取消传统冷却器的水导轴承在改造电站中的应用

沈 丹，杨希华，李国慧

(浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 311121)

1 电站简介

格拉夫纳亚水电站位于塔吉克斯坦南部哈特隆州境内，距离首都杜尚别、哈特隆州府库尔干秋别约110、11 km，是瓦赫什河流域上9座梯级水电站的第7级，装机240 MW。1964年由前苏联建成投运，经过50多年的运行，机组、电气、闸门、起重等设备以及土建、监测等设施已经大量老化、损坏，运行极不稳定，局部功能失效，急需整体全面的技术改造。

该电站1、2、5号机组于2016年底开始改造，至2018年10月28日，首台机组(5号机)顺利完成72 h试运行，正式投入商业运行。改造后，该电站的主要参数如下所示(见表1)。

表1 电站改造后主要参数

2 水导轴承设计方案

改造前，该电站水导轴承采用抗重螺栓支撑的分块瓦水导轴承[1](见图1)。这种结构对安装要求较高，安装不细致或机组不稳定运行时间过长，会造成支撑螺栓头部损坏及支持座变形。同时，顶瓦螺栓与轴承体之间用螺母固定，运行中易松动，致使轴瓦间隙变化，影响主轴摆度。检修时抱瓦及间隙调整均需要采用大锤作业的方式，工作量大且存在一定的安全隐患。上述问题会造成主轴摆度过大及轴承瓦温过高，影响机组安全稳定运行，并增加了检修和维护成本[2]。冷却方式采用内置油冷器冷却和自然循环冷却相结合的方式[3]。机组运行时，轴承体内热油被旋转的主轴轴领泵出并沿回油管流入外油箱。该油箱设置在支持盖中，外油箱中内置油冷却器，通过油冷却器交换热量，降低润滑油温度；同时外油箱与支持盖设计为一体，热油亦可与流道内水实现热交换，使热油冷却。

塔吉克斯坦是一个多山国家，高山常年被积雪和冰覆盖。电站控制室室内最高气温不超过30 ℃，瓦赫什河水温最高不超过17.6 ℃，改造时可以利用环境温度优势，考虑自然循环冷却。该电站推力轴承采用顶盖支撑方式[4]，改造时充分考虑水导轴承、主轴密封检修的空间需要，必要时主轴结构可不设轴颈。

改造后，水导轴承采用不带冷却器的毕托管筒式瓦结构，由轴承盖、轴承座、轴瓦、转动油盆、毕托管等主要部件组成。轴瓦基体材料采用ZG270—500，瓦表面离心浇铸巴氏合金(见图2)，冷却方式为自然循环。主轴转动时，转动油盆中的润滑油在离心力的作用下形成边缘高、中心低的状态，即旋转的下油盆使轴承体的进油口(毕托管进口)处获得静压力，油便通过毕托管到达上油盆，进入水导轴承瓦与主轴的间隙流回到旋转油盆，循环往复。水轮机运行时，油槽中的热油通过转动油盆、轴承座、轴承盖等与轴承周围空气实现热交换，轴承周围空气通过支持盖与流道中冷水实现热交换，这样使油槽中的热油与流道中的冷水间接实现了热交换，使油温维持在合理的温度。

图1 改造前的水导轴承结构

3 相关计算

3.1 轴承基本参数

主轴直径D为975 mm，转速nr为125 r/min，飞逸转速nf为340 r/min，环境温度T环为30 ℃，轴承损耗P1(正常运行)为2.85 kW，轴承损耗Pf(飞逸)为11.7 kW，飞逸时间t为3 600 s，转动油盆外侧盆壁直径D1为1 750 mm。

3.2 自然循环的水导轴承油温计算

水导轴承的温度状况是从热平衡计算得到的。热量产生于轴承损耗P，并通过对流的方式耗散，即先通过热传导和轴承座内润滑油的循环，然后通过轴承座的表面以辐射和对流的方式传递到环境中[5]。

(1)正常运行时

根据公式：P1=kA1×A1×ΔT1/103+kA2×A2×ΔT1/103

由公式变形可得：ΔT1=P1×103/[(kA1×A1)+(kA2×A2)]

经计算：ΔT1=16 ℃，油温为：T=T环+ΔT1=46 ℃<55 ℃，满足要求。由此可知，在没有冷却器的情况下，机组可以安全运行。

(2)飞逸工况

假定飞逸后油温为Tf，则：

轴承摩擦损失(kJ)：Ebear=Pf*t

油吸收热量(kJ)：Eoil=Cpoil×ρoil×Voil×(Tf-T)

金属部分吸收热量(kJ)：Esteel=Cpsteel×ρsteel×Vsteel×(Tf-T)

自然对流散热Eth,amb(kJ)：Eth,amb=[kA1×A1×(Tf-T环)×t+kA2′×A2×(Tf-T环)×t]/103

式中，Cp为比热容；ρ为密度；Voil为油的体积；Vsteel为导热金属的体积；kA2′为转动部件平均对流换热系数。

根据能量守恒定律可知：Ebear=Eoil+Esteel+Eth,amb

经计算：Tf=62 ℃<65 ℃，满足要求。由此可知，在没有冷却器的情况下，机组飞逸时，轴承仍可以安全运行。

4 水导轴承取消油冷却器的优点

改造后的水导轴承不设置油冷器，不需要冷却水，整个油循环在单一环境中完成，避免油中出现过多水份或其他酸性物质，使油品乳化，影响润滑性能，造成烧瓦事故。

冷却器装置的取消，不仅省去了1套冷却水铜管装置，而且省去了1套冷却水系统，包括管路、压力表、压力开关、示流信号器、水力旋流器及相应的机组在线监测系统和设备，及上述设备日后的维护费用等。

5 结 语

格拉夫纳亚水电站5号机自投入运行至今，经过近2年的运行和观察，水导轴承瓦温长期稳定在42～45 ℃，与计算相近，瓦温十分理想，得到了业主和监理的一致好评。此次水导轴承取消传统冷油器的成功实例，既降低了制造和维护成本，取得了良好的经济效益，又为日后其他类似电站改造提供了一定的借鉴和依据。