自泵型导轴承外循环冷却系统应用

王 俊，王秋杨，洪旭刚

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

0 前言

自泵型导轴承外循环冷却技术因其有轴承热油取油位置好，自身损耗低，省去外加泵等优点被广泛应用于常规大型水轮发电机和发电电动机轴承冷却。特别是在三峡机组上的成功应用使其逐渐被国内行业所认可。该项技术也被大量应用于抽水蓄能机组，如白莲河、张河湾、黑麋峰、蒲石河、响水涧等电站。本文以蒲石河电站机组应用为例介绍自泵型导轴承外循环冷却系统工作原理及特点，为该型轴承冷却系统科学合理应用提供参考依据。蒲石河发电电动机轴承采用半伞式结构，推力下导组合轴承冷却就是应用自泵型导轴承外循环冷却技术。

1 结构及原理

自泵型导轴承外循环冷却系统主要由推导组合轴承、自泵型导瓦、集油环管、外置油水冷却器及其连接管路组成。此处导瓦不是普通导瓦，而是特殊设计的自泵型导瓦，如图1所示。自泵型导瓦为整个冷却系统提供循环动力，决定冷却系统的冷却性能，因此有必要对其结构进行详细说明。

以一块普通导瓦为基础，在导瓦与滑转子接触表面从外侧沿滑动方向开有一定深度、宽度和长度的油槽。然后从导瓦下部向上开一圆筒型内空腔，高度与油槽上边缘齐平，再从开好的油槽表面末端沿垂直表面方向开与油槽宽度相同的竖槽缝与内空腔连通。所有导瓦内空腔出口通过泵盒与集油环管连接，集油环管总进出油口分别与外置油水冷却器进出油口连接后构成整个冷却系统。

图1 自泵型导瓦

因抽水蓄能机组正反向旋转，自泵型导瓦必须具备正反向运转功能。油槽和内空腔相连结构沿导瓦垂直中心线对称设置，使导瓦正反向运行都能产生相同的泵吸功能。为保证机组正反方向转动时，润滑油流向一致，在导瓦下部连接一个泵盒（如图2），泵盒内部与导瓦内空腔连接部位安装两个逆止阀，逆止阀共用一个出口连接到集油环管。

图2 泵盒

外置油水冷却器有管式、板式等结构形式。通常布置在发电机机墩外侧，通过润滑油总管与轴承油箱连接。冷却器无论采取哪种形式，当冷却水流量和温度确定后，对润滑油冷却效果影响最大的因素就是润滑油的流量了。

图3 外置油水冷却器

自泵型导轴承安装完毕后，导瓦表面油槽和滑转子表面形成油槽缝隙，其功能就像一个“泵腔”。当机组旋转时，滑转子沿转动方向将导瓦附近的热油吸进泵腔，通过竖槽缝进入内空腔，然后经过逆止阀通过泵盒出口汇入集油环管到达外置油水冷却器，热油经过冷却器冷却后回到轴承油箱底部。因导瓦处于轴承油箱的上部，上部的热油不断地被送到冷却器，油箱底部的冷油将不断上升参与推力瓦、导瓦的润滑冷却。这就是自泵型导轴承外循环冷却系统工作原理。

2 机组空载热稳定运行试验

检验轴承冷却系统性能最有效的手段就是在机组调试期间进行热稳定运行试验。发电机空载运行状态因水轮机水力作用较复杂，致使机组各轴承运行工况较为恶劣。机组空载运行期间，轴承振动摆度值较其他工况大，各轴承瓦温也较其他工况高。因此是检验机组轴承各项指标的最好时机。

机组空载热稳定运行试验就是发电机在空载状态下连续运行直到各轴承瓦温度、润滑油温度不再升高，达到一个动态平衡时，记录过程中轴承各导瓦、推力瓦瓦温、油温以及轴承振动摆度等指标的试验。按照惯例，该试验一般进行约4h，此时机组各轴承瓦温及润滑油温度不再发生变化，趋于稳定。期间如果轴承所有瓦温均在设计范围之内，说明冷却系统符合设计要求。

单就冷却系统来说，试验过程中外置油水冷却器冷却水的流量和温度因变化较小认为是恒定不变的。循环润滑油的流量也因自泵型导瓦油槽尺寸固定和机组转速不变也被认为是不变的。在此过程中变化的量有推力瓦温度、导瓦温度、轴承油槽温度、冷却器进口热油和冷油温度、冷却器冷却水出口温度。

因此通过热稳定运行试验可以得到冷却系统在一定冷却水温度和流量的条件下，其他所有瓦温和油温的变化趋势曲线。然后对这些变化趋势进行分析，研究冷却系统的工作性能。

3 冷却系统正常运行

蒲石河电站发电机推力下导组合轴承自泵型导瓦，设计润滑油流量为189m3/h。外置冷却器设计冷却水流量为 123m3/h，冷却水冷水温度设计值为 25℃。在保证所有瓦温小于75℃的条件下，润滑油温升为7.7℃，冷却水温升为4.6℃。

表1为蒲石河某台机组进行空载热稳定运行试验推力下导轴承冷却系统实际运行数据。

表1说明冷却系统基本参数满足设计条件时（润滑油流量稍大于设计流量），轴承冷却系统能够满足轴承冷却要求，验证了冷却系统设计的正确性。

4 冷却系统异常运行

轴承冷却系统正常工作往往不能体现出冷却系统关键原理，只有通过对事故运行事例的分析才能对自泵型导轴承外循环冷却系统工作原理有深刻的理解。

表1 正常工况下空载热稳定运行试验数据

蒲石河电站另一台机组在进行空载热稳定运行试验时发生瓦温突升事故。该机在热稳定运行试验进行约2h之后，在所有导瓦和推力瓦温度基本趋于稳定的时候，某块下导瓦温度在3min之内突然从71.0℃跃升到75.5℃，指挥部果断下达命令紧急停机。表2为该机试验数据。

表2 下导瓦瓦温突升时试验数据

试验数据表明，尽管冷却水流量符合设计要求，冷却水温度只有 3.81℃，但下导瓦平均温度仍高达63.84℃。从试验数据分析，轴承油箱油温和润滑油热油温度并不是很高，相反对比其他机组运行数据还较低。初步怀疑导致事故发生最直观的因素就是润滑油流量偏低，只有100m3/h。在随即展开的事故原因分析过程中，主要围绕这一因素进行排查工作。

在彻底检查了整个冷却系统油路之后，排除了油管路堵塞的原因。最终只能打开轴承油箱检查导瓦情况。在拆开下导轴承油箱后，经过检查发现下导瓦油槽尺寸不符合设计要求，油槽深度只有1mm左右。这样，基本确定是由于导瓦油槽深度过小导致润滑油流量低。轴承内部热交换效率因润滑油流量低大打折扣，使下导瓦附近的热量不能被润滑油及时带走，个别导瓦因热能的累积达到一定限度发生瓦温突升现象。

事故原因查明后将所有下导瓦油槽深度加工至1.4mm。恢复安装后进行空载热稳定运行试验数据如表3所示。

表3 下导瓦处理后空载热稳定运行试验数据

表3试验数据进一步验证了事故原因分析的正确性。

5 结论

检验自泵型导轴承外循环冷却系统冷却性能的有效手段就是在机组调试期间进行空载热稳定运行试验。要达到理想冷却效果的关键是要保证润滑油流量在设计范围内，而润滑油流量是由自泵型导瓦油槽尺寸决定的。自泵型导轴承外循环冷却系统结构简单，易于维护，自身损耗低，特别是在高转速的抽水蓄能发电电动机有广泛的应用前景。

[1]刘平安, 武中德. 三峡发电机推力轴承外循环冷却技术[J]. 2008(1).