圖見圖14。

圖14 湖南某電站熱隔裝置安裝示意圖Figure 14 Hunan ×power station hot oil isolation device installation diagram

安裝熱隔裝置后，該機組推力軸承運行瓦溫出現明顯降低。對比機組安裝前后相同工況下的瓦溫數據，無論是發電工況還是水泵工況，推力軸承運行瓦溫均降低了10K 以上。降溫效果對比見圖15、圖16。

圖16 水泵工況下推力瓦降溫效果對比（單位：℃）Figure 16 Cooling contrast test results under pump working conditions（unit：℃）

3.3 廣西某機組推力軸承的隔油降溫效果

廣西某電站機組額定容量228.6MVA，最大推力負荷37240kN，采用小支柱雙層瓦，球面支柱支承結構，2020 年夏季該電站8 號機組最高瓦溫達到78.8℃[6]，被迫將推力軸承瓦溫的整定值調整為80℃報警、85℃停機。

2020 年枯水期該電站8 號機停機改造，加裝了熱隔裝置，與未裝熱隔裝置前進行對比，推力瓦溫降低非常明顯[6]。推力軸承運行瓦溫降低了10.9 ～17.5K，見圖17；推力軸承運行瓦溫相對于油溫的溫升降低了5.2 ～11.8K，見圖18。

圖17 廣西某電站8 號機推力瓦溫下降效果對比（單位：℃）Figure 17 Cooling contrast test results（unit：℃）

圖18 廣西某電站8 號機推力瓦相對油溫升下降效果對比（單位：K）Figure 18 Cooling contrast test results（unit：K）

3.4 云南某機組推力軸承的隔油降溫效果

云南某巨型水電站裝設有6 臺單機容量為700MW 的立軸半傘式水輪發電機組，額定轉速為150r/min，推力負荷27330kN。推力軸承采用小支柱彈性支撐的雙層巴氏合金瓦，軸承有效承載面積60313cm2，單位壓力4.39MPa，采用外循環冷卻方式，由裝設在鏡板周圍的導瓦泵驅動油流動。該電站各機組投產后，使用泵站作為機組技術主供水方式時，推力瓦運行溫度比較均勻，但整體偏高，最高運行瓦溫為76 ～80℃；當使用頂蓋技術供水方式運行時，推力瓦溫比泵站主供水時高5 ～8K，最高達85.3℃。在水溫和油槽內油溫均不高的情況下，最高瓦溫已到設定值[7]。

該電站在2011 ～2012 年度檢修期間，在1 號發電機推力軸承上新增了2 臺并聯的冷卻器，將推力冷卻器數量由4 臺增加至6 臺。改造后推力油溫下降約5K，但推力瓦溫無改善[7]。

該電站在2018 ～2019 年度4 號機組大修期間，優化了推力軸承結構，增設隔油降溫裝置，如圖19 所示，使推力軸承運行瓦溫平均降低了4.5K，最高瓦溫降幅達6.9K[7]，達到了預期效果，保障了推力軸承及機組的安全可靠運行，帶來了顯著的安全和經濟效益。

圖19 云南某電站熱隔裝置安裝示意圖Figure 19 Yunnan x power station hot oil isolation device installation diagram

4 結論

本文分析了熱油邊界層對推力軸承性能的影響，介紹了熱邊界層隔離降溫技術的原理、熱油隔油裝置的結構及工程應用效果，得出以下結論：

（1）熱油邊界層對推力軸承性能影響很大，提高了軸承的實際工作油溫，降低了軸承的承載能力。

（2）采用熱邊界層隔離降溫裝置，能夠去除鏡板工作表面的大部分熱油，降低下一塊瓦的實際進油溫度，可以降低運行瓦溫5K 以上，增加油膜厚度0.01mm 以上，明顯提高推力軸承承載能力。

（3）熱邊界層隔離降溫裝置僅局部改變推力軸承原有結構，結構簡單、效果明顯，特別適合瓦溫高的舊機組推力軸承改造，該類處理措施對推力軸承運行瓦溫偏高的各水電站具有良好的參考和借鑒價值。