大型轴流泵立式电机上导瓦过热原因分析与对策

徐鹰健，王明娣，周传福



大型轴流泵立式电机上导瓦过热原因分析与对策

徐鹰健1, 2，王明娣1，周传福3

（1.苏州大学，机电工程学院，苏州215021；2. 常熟市长江河道管理处，苏州215513；3. 江苏省江都水利工程管理处，江都225200）

对轴流泵立式电机上导轴承温度过高现象产生的内部原因和外部原因进行了较为全面的分析，并从减少径向载荷，改善润滑条件，提高热交换效率着手采取改进措施，有效降低了机组运行时上导轴承温升过高的现象，提高了机组运行的安全性，可以在很多类似场合推广。

立式电机；上导轴承；温度控制

0 前言

常熟海洋泾泵站作为城区引水源头，常年频繁运行，该泵站有两台TL-1000立式同步电机分别驱动两台开敞式轴流泵，电机采用悬吊式结构，主轴的径向载荷由三部分承担，水泵内部的水导轴承、电机上部的上导轴承、电机下部的下导轴承。但投运两年来两台立式电机一直存在上导瓦温度过高的问题，和同类机组相比温度高出了20K，在长时间运行时上导瓦温度不能稳定下来，有继续攀升的趋势，甚至有烧瓦的危险。

1 上导瓦过热原因分析

导致上导轴瓦温度持续上升不能够稳定下来的原因很多，主要从径向滑动轴承的以下几个关键要素着手分析。

1.1 导向瓦摩擦热分析

电机工作时，上导轴瓦的热量主要是轴颈和轴瓦的摩擦功生成的，由参考文献[1]径向轴承在承载区的摩擦功耗

P=（1）

公式（1）中为轴承摩擦系数，为轴颈圆周速度，值和值在电机正常运转油膜建立时达到流体动力润滑以后被视为常数，故限制径向载荷是降低摩擦功减少摩擦热的对策之一。

上导轴承径向载荷分析可参照文献[2]，主要有：电机不平衡磁拉力，主轴以及主轴上转动部件质心偏心产生的惯性离心力，还有叶轮所受的水力不平衡力。

其中主轴以及主轴上转动部件质心偏心产生的惯性离心力一般认为在电机制造时就已经产生，而且出厂时做过动平衡试验应视为合格，只有电机不平衡磁拉力和叶轮水力不平衡力可能是在安装过程中产生，可以通过后期调整减轻。

1.2 上导轴承流体动力润滑条件分析

流体动力润滑建立的条件是轴颈与轴瓦的相对圆周运动能够将润滑油带入轴承间隙并建立稳固的油膜[1]。只有在流体动力润滑条件下才能够降低值，从而减少摩擦功。具体到这两台机组的上导轴承就要求导瓦和轴颈间有适当的间隙且是收敛的，垂直于水平面的上导轴瓦能够在瓦面上存住带进的润滑油。

为此我们打开油缸检查了四块导瓦与主轴推力头轴颈间的间隙，见表1。

表1 导向瓦与主轴推力头轴颈间的间隙 单位：mm

西侧导瓦间隙明显不符合标准，根本无法建立稳定的油膜，实际上推力头轴颈和轴瓦处于半干摩擦状态。按照文献[3]，大中型立式机组上导双边间隙应该在12-16丝最为合理。

同时我们还对四块导瓦的瓦面状况检查发现，四块上导瓦虽然都经过刮研，但是由于经过两年多运行，在抗重螺丝相对应的一侧瓦面由于承重形变出现较多磨光的点，最大点直径2mm，这些点处于瓦面和轴颈接触的最突出位置，影响油膜的完整。

1.3 上导瓦热平衡分析

在实际运行过程中，我们记录了机组运行1.5h、2h、3h后几个关键部件用电阻式温度仪测得的温升情况，如表2所示。

表2 关键部件用电阻式温度仪测得的温升情况

图2 温度对比图

从表2可以看到，处于上油缸内的推力瓦温度和润滑油温度相近且缓慢上升，而上导瓦温度明显高于油温，因此可以由此断定上导瓦没能被润滑油有效带走热量是温度持续升高的主要原因。

上导轴承热平衡的条件是：单位时间内轴承所产生的摩擦热量等于同时间内流动的油所带走的热量及轴承散发的热和[1]。用公式可表述为：

=CρqΔ+πBdαΔ（2）

式中C为润滑油比定压热容，为润滑油密度，为瓦面散热面积，α为轴承表面传热系数，Δ为润滑油温升，这些在给定的机组中都是定值，是常数，只有q是导瓦上的润滑油体积流量是变量，可以调节。故要达到热平衡，使导瓦和油温相近就要提高润滑油体积流量。

图2 立式电机上机架油缸内部结构

从图2可以看到油缸内部结构，平时油缸内的汽轮机油油位加至抗重螺丝中心也就是上导轴承中心线位置，但是在运行时由于推力头和主轴高速旋转会带动油液旋转，油液此时在油缸内会向油缸壁盘升形成一个四周高中心低的旋转抛物面，处于油缸中心的导瓦处的油位已经低于中心线位置。因此导瓦没有充足的润滑液膜可以冷却瓦面。

2 消除上导瓦过热的方法与对策

针对上述找出的几个主要原因，我们分别采取四项措施进行技术改造。

2.1 减小电机上导轴承径向力

根据前面分析，上导瓦径向力主要来自电机定子磁场不平衡磁拉力，在忽略电网质量影响前提下，电机磁拉力平衡与否可以通过测量定转子空气间隙来衡量，其中一台机组空气间隙测量结果如表3所示。

表3 机组空气间隙测量结果

根据水利部颁《泵站安装验收规范》（SL317-2004）标准。各间隙与平均间隙之差不应该超过平均间隙的10%，从表1中可以看到上部间隙超出了标准，因此给上导瓦带来了额外的径向载荷。而叶轮所受水力不平衡力对于开敞式轴流泵来说主要取决于叶片安装角度，经检查叶轮四片泵叶安装角度均为-4°，符合安装标准。我们对电机摆度进行了调整，对主轴中心和电机转子中心重新定中，使得磁场中心处于转动部分几何中心，减少了上导瓦的径向载荷。

2.2 调整上导轴瓦间隙

将四块上导瓦的双边间隙调整到0.12~0.16mm，单边间隙也调整到0.04~0.08mm范围之内；在上导瓦进油一侧刮出深0.5mm、宽10mm的楔型进油边，使得润滑油能够随着主轴旋转时带入轴瓦和轴颈间隙内，如图2所示，对上导瓦重新刮研，使刀花在顺主轴旋转方向斜向上45°排列，这样一方面可以让油液在轴瓦表面留存更长时间，另一方面能够增加轴瓦和轴颈的接触点数量，还能让下面的油液向上流动。

通过这几项改进措施，我们对机组进行了试运行，对比改进后的上导瓦温度发现效果还是比较明显的，起动3小时后温度上升趋缓，比改进前低了4℃。但这还没有达到我们的预期。

2.3 改善热交换条件

为彻底解决导瓦过热问题，我们在油缸四周导瓦中心线高度焊上了一圈不锈钢挡油环，并且在导瓦环形瓦架上中心对称地钻出了12个25的小孔，使得甩出去的油经过外面冷却器的冷却后还能沿前述的油层旋转抛物面流回油缸中部的导瓦。改造后实际运行发现效果显著，比改造前降低了10℃，达到了预期效果。

图2 导瓦面上的油槽

3 结语

从本次导瓦温度控制改造中可以看到，在考虑导致立式电机上导瓦过热的因素中主要还是从滑动轴承摩擦热生成原理入手，从机组本身的安装质量，零件工况着手，消除主观因素；再从外部因素即提高散热效率进一步改善导瓦工作环境。立式同步电机上导轴承过热不仅在水力机械上存在，在大型空压机、矿场球磨机、电厂水轮发电机组上都会出现，因此希望本文能够给这些领域也带来一些积极意义。

[1] 邱宣怀, 等. 机械设计. 第4版[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997.

[2] 仇宝云. 大型立式轴流泵导轴承载荷分析计算[J]. 农业机械学报, 2001(1), 58-61.

[3] 中华人民共和国水利部[S]. 泵站安装及验收规范, 2005.

The Causation and Countermeasure of Superheating of Radial Bearing of Large Vertical Pump Unit Electric Motors

XU Yingjian1,2, WANG Mingdi1, ZHOU Chuanfu2

(1. Soochow University, Suzhou 215021, China;2. Yangtze River Management Office, Changshu, Suzhou 215513, China;3. Water Project Management Office,Jiangdu,Yangzhou225200,China)

The internal and external causation of superheating of radial bearing of large vertical pump unit electric motors were analyzed. On the basis of the analyses, three counter-measure of superheating were introduced. The results indicate that by means of lightening the radial load, improving the condition of lubrication, improving the efficiency of heat-exchange were available. These countermeasures can be generalized in many occasions.

vertical motor upper journal bearing temperature control

TM301.4+1

A

1000-3983(2014)04-0010-03

2013-06-05

国家自然科学基金资助（51205266）

徐鹰健（1982-），2004年7月毕业于南通大学机械工程及自动化专业，苏州大学机电工程学院工程硕士研究生在读，现从事水利工程大型泵站安装和运行管理工作，工程师。

审稿人：吴军令