大型水轮发电机推力轴承热边界层隔离降温技术及工程应用

钟海权，欧阳宁东，杨培平

（东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000）

0 引言

水轮发电机推力轴承工作时，轴瓦顺转向与镜板形成楔形间隙，冷油在旋转镜板的带动下从楔形间隙的大口侧进入，从楔形间隙的小口侧流出，又进入下一块瓦的楔形间隙，并在镜板工作面与轴瓦工作面之间形成用于承载载荷的油膜。油在经过镜板摩擦后会变热，由于油的黏附作用，镜板工作面通常附着一层厚度小于1mm 的热油，温度远高于油槽油温，该薄层内温度梯度很大，称为热油边界层[1]，是推力轴承固有的。热油边界层，提高了轴承的工作油温，降低了轴承的承载能力，轴瓦容易损坏。

本文分析了热油边界层对推力轴承性能的影响，介绍了热油边界层隔离降温技术的原理、热油隔油装置[2]的结构及工程应用效果。模拟试验和工程应用结果表明，热边界层隔离降温装置（以下简称热隔装置）能够明显提高推力轴承承载能力、降低运行瓦温约5K 以上。

1 推力轴承热油边界层隔离降温技术的原理

1.1 推力轴承瓦间油流一般特点

水轮发电机推力轴承一般由转轴、镜板、轴瓦和支撑件等组成，转轴与镜板固定连接用于带动镜板转动，轴瓦为多个，分布在转轴四周，且轴瓦倾斜设置在镜板的工作面下方，并顺转向与镜板形成楔形间隙，楔形间隙的大口侧为进油端，楔形间隙的小口侧为出油端，轴承支撑件固定在油槽内。

推力轴承工作时，冷油在旋转镜板的带动下从楔形间隙的大口侧进入，从楔形间隙的小口侧流出，并在镜板工作面与轴瓦工作面之间形成用于承载载荷的油膜。但在相邻两块轴瓦中，由于前一轴瓦的出油端为后一轴瓦的进油端，而油在经过镜板摩擦后会变热，这就导致会有部分热油附着在镜板工作面，并在镜板的带动下进入下一轴瓦与镜板之间，提高了轴承的工作油温，降低了轴承的承载能力（如图1 所示）。

图1 推力轴承瓦间油流示意图Figure 1 The oil flow between thrust bearing segment

在实际使用过程中，为了减少前一轴瓦进入后一轴瓦的热油量，通常采用增大瓦间距离的方式，其效果非常有限。为了保持合适的比压，只好增大推力轴承的尺寸，不仅导致推力轴承的空间占用面积增大，还导致整个推力轴承的制造材料和成本增加。

特别是抽水蓄能机组的双向推力轴承，转速达300 ～500r/min，单纯地增大推力轴承的尺寸，还将导致搅拌损耗和总损耗大幅增加，降低机组效率、增加润滑油内部的气泡、增加油槽周边的油雾。

1.2 速度边界层数学模型

在紧贴镜板表面附近有一层油，速度梯度很大，显著地受到黏性的影响，称为速度边界层。在速度边界层内，镜板表面上流速为最大值，距离镜板越远，速度趋近于0。速度边界层以外的流动区域，流体速度很小，称为主体区或外流区（见图2）。速度边界层是由黏滞力产生的效应，和雷诺数Re有关。

图2 瓦间未隔油的速度边界层Figure 2 Velocity boundary layer when no hot oil isolation device

速度边界层厚度δ，定义为同一截面上外部主流速度相差1%的位置与镜板的距离。

速度边界层厚度越小，边界层内速度的变化率越大，可以视为速度的扩散率越大。

润滑油为不可压缩流体，由N-S 方程和连续方程经简化得到瓦间油流的速度边界层方程[3]：

式中：x——顺转向的坐标，m；

y——垂直于镜板的坐标，m；

u——x向速度，m/s；

υ——y向速度，m/s；

ν——油运动黏度，mm2/s；

Ue——外部势流速度，m/s。

1.3 热边界层数学模型

与速度边界层相似，在紧贴镜板表面附近有非常薄的一层热油，该薄层内温度梯度很大，显著地受到热传导的影响，称为热边界层。热边界层厚度定义和速度边界层厚度类似，即同一截面上外部主流温度相差1%的位置与镜板的距离。热边界层厚度越小，表示热交换的效果越好。热边界层厚度与速度边界层厚度的关系由普兰特尔数Pr=μCp/k控制。

热边界层内的热交换方程[3]：

式中：T——油温度，℃；

k——热传导系数，W/（m2K）；

Cp——比热，J/（kg K）；

ρ——油密度，kg/m3；

μ——油动力黏度，Pa·s。

1.4 推力轴承隔油降温技术原理

在相邻两轴瓦之间设置隔油装置[2、4、5]，隔油装置固定在镜板工作面下方的油槽内，隔油板通过弹簧与支撑架连接，隔油板与镜板工作面配合阻挡前一块的热油，使热油流入轴瓦下方的油槽内，不直接进入下一块轴瓦，如图3 所示。瓦间隔油后的速度边界层如图4 所示。

图3 推力轴承瓦间隔油装置及其油流示意图Figure 3 Hot oil isolation device and the oil flow between thrust bearing segment

图4 瓦间隔油后的速度边界层Figure 4 Velocity boundary layer when hot oil isolation device

1.5 瓦间油流温度分析

利用推力轴承热弹流程序求解上述边界层方程，可以得到推力瓦间油流的温度分布。推力瓦之间采用传统的结构，瓦间没有设置隔油装置时，平均半径上瓦间油流的温度等值线见图5。图形左侧是上一块瓦的出油温度，右侧是后一块瓦的进油温度。可见在油槽油温40℃时，后一块瓦实际进油温度高得多，达56.3 ～76.2℃。

图5 瓦间未隔油的油流温度Figure 5 Oil flow temperature when no hot oil isolation device

推力瓦之间采用最新开发的专利技术，在瓦间设置隔油装置时，平均半径上瓦间油流的温度等值线见图6。可见，后一块瓦进油温度计算值为40 ～70℃，平均降低11K。

图6 瓦间隔油后的油流温度Figure 6 Oil flow temperature when hot oil isolation device

2 热边界层隔离降温技术的试验验证

2.1 推力轴承模拟试验原则

模拟试验在东方电机有限公司2000t 级高速重载双向推力轴承试验台上进行。分别采用了4 套模型轴承模拟4 座不同电站进行试验，仅在推力瓦之间安装热隔装置，推力轴承其余结构完全不变，如图7 所示。

图7 热隔装置安装示意图Figure 7 Hot oil isolation device installation diagram

模拟试验按照相同油温下，试验比压Pm、平均线速度Vm相等的原则进行。试验目的是对比采用热隔装置前后的降温效果以及对推力轴承影响。

2.2 偏心支撑推力轴承热隔装置降温效果

常规水轮发电机组推力轴承采用偏心支撑结构，根据其结构和运行工况，可以设计配套的热隔装置并进行对比试验。根据国内电站1 的大型水轮发电机组推力轴承运行工况（油温40℃，比压4.2MPa 左右，平均线速度约27m/s）进行模拟试验。采用热隔装置后，推力轴承瓦温明显下降，如图8 所示。电站1 的推力轴承运行温度（RTD）平均降低超过12K，瓦面最高温度平均降低超过7K，最小油膜厚度平均增加0.02mm以上。

图8 电站1 降温对比模拟试验结果Figure 8 Power station 1 cooling contrast test results

根据国内电站2 的水轮发电机组推力轴承运行工况（油温40℃，比压4.5MPa 左右，平均线速度约23m/s）进行模拟试验。采用热隔装置后，如图9 所示，电站2 的推力轴承运行温度（RTD）平均降低超过10K，瓦面最高温度平均降低大于5K，最小油膜厚度平均增加约0.01mm 以上，油膜厚度分布也更合理。

图9 电站2 降温对比模拟试验结果Figure 9 Power station 2 cooling contrast test results

2.3 双向推力轴承热边界层隔离降温效果

抽水蓄能机组发电电动机需要满足双向转动，其推力轴承通常采用中心支撑结构。根据其结构和运行工况，设计了配套的热隔装置，参照某抽水蓄能机组工况（油温45℃，比压3MPa 左右，平均线速度约39m/s）进行模拟试验。安装热隔装置前后的模拟试验结果，如图10、图11 所示。推力轴承运行温度（RTD）平均降低7.8 ～9.3K，瓦面最高温度平均降低18.5 ～19.1K，最小油膜厚度平均增加0.019 ～0.034mm，油膜厚度分布也更合理。

图10 抽水蓄能机组发电工况降温对比模拟试验Figure 10 Cooling contrast test results under generator working conditions

图11 抽水蓄能机组水泵工况降温对比模拟试验Figure 11 Cooling contrast test results under pump working conditions

3 热边界层隔离降温技术的应用验证

3.1 陕西某机组推力轴承的隔油降温效果

陕西省某水电站一台常规机组，在夏季运行时推力瓦温多次高于报警值，导致长期限负荷运行。2017 年6 月安装热隔装置后，推力轴承运行瓦温同比降低6 ～8K，实现了机组满发的愿望，见图12 和图13。

图12 陕西某电站热隔装置安装示意图Figure 12 Shanxi × power station hot oil isolation device installation diagram

图13 陕西某水电机组安装热隔装置后降温效果Figure 13 Shanxi × power station cooling contrast test results

2018 年4 月，在机组运行了10 个月以后，将热隔装置拆出全面检测，预期会磨损的零件实际磨损量小于0.1mm，远小于该零件容许的磨损值。这说明该装置使用寿命可以满足机组长期运行要求。

3.2 湖南某抽水蓄能机组推力轴承的隔油降温效果

湖南某抽水蓄能电站有装机容量300MW 的抽蓄机组4台，由法国水电企业设计，采用长杆加托盘的支撑结构，不同程度地出现了推力轴承运行瓦温偏高的问题。

尤其是4 号机组，在夏季运行时经常出现瓦温高报警的情况，最高运行瓦温曾经超过84℃，严重威胁机组安全运行。针对该机组运行状况，东方电机有限公司设计了一套热隔装置，于2018 年3 月成功安装在4 号机上。热隔装置安装示意图见图14。

图14 湖南某电站热隔装置安装示意图Figure 14 Hunan ×power station hot oil isolation device installation diagram

安装热隔装置后，该机组推力轴承运行瓦温出现明显降低。对比机组安装前后相同工况下的瓦温数据，无论是发电工况还是水泵工况，推力轴承运行瓦温均降低了10K 以上。降温效果对比见图15、图16。

图16 水泵工况下推力瓦降温效果对比（单位：℃）Figure 16 Cooling contrast test results under pump working conditions（unit：℃）

3.3 广西某机组推力轴承的隔油降温效果

广西某电站机组额定容量228.6MVA，最大推力负荷37240kN，采用小支柱双层瓦，球面支柱支承结构，2020 年夏季该电站8 号机组最高瓦温达到78.8℃[6]，被迫将推力轴承瓦温的整定值调整为80℃报警、85℃停机。

2020 年枯水期该电站8 号机停机改造，加装了热隔装置，与未装热隔装置前进行对比，推力瓦温降低非常明显[6]。推力轴承运行瓦温降低了10.9 ～17.5K，见图17；推力轴承运行瓦温相对于油温的温升降低了5.2 ～11.8K，见图18。

图17 广西某电站8 号机推力瓦温下降效果对比（单位：℃）Figure 17 Cooling contrast test results（unit：℃）

图18 广西某电站8 号机推力瓦相对油温升下降效果对比（单位：K）Figure 18 Cooling contrast test results（unit：K）

3.4 云南某机组推力轴承的隔油降温效果

云南某巨型水电站装设有6 台单机容量为700MW 的立轴半伞式水轮发电机组，额定转速为150r/min，推力负荷27330kN。推力轴承采用小支柱弹性支撑的双层巴氏合金瓦，轴承有效承载面积60313cm2，单位压力4.39MPa，采用外循环冷却方式，由装设在镜板周围的导瓦泵驱动油流动。该电站各机组投产后，使用泵站作为机组技术主供水方式时，推力瓦运行温度比较均匀，但整体偏高，最高运行瓦温为76 ～80℃；当使用顶盖技术供水方式运行时，推力瓦温比泵站主供水时高5 ～8K，最高达85.3℃。在水温和油槽内油温均不高的情况下，最高瓦温已到设定值[7]。

该电站在2011 ～2012 年度检修期间，在1 号发电机推力轴承上新增了2 台并联的冷却器，将推力冷却器数量由4 台增加至6 台。改造后推力油温下降约5K，但推力瓦温无改善[7]。

该电站在2018 ～2019 年度4 号机组大修期间，优化了推力轴承结构，增设隔油降温装置，如图19 所示，使推力轴承运行瓦温平均降低了4.5K，最高瓦温降幅达6.9K[7]，达到了预期效果，保障了推力轴承及机组的安全可靠运行，带来了显著的安全和经济效益。

图19 云南某电站热隔装置安装示意图Figure 19 Yunnan x power station hot oil isolation device installation diagram

4 结论

本文分析了热油边界层对推力轴承性能的影响，介绍了热边界层隔离降温技术的原理、热油隔油装置的结构及工程应用效果，得出以下结论：

（1）热油边界层对推力轴承性能影响很大，提高了轴承的实际工作油温，降低了轴承的承载能力。

（2）采用热边界层隔离降温装置，能够去除镜板工作表面的大部分热油，降低下一块瓦的实际进油温度，可以降低运行瓦温5K 以上，增加油膜厚度0.01mm 以上，明显提高推力轴承承载能力。

（3）热边界层隔离降温装置仅局部改变推力轴承原有结构，结构简单、效果明显，特别适合瓦温高的旧机组推力轴承改造，该类处理措施对推力轴承运行瓦温偏高的各水电站具有良好的参考和借鉴价值。