水电机组导瓦的温度升高及热稳定分析与处理

梁宇强，钟 建，刘 政

（东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000）

0 引言

水轮发电机导轴承的作用是：承受机组转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平衡力，维持机组主轴在轴承间隙范围内稳定运行。调试阶段要在各个工况下进行轴承热稳定试验，以验证机组在长时间运行时轴承温度是否能稳定在设定值范围以内。某水电机组首台机组调试阶段作轴承热稳定试验时，出现下导瓦温度偏高，热不稳定现象。本文从分析导瓦损耗及热传递原理入手，研究了油温对导瓦温度及热稳定的影响，提出了相应的解决措施，并通过真机试验验证了该措施的有效性，为后续电站处理类似问题提供了参考。

1 导瓦热稳定情况及初步分析

1．1 导瓦热不稳定说明

该机组为半伞结构，推力轴承与下导轴承合用一个油槽，采用外加泵方式进行润滑油外循环，并采用3台板式换热器进行润滑油冷却，其中2台投入工作，1台备用。外循环润滑油总管进入下机架后分成两路供油，一路给推力轴承供油，另一路给下导瓦供油，并采用瓦间设置喷管的供油方式。推力及下导的油量分配可以同通过推力供油支管及下导供油支管上的阀门开度进行调节。

机组首次开机运行3h后下导瓦温没有稳住迹象，一直往上涨，至停机时温度最高的12号瓦温已达77℃，远超报警温度65℃，且仍然以每小时3℃的趋势增长，不满足轴承热稳定判定要求（每小时温度变化小于1℃）。12号瓦运行数据如表1、图1所示：

图1 12号瓦热稳定曲线图Figure 1 Thermal stability curve of the 12# guide bearing

表1 首次开机运行3h后12号瓦温数据Table 1 Date of 12# guide bearing after operating for 3h

综上，下导瓦主要面临两个问题：一个是轴瓦温度偏高，二是无法达到热稳定。

1．2 冷却器换热能力初步分析

通常瓦温高的原因可以先从冷却器换热效果差入手分析。如果润滑油产生的损耗远大于冷却器带走的损耗，则可以冷却器换热容量偏小，无法对润滑油充分冷却。

根据热力学公式：流体带走的热量与流量有如下关系式：

式中：Cp——流体比热容，；对于46号汽轮机油，30℃油温时对应比热为0.451；水在20℃时比热大概为1。

Qp——流量，m3/h，该案例中对应油流量300，水流量为160。

Δt——温升，K，该案例中对应油温升为8.2，水温升为6.78。

γ——流体密度，kg/m3，46号汽轮机油在30℃时对应值为888；水在20℃时对应998。

上述数据代入式（1）计算可得：

润滑油带走轴承的损耗近似等于水带走的损耗；理论上由于管路具有一定的散热功能，P水应略小于P油，出现上述偏差可认为是测温电阻测量偏差引起的。总体而言，可以得出初步分析结论是冷却器散热容量并无问题。因此瓦温高及热不稳定问题不在冷却端，而是在发热端，即润滑油无法快速带走轴承损耗引起的。

2 导瓦损耗及热平衡分析

为了解决上述问题，首先对导瓦损耗产生机理以及热平衡原理进行分析。

润滑油被滑转子旋转带入导瓦与滑转子之间的间隙以后会受到瓦面、滑转子面的剪切力，对滑转子面以及瓦面产生摩擦阻力并产生摩擦热。同时油膜分子在层流状态下也相互摩擦产生热量。这些热量一部分被润滑油通过导瓦出油边带走，另一部分通过润滑油与轴瓦、滑转子之间的对流换热带走，以及导瓦、滑转子与其周围的空气的换热带走[1]。对于传统的浸泡润滑轴承，还可以通过导瓦、滑转子与浸泡的润滑油换热带走。上述热量产生与传递路径图如图2所示。

图2 导瓦热量产生及传递示意图Figure 2 Sketch of the heat generation and transfer of the guide bearing

导轴承达到热平衡的条件是：单位时间内轴承所产生的摩擦热量P0等于同时间内流动的油带走的热量P1与滑转子、导瓦散发的热量P2，P3的总和，即；

本案例中的导瓦并未完全浸泡在润滑油中，而是采用了较低液位的润滑方式。从上述热传导路径图可以看出，导瓦热量无法快速通过润滑油带走，只能通过空气热对流散热。众所周知，空气传热能力远远低于润滑油，因此导致导瓦上导的热量很难被快速带走。如果传递到导瓦的热量P3大于导瓦散发到空气中的热量，则会在导瓦上形成热量积累，导致瓦温持续升高，热稳定时间比常规浸泡润滑的轴承更加漫长甚至无法达到热平衡。

3 降低瓦温及实现导瓦热平衡措施

从上述热传递分析图可以看出，在导瓦散热能力比传统浸泡式轴承要弱的情况下，要降低导瓦温度，并尽快实现导瓦热平衡，需要尽量减少传递到导瓦上的热量P3，这就需要从两个方面入手：一方面需要减少热源产生的热量P0，另一方面要增大从导瓦出油边流走的润滑油带走的热量P1。

根据文献[2]，润滑油进入瓦面后因摩擦产生的损耗P0为：

其中最小油膜厚度hmin为

式中：m——瓦块数；

B——瓦轴向长度，cm；

L——瓦周向长度，cm；

D——负载系数，由L/B决定；

n——摩阻系数，由L/B决定；

λ——润滑油的黏度系数，kg·s/m2；

Vn——滑转子面的线速度 ，m/s；

p——导瓦比压，kg/cm2。

将式（5）代入式（4）并整理得：

当一个机组设计好以后，瓦块数m、瓦尺寸B和L，瓦负荷p以及转速Vn都是确定了的，因此除了润滑油黏度λ外，式（6）其余因子乘积是个常数，不妨设，则式（6）可简写为

由此可见，降低热源损耗P0，需要降低润滑油黏度系数λ。该系数受温度影响较大，温度越高，黏度系数就越小。因此可以提高冷油温度来降低进入瓦面润滑油的黏度。值得注意的是，文献[3]也提到过电站冬季水温低，导致油温低，从而瓦温升高的现象。由此可见，提高油温对降低瓦温是有理论及实例支撑的。

在增大润滑油带走损耗能力P1方面，根据式（1）可知，流量Qp是可以人为调节的，因此，增大P1最直接手段就是增大流量Qp。提高进入瓦面的润滑油流量的方法很多，其一是增加下导瓦供油流量，其二是将导瓦进油边斜坡的斜度增大，并加大导瓦抱轴间隙，使更多润滑油进入摩擦面。鉴于第二个措施需要打开油槽并拆出导瓦处理，需要更多的处理时间。在调试试验安排比较紧凑情况下，先考虑只增加导瓦供油量。

综上分析，确定降低瓦温及实现导瓦热平衡两个措施：

（1）减少冷却器冷却水量，提高冷油温度，通过降低润滑油黏度来降低轴承损耗。

（2）增大下导瓦油量分配比例，提高润滑油带走损耗能力。

4 处理效果及分析

为了找到使导瓦处于最优的工作状态的油温、油量等参数，在调试过程中做了多次试验，在一台冷却器上反复调整不同冷却水阀门开度来调节冷油温度，同时不断调整推力与下导供油量的分配比例。为了便于对比，现将温度最高的12号瓦的多次试验的关键参数及主要测量结果见表2。

表2 抽水工况12号下导瓦在不同冷却条件下的温度对比表Table 2 Temperature comparison for different cooling condition of the 12# guide bearing

从序2与序5对比可知：下导油流量相同情况下，通过减少冷却器冷却水量提高油温，运行4h后的瓦温可以从68.89℃降低到64.84℃（且是在最初瓦温较高的情况下），最后一个小时瓦温上升速度已经大幅度减缓，满足热平衡考核标准；序3与序4的对比结果同样满足这个规律。可见，提高润滑油温度，对于降低瓦温，促进导瓦尽快进入热平衡是有效的。

序5和序6对比可知，在冷却器冷却水流量相同情况下，提高下导润滑油油流量，可以使导瓦最高温度降低大约1℃，并且最后一个小时温度上升更加平缓，也就意味着可以更快达到热稳定。可见，提高润滑油流量对于降低瓦温，促进导瓦尽快进入热平衡也是有效的。

序2和序4对比可知，序2润滑油量大，但是冷却水多，油温低；而序4润滑油量少，但冷却水少，油温高；在此条件下，序4最高瓦温却更低，温度上升更平缓，说明加大润滑油流量和提高油温两个因素中，提高油温对于降低瓦温，促进导瓦尽快进入热平衡作用更大。

序4和序6对比可知，序6热油温度略高于序4，但是瓦温及最后一小时温度上升幅度却没有延续前面“油温越高，瓦温越低，热平衡越快”的规律，说明油温也不是越高越好，应该存在一个临界最优值，油温超过了这个临界值会导致瓦温进一步上升。

5 进一步的处理措施

经过上述试验，确认了提高油温和增加进入瓦面润滑油流量的措施是有效的。但是导瓦温度仍然显得比较高，导瓦虽然能够达到热稳定，但时间也比较长。通常导瓦2h就可以达到热稳定，该机组需要3～4h才能达到热稳定。为了彻底解决该问题，在调试消缺阶段，采取了进一步改进措施，包括增大抱瓦间隙，修磨导瓦瓦面增大进出油边斜度，从而增大导瓦瓦面进油量。经过上述处理，导瓦最高温度从处理前的78℃，降到了60℃以内，热稳定时间也控制在2.5h左右，成功解决了导轴承温度高、热不稳定问题（见图3）。

图3 采取进一步措施后12号瓦瓦温曲线图Figure 3 Temperature curve of the 12# guide bearing after taking further measures

6 结语

对于导瓦瓦温过高问题，传统的处理手段是提高冷却效果，降低油温。但是对于润滑液面较低、轴承大部分裸露在空气中的结构，上述措施无法解决该问题。本文通过分析导瓦热平衡传递路径，提出了相反的措施，即提高润滑油温度，并辅以增大润滑流量的措施，成功解决了导瓦温度过高及热不稳定问题，同时还通过对比多个试验数据，发现提高润滑油温度比增加进入瓦面润滑油流量所起的作用更加明显。上述处理经验对轴承设计、安装调试具有一定的参考价值。

值得注意的是，推力下导外循环总油流量是一定的，增大下导油量分配的同时，需要兼顾推力油流量减少引起的瓦温上升。因此，对于合油槽结构，建议设计时外循环油泵应具有足够的循环流量，以便在下导“抢油”的情况下，推力仍有一定的油流量裕度。

另外，润滑油温度也不是越高越好，因为如果润滑油油温过高，黏度过低，必然会导致油膜承载能力降低，导致润滑失效[4、5、6]。从多个试验对比也可以看出，随着油温升高，到了相同运行时间后瓦温是先降后升，因此实际调试过程中不能一味升高油温，应通过多次调整冷却水量，观察热平衡后瓦温值，来寻找最佳的油温[7、8]。