锦屏一级水轮发电机泵环结构导轴承设计与计算

柴 峰，王岩禄

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

锦屏一级水轮发电机泵环结构导轴承设计与计算

柴 峰，王岩禄

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

立式水轮发电机导轴承用来承受机组转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平衡力，对机组轴系的稳定性及机组运行的安全性都有重要意义。论文以锦屏一级水轮发电机为研究对象，总结了泵环结构导轴承在锦屏一级电站发电机上的应用经验，提出了泵环结构设计方法和计算公式，并给出了判定标准。本文的研究成果可为巨型水轮发电机组导轴承的设计研究提供参考借鉴。

水轮发电机；导轴承；泵环；档油管

1 前言

导轴承在立式水轮发电机组中起到了承受机组转动部件的径向机械不平衡力和电磁不平衡力，维持机组轴线摆度在规定的数值范围内的作用。作为轴系的一部分，机组导轴承的结构布置和型式的选择与水轮发电机的容量、额定转速及结构型式紧密关联，不仅要满足机组轴系刚度的性能要求，同时也要满足临界转速计算的相关判定条件。根据结构分析和轴系稳定性计算结果，锦屏一级电站采用三导结构，分别在1645.28m、1637.915m和1632.375m高程设置了上导轴承、下导轴承和水导轴承。

锦屏一级电站以1635.575m高程的主轴法兰连接面为分界高程，以下是水轮机，由东方电机股份有限公司设计制造，以上是水轮发电机，由哈尔滨电机厂有限责任公司设计制造。本文将就哈电设计制造的发电机上导轴承、下导轴承的设计创新点进行详细论述。

2 泵环式导轴承冷却结构

2.1 常规滑转子泵润滑油循环结构介绍

浸油式内循环冷却的导轴承通常采用滑转子泵润滑油循环结构，即通常润滑油经过冷却器循环的动力，来源于滑转子中所开的泵孔。导轴承滑转子在对应导轴承瓦底部位置沿径向开设一定数量和尺寸的泵孔，利用滑转子在旋转过程中其内腔润滑油的离心力作用产生压头，强迫润滑油通过泵孔流入导瓦腔，为导轴承润滑冷却的油循环提供动力。该结构在哈电设计机组上已有多年的使用经验。图1为滑转子泵结构的导轴承。

图1 滑转子泵结构的导轴承

由图1可见，为保证泵孔布置空间，滑转子泵结构的滑转子未与转轴配合固定区域的悬臂轴向长度较大，其中布置泵孔和导瓦腔造成的滑转子加长部分客观上也造成了滑转子材料的浪费；为配合泵孔，导轴承瓦下部也需要设置50mm高的空腔，造成了导轴承瓦的轴向尺寸加长，引起重量增加，成本的增加。

2.2 泵环结构润滑油循环方式

锦屏一级电站发电机上导轴承、下导轴承采用了泵环结构的润滑循环方式。滑转子下端面为平面，在下端面下方设置了泵环，利用滑转子与泵环的间隙作为润滑油流动的通道，利用滑转子外圆和泵环内圆处转动部件的周向线速度差产生压头，为润滑油提供循环动力，使滑转子和导轴承瓦的材料均得到有效利用，润滑油流动通道更为畅通。

锦屏一级水轮发电机泵环结构上、下导轴承结构见图2、图3。

图2 锦屏一级泵环结构上导轴承装配

图3 锦屏一级泵环结构下导轴承装配

为便于安装，泵环采用分瓣结构，固定在导轴承瓦的托板下面，与油冷却器的间隙尽量小，以便润滑油与冷却管充分进行热交换。水轮发电机安装时通过调整泵环与托板之间的垫片厚度调整泵环与滑转子下端面的泵环间隙，从而在机组运行过程中控制合理的泵环出口润滑油压头和泵出的润滑油流量。

2.3 泵环结构出口压头、润滑油流速和流量的计算

泵环结构出口润滑油的压头可按下述公式计算：

式中：p-润滑油流出泵环口时的出口压头（MPa）；ρ-流入泵环的润滑油的运动粘度（m2/s）；ω-机组旋转的角速度（rad/s）；R2-滑转子外径（mm）；R1-泵环内径（mm）。

根据工程经验，润滑油流出泵环口的出口压头应不小于0.002MPa。轴承损耗大时，出口压头适当增加。

泵环结构润滑油流速可按下述公式计算：

式中：ν-泵环结构润滑油流速（L/min）；λ-阻力系数；h-泵环间隙（mm）。

为减少润滑油流动的沿程损失，流过泵环的润滑油流速控制在1～1.5m/s为宜。

泵环结构润滑油流量可按下述公式计算：

式中：Q-润滑油流量（L/min）

由于轴承油槽中润滑油流动情况复杂，受转动部件、固定部件干扰导致实际供油量可能不准确，设计的润滑油流量应为理论计算带走轴承损耗所需油量的4~6倍为宜，轴承损耗大时取上限。

3 泵环结构挡油管

锦屏一级电站上下导轴承挡油管同样采用了泵环挡油结构。挡油管油面以下部分设置了水平的挡油环，与导轴承滑转子内圆侧的台阶配合，形成了泵环挡油结构。滑转子旋转时，滑转子台阶内圆与挡油环外圆存在的周向线速度差形成了动压压头。该压头亦可通过公式（1）计算。压头方向迫使润滑油重新流回油槽内，增大了润滑油通过滑转子与挡油管之间的空腔发生内甩油的阻力。此处的小间隙除了增大向油槽内的压头外，也增大了润滑油内甩的阻力。

挡油环上层设置有铜垫板，用于调节泵环的间隙。安装时应以机架安装挡油管的把合面为基准，测量滑转子台阶高度和挡油环高度，配合给出的泵环间隙值计算并调整铜垫板的厚度，必要时可以采用局部打磨铜垫板的方式保证泵环间隙值的均匀。

4 结论

本文总结了泵环结构在锦屏一级电站水轮发电机上导轴承、下导轴承上的成功应用经验，总结了泵环结构的特点，并给出了泵环结构出口压头、润滑油流量和流速的计算公式和控制条件，为泵环结构在其他水电机组上的应用提供了参考和借鉴。该技术的应用还应注意以下几点：

（1）泵环间隙h的确定应考虑机组运行时推力负荷造成的转动部分下沉量的影响。当导轴承处于非负荷机架中时，泵环的安装间隙应为计算的运行间隙h与转动部分下沉量之和。如锦屏一级电站发电机上导轴承，泵环的安装间隙为6.5mm，运行间隙为4mm；对于处于负荷机架中的导轴承，由于机架随转动部分共同下沉，则泵环的安装间隙与运行间隙相同。如锦屏一级电站发电机下导轴承，安装间隙与运行间隙均为4mm。

（2）对机组转动部分下沉量的修正同样适用于挡油管部位的泵环结构。

（3）由于不可避免的挡油管变形，在挡油管和滑转子之间会形成偏心泵效应，造成吸油，增大了导轴承内甩油的可能，泵环结构的挡油管除可适当减小泵环间隙外，还应考虑挡油管和滑转子之间采取适当的回油结构，以免此处油位过高。

[1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社, 1990.

[2]宋洪占，张砚明.立式水轮发电机导轴承滑转子泵的设计与计算[J].通用机械,2012,2：78-86.

TM312

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1672-5387（2017）05-0043-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.010

2016-05-07

柴 峰（1982-），男，工程师，从事水轮发电机设计研发工作。