朱　宏，聂治学，吴封奎，官　鹏（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 675702）

巨型混流式水轮机导轴承结构特点及运行安全可靠性分析

朱宏，聂治学，吴封奎，官鹏
（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702）

通过介绍、总结现已投运的巨型水轮机水导结构特点，并进行运行可靠性对比分析，总结了巨型水轮机水导轴承的发展趋势，为今后巨型水轮机导轴承的设计、选型和运行提供参考经验。

水导轴承；结构特点；运行安全；小湾水电站

近年来随着长江中上游、澜沧江、红河流域的水电开发，我国陆续投运了三峡、龙滩、小湾、溪洛渡等一批百万千瓦级巨型水电站。经过多年的发展，我国在巨型混流式水轮机的设计、制造、运行管理方面积累了丰富的经验。三峡、龙滩、小湾、溪洛渡电站单机容量相同，但水导结构设计、运行各有特点。

1　已投运巨型水轮机水导轴承结构简介及共性

1.1已投运巨型水轮机水导轴承结构简介

1.1.1小湾水导轴承结构

小湾水轮机水导轴采用有领轴非同心分瓦块稀油自润滑外冷轴承结构。主要由轴领、水导瓦、轴瓦支撑环、油盆盖、外置冷却器组成。轴瓦材料为巴氏合金，轴瓦分别通过其背后的推力环、支撑块、轴承座将径向力传递给顶盖；轴瓦间隙通过调整管、调整螺栓、斜键实现调整；轴承盖靠近主轴处采用双层梳齿密封结构；轴承冷却采用自循环外冷形式，轴领上均布24个φ33.4 mm的轴孔（实际运行中仅用12个，其余封堵）作为滑转子泵的泵孔，轴领与下部的挡油环一同构成泵室；轴瓦支撑环为双层结构，与轴领一同形成热油腔；位于支撑上方的中间环与轴承座形成冷油腔。热油通过主轴滑转子泵泵入热油腔汇集，汇集后流入冷却器，冷却后的油进入冷油腔，冷油腔通过轴瓦上部的环管将油均匀的喷淋在轴瓦之间，润滑后的热油通过轴瓦盖进入轴承座上方的热油槽，热油通过轴瓦座上的通孔回到热油槽，如此循环往复实现油循环。详细结构见图1。

1.1.2龙滩水导轴承结构

龙滩水轮机水导轴承采用的方式、组成、轴瓦材料、轴承受力及间隙调整等与小湾基本相同，但油盆内部结构、油循环及冷却方式与小湾不同。具体不同之处如下，龙滩电站水导轴承轴瓦支撑环为单层结构，它与轴承上方隔油环将油盆分割为冷油槽及热油槽；轴承冷却方式采用强迫循环外冷形式，外置油泵从油盆底部热油槽内取油，经冷却器冷却后，将油送到冷油槽内的环管，该环管在每两块瓦之间有支管引出，冷却油通过支管喷淋到轴领上，润滑、冷却后的热油在机组转动的带动下，翻过隔油环进入热油槽，再经油盆底部的进入冷却器，如此循环往复实现油循环。详细结构见图2。

图1　小湾水导结构示意

图2　龙滩机组水导结构示意

1.1.3三峡水导轴承结构

三峡水轮机水导轴有两种类型，分别是有领轴承和无领轴承，有领轴承和龙滩类似，在此不再介绍，本文主要介绍无领水导轴承。

三峡水轮机无轴领机组采用无领轴承非同心分瓦块稀油润滑强迫外冷结构。主要由水导瓦、上油箱、下油箱、外油箱、迷宫环、隔油环、下甩环、外置油泵及冷却器组成，详细结构见图3。轴瓦材料、受力及轴瓦间隙与小湾水电站类似，迷宫及上、下甩环用于消除从轴承甩油，上油箱内部结构通过溢流环一分为二，靠大轴侧为冷油槽，靠油箱外侧为热油槽。机组运行时，水导上油箱内的油一部分顺着迷宫环与大轴的间隙漏至下油箱，油箱自流回至外油箱；另一部分漫过溢流环经过回油管回到外油箱，外油箱中的油分别通过油泵、冷却器、油过滤器后进入上油箱内的供油环管，再经过12个喷管将冷油供至各瓦之间。如此循环往复实现油循环。

图3　三峡水导无轴领结构示意

1.1.4溪洛渡电站

溪洛渡水轮机水导轴采用有领轴承非同心分瓦块稀油强迫润滑外冷轴承结构，主要由水导瓦、轴瓦支撑环、轴瓦盖、中间环、油档、分油管、外置冷却器及油泵。详细结构见图4，轴瓦材料及瓦间隙调整与小湾类似，其余不同如下，轴承冷却采用强迫循环外冷形式，油盆内部通过轴承座、中间环、支撑环将油盆内部分为两槽一腔，靠大轴一侧为冷油槽，靠油盆外壁一侧为热油槽，中间环与轴承座及轴瓦支撑环形成冷油腔，热油槽内的热油分别通过油盆底部取油口、油泵、冷却器，降温成为冷油后进入冷油腔，冷油腔通过均布在瓦间的分油管，将冷油喷淋轴瓦间，完成热交换后的冷油通过轴瓦盖及轴承座上的通孔回到热油槽，如此循环往复实现油循环。

1.2已投运巨型水轮机水导轴承结构共性

1.2.1均采用可调楔子板非同心分块稀油润滑巴氏合金轴瓦

现代巨型混流式水轮机随着单机容量的增加，水力、转动部件、电磁拉力等不平衡力及影响因素也随之变大及复杂，要求轴承单位面积上承载的能力更大，润滑及冷却必须良好。可调楔子板非同心分块稀油润滑巴氏合金轴瓦具有承载能力大，运行中受力均匀，有一定的自调节能力，安装后轴瓦立面间隙可调，无需刮瓦。现已投产的巨型混流式水轮机导轴瓦进油边与大轴一般都有1～4 mm间隙，瓦面直径比轴领直径略大，同时又采用偏心瓦结构，有利于油膜及油压的分布，研究及运行经验表明此种结构对机组的振动及摆度影响不大，但能提高轴瓦承载能力，同时又降低摩擦损耗，延长轴瓦使用寿命。轴瓦间隙采用可调楔子板调整，较传统的顶瓦螺丝调整相比，具有结构简单可靠，无需点焊、刮瓦，便于安装、维护。

图4　溪洛渡水导无轴领结构示意

1.2.2防甩油设计

水导轴承甩油分为外甩和内甩两种，为了防止外甩，不论有无水导无轴领，一般均在轴承盖上装有空气过滤器及双层结构的密封环，以达到平衡油盆内外压力及减缓油雾上行速度的目的；对于部分转速相对高的有轴领机组如小湾、溪洛渡，还装设有轴瓦盖；对于无轴领的机组如三峡，还装设有上甩环。内甩发生的主要现象和外甩类似，但发生的原因区别较大，而且还和机组水导有无轴紧密相关，对于有轴领机组，一般在轴领上部开有稳压孔，用于破坏轴领内侧的真空，同时在油盆内档壁设有挡油环，在轴领内壁开倒阶梯角，在它们的共同作用下可以有效减弱内壁油流涌高。对于利用滑转子自润滑的机组，轴领下部的泵孔的对内壁油流有下吸的作用，能有效抑制油流涌高，防止内甩作用明显。对于无轴领机组，油盆内部通过采用双层迷宫环密封、下油档及下油箱结构能高效应对甩油。现有巨型混流式机组均属于低转速机组，这为机组防甩油创造了“先天优势”，同时，各电厂自各有特色的防甩油结构设计，使得现有巨型水轮机导轴基本告别“甩油时代”。

1.2.3油循环及冷却系统设计复杂、紧凑、高效

受油盆尺寸、水轮机转速、材料等多方面原因限制，现代巨型混流式水轮机油循环方式各主要有强迫外冷形式和自润滑外冷形式。

油循环方式采用强迫外冷的混流式水轮机，油盆内部构造差异不大。龙滩水电站水导油盆结构及油循环系统可视为基本形式，其余采用强迫外冷油循环方式的巨型电站水导油盆结构及油循环可视为它的升级版。如溪洛渡水导油盆内部结构，可视为在龙滩的基上增加了一个冷油腔代替冷油环管；三峡无轴领水导轴承油盆，可视作在龙滩的基层上减少了轴领，同时增加一个底部收集“漏油”的下油箱。

自润滑外冷油循环方式看起来较为先进、节能，但很大程度上受限于机组额定转速。设计及运行经验表明，适合利用滑转子泵的机组转速范围大致在60.7～1 000 r/min，润滑外冷油循环其实是利用轴领滑转子泵的原理提供油循环的动力，能采用此种油循环方式的混流式机组的目前必然是有轴领的水轮机。与采用强迫外冷的机组相比，它的轴领滑转子泵及油盆构造设计、制造较为复杂，轴领内外径的尺寸差、轴领下部的泵孔开口位置、大小、数量均影响着滑转子泵的功率；冷腔、热腔的大小及密封情况影响着油流的流速及冷却效果。

2　运行情况简介及可靠性对比分析

现有巨型混流式水轮机水导轴瓦采用的方式及材料基本相同，即可调楔子板非同心分块稀油润滑巴氏合金轴瓦。各电站水导系统主要不同在于油盆内部结构及油循环，下面将着重对典型电厂水导轴承运行情况进行简介，并在此基础上与其余形式的水导轴承运行安全可靠性进行对比分析。

2.1运行情况

水导轴承承担水轮机运行过程中的所有径向作用力，限制机组摆度，维持机组主轴在轴承间隙范围内。磨损损失间接反映水导轴承受力大。各电站机组水导轴承主要设计参数如表1所示。

虽然各电厂水导轴承磨损损失不一致，但实际运行时轴瓦温度均稳定在45～55℃内，满足巴氏合金材料低于65℃的设计要求。水导轴承有这样的运行效果和各电厂采取不同的水导结构及油循环密切相关。

表1　各机组水导轴承主要设计参数

在巨型混流式水轮机当中，小湾电厂水导轴承系统采用自润滑形式，独具特色。小湾水导轴承的冷却系统设计为自润滑外冷式，两个互为备用的冷却器设置在水轮机顶盖内，正常运行时两台冷却器1台工作，1台备用。

图5　小湾水导自循环冷却示意

首台机组投产初期，水库蓄水没有到达正常水位，机组水导轴承按设计要求投入运行，所有轴领滑转子泵孔未封堵，冷却器按一主一备投入，机组未能带满负荷运行，初期瓦温维持在55～60℃运行。直到2010年机组陆续投产完毕，水库水位蓄至额定水头以上，机组满发后，水导瓦温维曾一度维持在58～63℃运行；经过对比分析，确认瓦温高的原因为冷却器功率不足。投入备用冷却器运行后，瓦温下降并维持在55～60℃运行；随后继续分析，排除机组技术供水影响后，初步分析认为瓦温维持高温运行有三种可能，分别是：①轴瓦支撑环密封间隙过大；②轴领泵泵孔数量或尺寸不合适；③冷却器功率过小或热交换能力差。通过厂家及设计单位的再次分析及计算，最终确认原因为轴领泵泵孔投入数量过多，造成热油流循环过快，冷却轴瓦后的热油不能及时通过轴承座上的开孔回到下部热油槽，导致热油富集在轴承座的上方热油槽。随后利用2011年～2012年机组检修期，将1号机组水导轴承24个轴领泵孔间隔封堵，其余运行条件保持不变，开机后瓦温考验证明问题发现及处理正确，水导瓦温大幅下降至45～55℃之间稳定运行。

2011年期间，小湾3号机组运行过程中，在机组振动没有变化的情况下，水导瓦温短时从50℃上升至60℃，排除技术供水及冷却器堵塞后，原因锁定在轴瓦支撑环密封间隙过大，经停机抢修发现，轴瓦支撑环铜质密封齿受损，且与轴领接触部分存在划痕，造成局部间隙过大，导致冷、热腔发生串油。更换新的铜质密封后，开机后瓦温恢复原运行温度区间。

2012年至2013年检修期间，为了消除轴瓦支撑环铜质密封材料的缺陷及对轴领的伤害，将2号机水导轴瓦支撑环铜质密封材料更换塑料制品，开机后瓦温考验短暂稳定运行后，温度又升高至60℃左右，随后停机检查发现，分瓣组合的塑料密封齿间隙发生移位，对密封槽进行点焊定位处理，以达到防止密封齿随大轴旋转移位的目的。重新按间隙安装密封齿后，开机瓦温考验正常，瓦温维持在45℃至55℃稳定运行。

自此，小湾水导轴承自润滑系统再无其他不安全事件发生。

2.2运行可靠性对比分析

下面就各电厂油盆结构及油循环系统进行简要分析对比。

2.2.1油盆结构

现代巨型混流式水轮机导轴承油盆普遍采用“冷热隔离”的设计思路，冷、热油的隔离面一般选取轴瓦支撑环。轴瓦支撑环与大轴密封的好坏，直接关系到“冷热隔离”的效果。一旦该处密封失效或密封不良，将会造成冷热油互窜，形成局部的高温循环。轴瓦冷却及润滑不良，易造成高温烧瓦。各电厂轴瓦支撑环密封形式各有不同，但采取双层梳齿密封结构的效果整体好于单层密封结构。

2.2.2油循环冷却系统

现代巨型混流式水轮机水导系统冷却方式共有两种，分别是强迫外冷和自润滑外冷。自然换外冷依靠自身轴领滑转子泵提供动力，滑转子泵只需要机组安装初期调试正常后，后期运行变化很小。从采用自润滑外冷方式，且投产至今已5年的小湾水电厂运行情况来看，自润滑外冷系统仅出现两次密封不严，造成冷热腔窜油引起机组运行过程中瓦温偏高的事件，但随后改进密封材料和固定方式后，再无其他影响机组安全的故障发生。强迫油循环冷却系统辅助设备多，且需要外部动力，机组开机条件判断条件及运行中的机组不可靠因素增加。采用强迫油循环的某巨型电厂曾今发生过因控制电源跳闸造成油泵全停轴瓦受损的事件。强迫油循环不仅需要有完善的自动控制策略，而且还需要可靠的电源及定期维护保养。由此可见，强

迫油循环因其依靠的外部设备较多，运行中发生故障的概率高于自润滑系统，可靠性低。

3　结语

（1）现有已投运或在建的巨型混流式机组无论有无轴领均采用可调楔子板非同心分块稀油润滑巴氏合金轴瓦，可调楔子板非同心分块稀油润滑巴氏合金轴瓦的优点正在被重视及广泛应用。

（2）无轴领导轴承系统需要外部辅助设备较多，且不能利用滑转子泵。与有轴领导轴承相比虽然制造过程简单，但不利于电站运行维护。

（3）巨型混流式水轮机导轴承冷却方式共分为两种，分别是强迫油循环外冷和自循环外冷。自循环外冷虽然运行可靠性高，但需要精密的设计及多次真机试验，且受限于机组转速；强迫油循环外冷实用范围广，但需要不断完善自动化控制策略及提高电源、动力设备的可靠性，并重视极端运行工况及适应“无人值班，少人值守，远程集控”的水电发展趋势，保证设备随时可用。

［1］边举朋.龙滩水电站700 MW水轮机水导轴承的结构与安装［J］.东方电机，2009（4）：15-18.

［2］宋洪占，张砚明.立式水轮发电机导轴承滑转子泵的设计与计算［J］.通用机械，2012（2）：78-80.

［3］赖见令，胡学龙，张益华，等.巨型水轮机无轴领水导轴承安全运行分析［J］.水电站机电技术，2012（10）：16-21.

（责任编辑高瑜）

Structure Characteristics of Guide Bearing of Large Francis Turbine and Analyses on Operation Safety and Reliability

ZHU Hong，NIE Zhixue，WU Fengkui，GUAN Peng
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The structure characteristics of guide bearings of giant turbines which have been put into operation are summarized，and the operation reliability of these guide bearings is compared and analyzed.The development trend of guide bearings of giant turbine is also summed up.The research results will provide references for the design，type selection and operation of guide bearings of giant turbine.

guide bearing of turbine；structure characteristics；operation safety；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

A

0559-9342（2015）10-0043-04

2015-07-25

朱宏（1983—），男，云南宣威人，助理工程师，主要从事水电厂运行、维护工作.