大型水轮发电机推力轴承外加泵外循环冷却技术

李明宇，武中德，吴军令

（水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

0 前言

对于大型水轮发电机，冷却技术对推力轴承的性能有着非常重要的影响。

在哈尔滨大电机研究所的 3000t推力轴承试验台上，进行了外加泵外循环冷却方式的1000MW级水轮发电机弹性金属塑料瓦推力轴承试验，2012年进行了外加泵外循环冷却方式的溧阳双向巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦推力轴承试验。

本文介绍了大型水轮发电机推力轴承外加泵外循环冷却技术，分析了推力轴承瓦冷却技术特性。对大型水轮发电机推力轴承的外加泵外循环冷却技术设计提出了建议。

1 外加泵外循环特性

对外加泵外循环系统，在油的循环回路系统中外加一组互为备用的电动油泵，作为循环动力，由冷却器、滤油器、压力表、流量显示器和阀门等元件组成，如图1和图2所示。润滑油在油槽内部可采用瓦间喷管结构或瓦间隔板结构进行润滑。外加泵外循环系统对外部管路和元件的阻力要求不高，适用于大负荷、低速推力轴承。

（1）瓦间喷管结构。进、出油环管布置在油槽内。在进油（冷油）环管上按瓦数布置带有小孔的喷油管，冷油直接喷入瓦间镜板面或瓦的入油边进行润滑冷却。在出油（热油）环管上布置吸油管，将热油吸走，进入冷却器，重复循环。适用于一般负荷的推力轴承。

（2）瓦间隔板结构。将隔板插入两瓦之间并与镜板平行，其与镜板面之间形成一个径向通道。该结构油槽中必须设隔油板，将油槽分成上、下两腔。上部腔为热油区，下部腔为冷油区。但必须采用连通管将冷油区的一部分油引到稳油板上方，以改善轴承运行条件。根据情况，也可将进、出油环管布置在油槽外部。此结构适用于大型或超大型推力轴承。

龙滩、官地、溧阳等是采用外加泵外循环冷却的典型机组。

推力轴承的外加泵外循环冷却方式，冷却器、泵、油过滤器及相应阀门等均应100%备用，故障时可自动切换到备用管线工作，并发出报警信号，以保证油循环系统的可靠运行。

相对于内循环冷却方式，外加泵外循环冷却方式的油泵及油循环的控制设备结构复杂，设备投资比内循环的大，管路部件多，管理维护不便。但其优点是拆卸推力瓦不需拆卸冷却器，且油冷却器、推力轴承检修相对便利。单个冷却器可拆卸维修，不影响其他冷却器的使用。

2 循环冷却计算

润滑冷却的油量，包括油槽和管路及冷却器中的所有用油，其最少要保证推力轴承断水运行（巴氏合金瓦15min，塑料瓦20min）的要求。

图1 外加泵外循环冷却结构示意

图2 外加泵外循环冷却系统

外循环的油和水的流量根据轴承损耗确定，计算公式如下：

式中，Q（L/min）为流量，P（kW）为轴承损耗，ΔT（K）为循环油（水）温差，C（cal/kg/K）为油（水）比热，ρ（kg/m3）为油（水）密度。

对于循环油，ΔT=5～10 K，对于冷却水，温差可取油温差的1/2。油泵电机的功率：

式中，F（kW）为电机的功率，ppump为泵压力，0.6MPa，μ为泵和电机的效率。

3 试验测量结果

试验轴承基本参数见表1。试验模型比例1:1，模拟轴承的实际运行状态。

表1 推力轴承基本参数

多波纹弹性油箱支撑结构（轴承1）的塑料瓦推力轴承采用外加泵外循环冷却方式，额定工况下，油温37.9～39.2℃＜ [50℃]（表2），推力瓦温度 48.3～50.6℃＜ [60℃]（RTD），推力瓦间温度差 2.3K ＜ [5K]，瓦面温度 79.9℃＜ [90℃]。

单波纹弹性油箱支撑结构的（轴承2）巴氏合金瓦推力轴承在额定工况下，油温 34.1～36.3℃＜ [50℃]（表3），推力瓦温度 71.2～74.6℃＜ [75℃]（RTD），推力瓦间温度差4.4K＜ [5K]，瓦面温度81℃＜ [90℃]。

单波纹弹性油箱支撑结构的（轴承2）塑料瓦推力轴承在额定工况下，油温28.2～33.5℃＜ [50℃]（表4），推力瓦温度41.6～44.8℃＜ [60℃]（RTD），推力瓦间温度差 3.2K＜ [5K]，瓦面温度 51℃＜ [90℃]。

试验轴承的油温和瓦温符合相关规范。油槽内没有明显的冷热油区域，说明外加泵外循环的油温分布合理，冷却效果较好。

表2 油槽内油温

表3 油槽内油温（℃）

表4 油槽内油温（℃）

4 结论

推力轴承采用外循环或内循环润滑冷却，其效果相近，可根据推力轴承负荷的大小、转速高低等进行选择。内循环冷却、镜板泵、导瓦泵和外加泵外循环冷却均有一定的优点，它们都是大型水轮发电机推力轴承可选用的润滑冷却方式之一。

采用外加泵外循环冷却方式的试验结果表明，采用油槽内瓦间隔板结构合理，冷却器的容量选择适当。

大型推力轴承采用外加泵外循环冷却方式是安全可靠的。已在龙滩、官地、溧阳等机组上采用。

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