水润滑轴承的最新研究进展

2010-05-01戈德克

水利水电快报 2010年8期

关键词：静水含油水轮机

[法] E.戈德克等

马元珽译自英刊《水电与大坝》2009年第6期

1 静水润滑导轴承

1.1 一般原理

与含油轴承相比,静水润滑导轴承在新建和改造工程中具有明显的优点。阿尔斯通水电公司安装这些导轴承已有多年,获得了丰富的经验。水润滑导轴承可用于任何尺寸、所有类型的立式与卧式水轮机(图 1)。

图1 静水润滑导轴承

静水润滑技术在轴承中不需要油,消除了污染河流的风险。由压力钢管直接供水,如果压力钢管的水压不够高,可采用水泵。经过轴承体中几个机加工的槽供水。轴承槽中水压由负荷容量确定,通过一个孔口系统调节。图 2和图 3详细说明了在一个轴偏心时的轴承特性。

通过孔口系统向每个槽供水。轴的偏心在轴承的一侧致使压力升高(图 3中槽 1),因而产生一个相反的力,以纠正轴的位置。该自动对中作用为轴线的性质提供了稳定性,同时也减小了轴位移和振动。

图2 水润滑导轴承的原理

图3 具有 4个槽的轴的压力场

静水润滑轴承可在所有运行条件下工作,包括启动阶段,而含油轴承是利用轴旋转产生的液体动力效应工作的。当轴不旋转时,含油轴承没有对中作用。相反,静水轴承即使没有转速时仍能对轴线对中起作用。在正常和异常情况下,在起动、停机和低速阶段,系统性能均能得到保证。

水润滑导轴承设计包括了轴密封功能,这就不需要难以进行维修的外部轴密封,从而使维护量减少,系统更加紧凑。

1.2 液体动力含油轴承与静水导轴承的比较

阿尔斯通水电公司已经开发了设计静水轴承的计算工具。在该计算软件中包括了许多物理现象(包括轴的偏心和轴的倾斜)。图 4是水润滑轴承与油润滑轴承之间的比较情况。对于相同的轴位移而言,水导轴承的径向力明显大于含油轴承的径向力。较高的刚度保证了较好的稳定性和较小的轴线位移。

图4 水润滑轴承与油润滑轴承的刚度比较

水润滑导轴承与油润滑导轴承等效径向负荷的比较情况列于表 1。由表 1可以看出,水润滑导轴承使轴承的总损失最小。已经对中等尺寸的水轮机进行了该计算。它考虑了所有的损耗,包括压力钢管向轴承供水的少量水流的分流引起的摩擦损耗和功率损耗。轴承直径为 600mm,径向负荷为 110kN,轴的转速为 430r/min。

计算表明,水导轴承的总损耗减少 50%,温升低于 1℃。

表1 水与油润滑导轴承等效径向负荷的比较

1.3 水润滑导轴承技术

静水润滑轴承的主要功能是产生径向刚度,以减小轴线的径向位移。而且,假设在含油轴承情况下,轴密封功能由一个独立元件来实现。图 5表示了水润滑轴承与油润滑轴承所需要的安装空间。由于水润滑轴承结构紧凑小巧,因而易于适应新建与改造工程,包括替代含油轴承。

静水导轴承比含油导轴承更加刚性、更加紧凑。而且,它们能更加靠近转轮,最小化悬臂作用。因此,转轮的径向位移较小,可降低固定迷宫环的间隙,减少了泄漏,提高了整个电厂的效率。

图5 油和水导轴承所要求的安装空间

为了方便安装和维修,轴承体可制成一个或几个部件。轴的外表面(或覆盖它的不锈钢套筒)和轴承内表面用陶瓷涂层保护,以防止在供水故障时出现任何问题。为防止水轮机在停机时向轴承漏水或在维修期间向过滤系统漏水,在轴承体下部布置有一个可充气的密封。

1.4 辅助部件

供水系统包括:

(1)如果水头能在轴承槽中生成足够高的压力,只要在压力钢管处设一个进水口。在其他情况下,可安装一台增压泵增加水压。

(2)一个过滤系统,包含自动过滤器和水力旋流器(hydrocyclon)。

(3)调节各槽供水流量的孔口系统。

如果需要增压泵,可以提供 2台独立的水泵,以获得平行的系统,允许电厂不停运情况下进行维修。

水润滑轴承不需要油润滑导轴承的辅助设备,包括油泵、油路和油冷却系统。这是因为水的摩擦比油的摩擦小得多。同样,温升也平稳得多。

1.5 安全系统

轴承内径和套筒(或轴)外径上的陶瓷涂层,可在出现供水故障时有效地保护整个系统。轴承配备有安全传感器,这就进一步增加了系统的安全性,在供水系统或者可充气密封出现故障时,会发出停机令。安全元件包括:

(1)压力开关和压力传感器,用以检测水压过低或过高;

(2)流量表,以保证供水;

(3)温度探头,用以检测任何异常温升。

1.6 静水润滑轴承的效益

(1)发电厂效率。静水润滑轴承在提高发电厂效率方面可发挥重要作用。

因为油和水的粘度不同,水润滑轴承的摩擦损耗下降 50%。温升非常有限,不再需要冷却系统,因此提高了发电厂效率。同样,因为悬臂效应较低、靠近转轮的轴位移较小,可减小设计用于油润滑轴承的迷宫间隙,因此减少了漏水。

(2)环境效益。河流中的大多数漏油来自水轮机油润滑轴承,它们可对环境造成重大破坏。因此,它们也损毁了水电的名誉,甚至遭到罚款。而采用水作为润滑剂是防止漏油进入河流的根本解决办法,因此,消除了污染风险。

(3)维护效益。静水润滑轴承的维护非常方便。因为已经从系统中去除了轴密封及其供水辅助设施(很难到达),大大减少了这些元件的维护量。

因为布置更加紧凑,至各部件的通路更加畅通,对水润滑轴承的检查更加容易。如前节所述,油润滑轴承需要更多必须维护的辅助设施。

(4)提高运转率效益。油润滑轴承和轴密封的维护操作可能是整个发电厂有效利用率低的原因。由于维修工作的减少和在正常与异常情况下的水润滑轴承的稳定性,所以机组不经常停机和停机时间较短,对提高发电厂的运转率是有贡献的。

(5)健康与安全效益。水润滑系统上安装了许多压力与流量传感器,以防止不正常的运行。此外,消除了发电厂中的油蒸气,从而排除了因地面湿滑而使发电厂工人滑倒的可能性。

图6 油润滑轴承与水润滑轴承的经济附加值比较

(6)经济附加值。图 6表示安装油润滑轴承与水润滑轴承的经济比较,并以一台运行寿命为 40a的 70MW混流式机组为例加以说明。①可量化的经济价值。因降低维护成本、具有更高的可用性而减少发电厂停电,因减少摩擦和泄漏损失而提高效率。②不可量化的经济价值。因环境友善、增加发电厂使用寿命以及降低健康与安全风险。通过几个工程实例研究得知,水润滑轴承的投资基本可在 2 a内收回,给顾客带来很大的附加值。

1.7 社会效益

阿尔斯通水电公司开发的静水润滑轴承已安装在 20多台机组上,累计总运行时间超过 124 a。

第1个静水润滑轴承安装在法国勒特吕埃勒(Le Truel)发电厂的一台水泵水轮机(45 MW,450m水头)上。该轴承已经与原有设备一起运行了 20多年。这证明了该系统高度可靠。顾客对水润滑轴承的环境、效率和可用性反映良好。

塔斯马尼亚(Tasmania)水电咨询公司对于 4 a前在特雷瓦林(Trevallyn)发电厂投运的静水润滑轴承发表如下评论:

“该工程水润滑轴承的效益包括无油的环境效益、简化了水轮机和轴承设计、降低了靠近水轮机转轮的轴承、新轴承也用作轴密封,因此消除了需要单独水轮机轴密封的必要性”。“现在已经安装了 2个轴承,第1个调试与运行已超过 12个月,第2个接近 12个月。自最初为保证足够的流量和压力而进行的调试试验和供水调整以来,新轴承从未发生过任何故障,甚至在甩负荷期间也能应付接近水轮机飞逸的过速”。