发电机推力轴承油位波动原因分析及处理方法

张溢欢 陈红权 巫俊杰

（富春江水力发电厂，杭州 311504）

推力轴承的温度是反映推力轴承运行情况、受力情况以及水轮发电机组健康情况的重要指标。对于水轮发电机组，推力轴承的温度包括轴承瓦温和轴承内润滑油温度等，主要由冷却系统控制。冷却系统能否有效控制推力轴承内的温度，对轴承运行情况有着直接的、重要的影响。推力轴承内的热量主要来源于推力头、镜板以及推力瓦之间的摩擦。富春江电厂4号水轮发电机组推力轴承轴瓦材料采用弹性塑料瓦，冷却系统采用外强迫循环，外置循环油泵和冷却装置。根据推力轴承内润滑油的物理特性，温度过高会导致润滑油液面升高。当润滑油液面高度达到预先设定的高油位报警值时，会导致水轮发电机组发生推力轴承高油位报警，严重时将造成事故停机[1]。

推力轴承内润滑油油位波动受多方面因素影响，包括人为调整油位、轴承附属管路渗漏以及温度变化等。富春江水力发电厂夏季厂房温度达到31 ℃，机组油冷却效果较差。机组推力轴承在高温下运行，不仅影响自身性能，也会导致推力轴承油槽内油位升高，对机组安全稳定运行造成安全隐患。影响推力轴承内温度的因素包括推力轴承设计、结构、机组运行工况、运行时间和冷却系统等。通过分析富春江电厂4号水轮发电机组推力轴承结构、运行情况、冷却系统以及设备实际情况，结合外界环境因素，最终找到推力轴承油位波动的原因，并采取针对性方案解决推力轴承油位波动的问题，提升水轮发电机组安全平稳运行的能力。

1 推力轴承油位波动情况介绍

水轮发电机组推力轴承是机组的重要部件，主要承受机组轴向载荷，维持机组运行稳定性。推力轴承内部充以汽轮机油进行润滑和散热。在机组非检修期，正常情况下，推力轴承内的汽轮机油处于稳定循环，油位不应发生波动。富春江电厂4号水轮发电机组推力轴承油位波动较大，运行人员未对油位进行调整的情况下，机组数次发生油位过高报警。油位波动情况主要发生在夏季气温较高时，机组开机运行一段时间后油位缓慢升高，逐步达到高油位报警值，而机组停机后推力轴承内油位有所回落。油位波动情况在夏季频发，在冬季气温较低时并未发生，因此推断油位波动可能是由温度引起的，但需要进一步排查确切原因。

2 推力轴承油位波动原因分析

2.1 推力轴承油路循环介绍

目前，富春江水力发电厂4号水轮发电机组推力轴承的冷却方式为外强迫循环冷却，如图1所示。推力轴承油槽分为内油槽和外油槽。机组运行时，推力头（旋转部件）和推力轴承瓦（固定部件）摩擦产生热量。

图1 推力轴承冷却结构图

推力轴承瓦处于油槽内，浸泡在汽轮机油中，利用汽轮机油对其进行润滑和散热。汽轮机油采用单独的散热系统进行散热。富春江电厂4号水轮发电机组推力轴承的冷却方式为外强迫循环冷却，即外置循环油泵、管路系统和冷却装置，强迫润滑油循环进出冷却装置和推力轴承，形成“冷却—升温—冷却”的循环系统，达到降低推力轴承内温度的目的。在推力轴承中，外油槽中温度较高的油，通过出油口（外接管路）经外置循环油泵进入外置油冷却器变为温度较低的油，再通过内油槽进油口进入内油槽。而在机组开机运行期间，内油槽的油以漫溢的形式经过挡油板再到达外油槽形成油路循环，如图2所示。通过上述循环冷却方式可以保持机组推力轴承系统油位及温度的稳定，进而保障机组平稳运行。油位波动的原因主要在于3个方面：一是推力油槽充、排油阀渗漏，导致油位波动；二是推力冷却系统管路渗漏，造成油位变化；三是温度变化导致油位波动[2]。

图2 推力轴承油路循环（箭头表示油路循环）

2.2 油位波动原因排查

机组检修期间，细致检查推力轴承、冷却装置以及附属连接管路，检查各部位密封件并进行渗漏试验。各部位密封完好、无渗漏情况，即排除了推力轴承充和排油阀渗漏的可能。后续用同样的方法排除推力冷却系统管路渗漏的可能[3]。

油位过高报警集中发生在夏季气温较高时。推力轴承油槽属于封闭空间，与外部不相通，温度对油位的影响极大，因此推断油位过高是推力轴承内部温度较高造成的。造成推力轴承内部温度较高的主要原因包括推力轴承结构设计不合理、机组运行工况异常、机组运行时间过长以及冷却系统故障等。通过分析排查发现：除了冷却系统之外，富春江电厂4号发电机推力轴承封闭结构再无其他散热途径；机组的运行工况正常，推力轴承振动摆度数值在允许范围内，并未发生高振动摆度情况；机组未发生长时间运行的情况；冷却系统采取外强迫循环冷却，冷却水供给充足，系统设计合规合理，各部件运行情况正常。通过分析排查，逐步排除了机组工况异常、冷却系统故障、运行时间长等原因，将原因确定为推力轴承结构不够合理。

推力轴承属于封闭结构，当夏季气温较高时，油槽内温度较高，仅通过外置冷却装置不足以将温度控制在需求范围内。因此，当机组运行一段时间后，设备之间相互摩擦产生的热量不断累积，导致推力轴承内的温度逐步上升。正常情况下，冷却系统可以消除这部分热量，合理控制温度。但是，当夏季气温较高时，推力轴承的封闭结构会导致内部温度上升到较高水平，此时冷却系统将不足以消除全部热量，会导致油槽内温度逐步升高。高温将带动油位缓慢上升，最终达到警报值。

通过分析可知，需要采取的方案应解决推力轴承油槽内部封闭的问题，并应对冷却系统的冷却能力进行一定补充。经过细致筛选，最终确定的方案是在推力轴承油槽盖板上加装呼吸阀。呼吸阀作为控制气体通道启闭的装置，可以将推力轴承油槽内部和外界连通，解决油槽内部封闭的问题。同时，气体流通又可以带来热量交换，起到一定的散热作用，可以对现有冷却系统的冷却能力给予一定的补充[4]。

3 解决推力轴承油位波动的方案

3.1 呼吸阀的原理和作用

呼吸阀作为调节油槽内温度的重要附件，安装于油槽盖板，用于自动控制油槽内外气体通道的启闭，维持油罐的压力平衡，同时起到调节温度的作用，结构如图3所示。

图3 呼吸阀结构

呼吸阀包括呼气阀和吸气阀，主要由阀体、阀盘、阀座、阀杆及导向套等组成。图3呼吸阀呼气端与吸气端为同轴结构，也可为并列结构。呼吸阀的开启压力取决于阀盘的重量。呼吸阀可以自动控制推力油槽内外气体通道的启闭，维持油槽的压力及温度平衡[5]。

3.2 方案实施过程

2021年，在进行机组检修期间，在油槽盖板上加装2个特制呼吸阀。加装呼吸阀的作用在于使油槽与外界相通，减小内外部温差，改善油槽内部的高温情况，减弱或消除油位因高温受到的影响，进而解决油位过高报警的问题。具体实施时，在4号机推力油槽盖板上对称位置打两个安装孔，孔径190 mm，孔距155 mm，内径16 mm，制作法兰孔，准备与呼吸阀配套。将尺寸配套的2个呼吸阀安装在法兰上，调节阀门使呼吸阀的开启压力满足要求。安装完毕后，推力轴承油槽实现与大气相通，解决了推力轴承油槽封闭的问题。呼吸阀可以自主启闭推力轴承油槽的气体通道，通过空气流动调节油槽内的温度作为冷却系统的辅助装置，起到辅助调节温度的作用。当呼吸阀开启时，新鲜空气通过阀门进入油槽内部，避免产生油雾外泄的问题。

3.3 取得的效果和思考

方案实施后，经过一个夏季高温周期的跟踪验证，4号水轮发电机组推力轴承油位不再发生过高报警，较好地解决了高温导致油位波动的问题。

引起推力轴承油位波动的原因较多，包括机组运行工况、推力轴承瓦受力情况、推力冷却系统状态以及机组运行时间等。对于封闭式推力轴承油槽来说，油槽内空气不流通，温度容易升高，油位容易受到温度影响而发生波动。因此，可采用呼吸阀或放气阀等空气交换形式，使得封闭的推力轴承油槽获得空气流通的条件，通过热量交换调节油槽内的温度，同时作为油槽冷却系统的补充装置，共同对抗温度对油位的影响。

4 结语

温度变化导致发电机推力轴承油槽内油位波动的情况比较常见。发电机推力轴承内部的油温主要依靠自带的冷却系统调节，但对于封闭式油槽来说，气温的影响也尤为重要。呼吸阀作为一个调节压力及控制气体交换的部件，也可以起到调节推力轴承油槽内温度的作用。它通过控制油槽内外气体通道的启闭，使得封闭的推力油槽和外界产生气体交换，使得推力轴承内的温度得到有效控制，进而控制发电机推力轴承内油位的波动。

呼吸阀除了具有调节油槽内部压力和进行气体交换的作用外，也可以作为发电机推力轴承冷却系统的补充部件使用。呼吸阀改善了之前高温影响油位的情况，较好地解决了水轮发电机组推力轴承油位过高报警的问题，极大地提升了机组运行的平稳性和可靠性。