水润滑轴承的最新研究进展

[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”。

1.8 实例

最近,在通阿提奈(Tungatinah)改造工程中,塔斯马尼亚水电公司也要求阿尔斯通公司为塔斯马尼亚电站 (装机 31.5 MW,水头 295 m,转速 600r/min)安装一个静水润滑轴承。该静水润滑轴承的直径为 690mm,有 6个槽(图 7)。工程做了以下技术改进:

(1)轴承体材料为铸造不锈钢;

(2)轴承体由螺栓连接的 2个部件构成。

2 静水润滑推力轴承

2.1 一般原理

如同对待导轴承那样,阿尔斯通水电公司开发了一个系统,用静水润滑推力轴承替代传统的油润滑推力轴承。该推力轴承与静水润滑导轴承技术类似,没有污染风险,且效率较高。

图7 通阿提奈工程的静水润滑轴承

推力轴承的作用是支撑由水轮机各部件的重量和水推力产生的轴向荷载。推力轴承镜板(图 8)与轴相连,通过两个板之间的水膜将轴向荷载传递到发电厂土建工程部件。

图8 静水润滑推力轴承的原理

第1个静水润滑推力轴承是为法国的勒特吕埃勒工程制造的(电站装机 45MW,水头 450m),是一台多级水泵水轮机。

推力轴承槽中所需供水取自压力钢管,如果所需水压不够,也可由增压泵供水。水经过滤(采用水力旋离器和过滤器)并流至槽的孔口系统。旋转镜板与固定板之间的水膜产生轴向推力。图 8表示静水润滑推力轴承的原理。

水推力轴承在起动阶段和低速时期仍能发挥功能。无论轴转速的高低,均能建立水膜。正常、暂态和异常条件下的功能得到保证。在失去供水的情况下,陶瓷涂层的镜板和固定板可保护轴承系统。

2.2 油润滑与水润滑推力轴承的比较

现将导轴承的实例研究与推力轴承作一比较。在该实例中,目标是评价油和水润滑推力轴承的总损耗。在正常情况下,轴的转速和轴向推力分别为430r/min和 1800kN(表 2)。

在相同的轴向载荷下,水润滑推力轴承的总损耗大大下降。而且,与油推力轴承不同,不需要冷却系统,因为温升为0.8℃。

表3表示油导轴承和推力轴承与水润滑系统的比较。水润滑导轴承和推力轴承的供水压力相同。水润滑导轴承和推力轴承的安装可使损耗从 100kW降低至 25 kW。另外,还有组合供水回路和减小安装空间的优点。

表2 等值轴向载荷的油润滑和水润滑推力轴承的比较

表3 水技术替代油技术的实例研究

2.3 安全和辅助设备

安装了压力传感器、流量计、温度探头和位移传感器用以检测推力轴承的功能。位移传感器检测推力轴承 2个块板之间的水膜厚度。如果出现任何异常事件,这些安全元件将会向数字控制系统发出报警和停机令。

与导轴承的情况一样,陶瓷涂层保证了在失去供水情况下推力轴承的安全和使用寿命。推力轴承供水的技术与前面说明的静水润滑导轴承相似。

2.4 附加值

静水润滑推力轴承能提供与水导轴承系统可比的附加值:

(1)环境。没有油推力轴承漏油的污染风险。

(2)效率。使用水润滑,总损耗下降。温升很小,不再需要冷却系统。在勒特吕埃勒工程的原型机上计算与测量了损耗的降低,效率增加了0.3%。

(3)维护。供水系统与辅助设备的简化减少了维护工作量。

(4)可用性。静水润滑推力轴承由于降低了维护工作,为发电厂提供了高水平的可用性。

3 结 语

静水润滑轴承和推力轴承能使发电厂运行人员以较高的效率和可靠性来生产清洁能源。油系统用水技术的替代,改进了发电厂的环境状况以及生产效率,并降低了维护费用。