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二滩水电站水轮发电机组为半伞式机组,由加拿大GE公司设计,并由国内外制造厂联合制造。其下导轴承及推力轴承具有承载大、结构紧凑、安装简便等优点。但由于机组轴承在设计、制造、安装等方面存在一些疏漏,导致机组在试运行过程中曾出现6、4、2号机下导和推力油槽甩油,1号机下导瓦烧损,推力瓦、下导瓦长期运行于报警温度附近等问题。现将其结构特点、运行及处理情况作简要介绍。
1 机组下导、推力轴承的基本参数
额定转速142.86 r/min;推力负荷 2 200 t;下导轴领直径φ4 170 mm;下导瓦间隙0.43 mm;下导瓦块数34;推力瓦块数24;下导、推力油槽的注油容量10 m3;
单块推力瓦面积2 162.29 cm2。
2 下导、推力轴承的结构形式
2.1 下导、推力轴承油槽结构形式
二滩电站的下导轴承、推力轴承均布置在下机架内,共用一个油槽,推力头的外圆面即下导轴领。推力头上设有用于润滑下导瓦的泵油油道,其上端面设有一个φ6 mm的溢油孔。
下机架油槽内共有3个油腔。下导瓦外侧与下导瓦基础环板以上构成A腔;推力轴承外侧与下导瓦基础环板以下分隔为B腔,冷却器即布置于此;推力瓦架与内挡油圈形成C腔。各油腔间均有通管或通孔相连构成油路,油在运转离心力的作用下形成油循环,A腔油压大于C腔,小于B腔。B腔为冷油区、A腔为热油区,C腔油温在B腔、A腔之间。
油槽静止注油油位为下导瓦基础环板以上50 mm,此时下导瓦润滑油淹没高度为80 mm,挡油圈顶部至油面距离为211 mm。
2.2 推力瓦的技术参数和结构形式
2.2.1 推力瓦的平均压力、PV值和损耗
经计算得出推力瓦的平均压力P、PV值和损耗分别为:P=4.15 MPa;PV=113.74 MPa ;Q=531.28 kW,上述参数均高于国内同类机组。
2.2.2 推力瓦的结构形式
国产同类机组一般采用厚型推力瓦,以防止机械变形和热变形烧瓦。尽管二滩机组的推力瓦的平均压力、PV值和推力轴承总损耗均高于国内同类机组,但其推力瓦却采用分块扇形钨金薄瓦,厚度T仅为45 mm、周向平均长度L为479 mm,其厚长比T/L为0.1,低于国内设计中为减小推力瓦变形所规定的0.2≤T/L≤0.3。推力瓦背面加工有126条4.5mm×1.6 mm散热弧形槽。推力瓦背进、出油边两侧分别加工有径向散热出油槽、进油槽,在出油边的进油槽口设有散热进油嘴。推力瓦下衬有5 mm厚不锈钢垫板,形成推力瓦背部的冷却油散热通道,见图1、2。推力瓦表面不用刮进油边,在厂内已将推力瓦4个角50 mm范围内刮低0.13 mm。相邻推力瓦周向间隙为50 mm。
推力瓦采用了受力均匀的小弹簧多点弹性支撑,每块瓦下由70个高度为58.67±0.08 mm、预紧力为770±45 kg的弹簧支撑,可自动调节瓦的受力和保证瓦面自由随动倾斜、无机械变形,安装中不用调整受力、不用刮瓦。推力瓦偏心支撑点由弹簧的偏心布置形式决定。
2.3 下导瓦的技术参数和结构形式
2.3.1 下导轴承的总损耗
经计算得出下导轴承总损耗Q=91.3 kW,高于国产同类机组。
2.3.2 下导瓦的结构形式
下导瓦为分块钨金瓦,见图4。瓦面加工了横向进油槽、纵向分油槽、溢油槽(溢油槽内有3个径向溢油孔),下导瓦左右两个端面均加工有纵、横隔板槽。下导瓦布置紧密,相邻下导瓦之间周向间隙仅为2.5±1.3 mm。相邻下导瓦之间的隔板槽内均装有隔板。使所有下导瓦的进油槽、分油槽、溢油槽连为一体,形成一个与热油区A腔分隔的下导瓦环形润滑油道,这种结构利于润滑、不利于散热。下导瓦采用支柱球头螺栓单点刚性支撑,其支撑中心偏离瓦中心28.8 mm。
3 推力轴承和下导轴承的润滑和冷却
机组运转后,经冷却器冷却的B腔润滑油与下导瓦分油槽、推力头泵油道喷出的部分热油混合形成温油后,从推力瓦进油边进入推力瓦面润滑,与镜板摩擦后形成的热油由出油边排出,然后在B腔、C腔压力差的作用下被吸入C腔,见图1。推力瓦采用的是瓦背强迫循环冷却方式。B腔的温油在旋转油流和B、C腔压力差的作用下被吸入推力头散热进油嘴,由推力瓦背的进油槽分别均匀流入弧形散热槽,既降低瓦温,又减小了瓦背瓦面的温度梯度、减小或消除了热变形,然后热油从推力瓦背的出油槽也排至C腔,见图1、2。推力轴承属温油循环。
下导轴承有2个润滑油供油源。主供油源为A腔的油在重力和A、C腔压差的作用下进入连通管,通过连通管壁与B腔冷油进行传导,不充分冷却后进入C腔的温油;副供油源为推力瓦排入C腔的热油和由B腔吸入的下导瓦分油槽、推力头泵油道排出的部分热油。主供油源和副供油源的油在C腔内混合后,在离心力作用下进入推力头泵油油道。在泵油油道内经过被摩擦加热的镜板后,一部分由轴领喷回B腔冷却,然后进入下一个推力轴承润滑循环,另一部分由轴领喷入下导瓦进油槽,再由分油槽分配,部分至下导瓦面润滑、部分从分油槽下口进入B腔。润滑后热油从下导瓦的溢油槽流到A腔,再次进入下一轮下导轴承润滑油循环。下导瓦浸在A腔油中自然冷却。下导轴承属热油循环。
当少量的油流沿挡油圈上爬至推力头后,油流在离心力的作用下由推力头上一个φ6 mm的溢油孔回流A腔。
4 轴承在安装中出现的问题
下导油槽内的挡油圈为薄壁件,易发生焊接变形。在现场焊接4号机挡油圈(同心度公差为1.0 mm,圆度公差为2.0 mm)时,因加固不良、监测不当,焊后圆度变为11 mm,后经多方调整也只将圆度校正为5 mm后勉强投入使用。
5 下导、推力轴承油槽的甩油及处理
1998年6月15日,6号机首次运行时,下导、推力油槽出现甩油。油流分别沿挡油圈的内壁流下和推力头与转子的接触面甩出。甩油量为1.07 kg/h。后将下导油位降低40 mm运行时,仍然甩油不止。
5.1 下导、推力轴承油槽的甩油原因
(1)设计的下导轴承油路循环决定了甩油趋势的存在。机组运转时在推力头的泵油作用下,A、B腔所有的润滑油都要经过C腔才能向上被吸入推力头,从而C腔油流在与A、B腔压力差的作用下,存在沿挡油圈上爬,涌出挡油圈的趋势。由于挡油圈底部处于发电机风路的负压区,增加了这一趋势;
(2)设计的防甩油措施失效。厂家在上导轴承挡油圈底部设计了均压补气管减小挡油圈底部负压以削弱甩油趋势,在下导轴承内未对此采取措施。当甩出的润滑油爬到推力头上端面后,油流为紊乱的泡沫状态,仅仅靠推力头上一个φ6 mm的溢油孔是不可能完全排出溢油的。而推力头与转子接触面无密封装置,无法阻止油流由此溢出;
(3)挡油圈无密封装置。运行时轴领的高速运行及油的粘滞性,使挡油圈和轴领之间油腔中的油流呈紊乱状态,而此油腔是开敞式的,无任何平抑紊乱油流防其上涌的措施。隔河岩电站同一厂家制造的机组的下导挡油圈就设计了4道密封有效抑制甩油。天生桥一级电站机组的下导轴承油槽挡油圈无密封装置时甩油不止,挡油圈安装密封装置后未再甩油;
(4)挡油圈的高度不足。挡油圈顶部至油面距离为211 mm,即使降低40 mm油位,挡油圈顶部至油面距离也仅为251 mm,仍未停止甩油(隔河岩机组为278 mm)。
5.2 下导、推力轴承油槽的甩油处理措施
厂家在充分吸收中方意见后,提出了以下防甩油处理方案.
(1)在推力头上加装直角挡油环。挡住流向推力头接缝处的油流,并利用挡油环上环翼板在离心力的作用下补气,减小挡油圈顶部的负压和C腔与A、B腔的压力差,减小油流上涌趋势;
(2)在挡油圈内安装一阻油疏齿密封环。其与推力头裙环间隙为4 mm,以平抑上涌的紊流;
(3)在推力头与转子组合面上加工一个O型密封槽,安装一个φ10 mm O型密封圈;
(4)加高内挡油圈。
5.3 下导、推力轴承油槽的甩油处理效果
采取上述措施后6、5、3、1号机下导、推力轴承油槽未再甩油。由于4号机挡油圈圆度严重超差,产生泵油效应致使内挡油圈再次甩油;由于2号机下机架挡油圈直径偏小,阻油疏齿环环于挡油圈间隙大于4.5 mm,平抑紊流效果降低导致甩油。4号、2号机加高内挡油圈后,未再甩油。为进一步加强平抑紊流作用,二滩电厂在机组检修时拆除了直角挡油环,把阻油疏齿改为阻油叶栅,运行效果良好。
6 推力瓦、下导瓦瓦温偏高处理办法
二滩水电站机组正式投运1年后,推力瓦温度在65～70℃之间,下导瓦温度在77～78℃之间,瓦温较高,均分别运行于报警温度70℃、80℃附近。
6.1 瓦温偏高的原因
推力瓦、下导瓦油温较高同样是与其结构特性直接相关的。
(1)推力、下导瓦负荷较大、损耗较高,产生的热量高;
(2)推力瓦、下导瓦循环冷却效果差。推力瓦为温油循环,下导瓦为热油循环。而下导瓦被隔板分隔为内外两层,只有下导瓦外层浸在处于热油区A腔中冷却,导热面积较小,冷却效果差;
(3)油槽容积偏小。油槽注油量仅为10 m3,约为国内同类机组的一半,循环散热条件差。
6.2 降低推力瓦、下导瓦瓦温的设想
厂家现场人员曾建议增大下导瓦间隙来减小下导轴承的负荷以降低瓦温,被总部否决,他们认为上导、下导、水导轴领直径与轴承间隙的等比关系是不能轻易改变的,增大下导瓦间隙改变等比关系势必加重上导、水导的负荷造成新的问题。
笔者认为应围绕降低下导瓦主、副供油源的温度来采取措施。为使主供油A腔的热油在进入C腔前充分冷却,在每根连通管面向推力冷却器侧钻数个φ3～6 mm的油孔,使B腔冷油能直接进入连通管,从而使连通管的热油通过传导和对流两种方式充分冷却后再进入C腔。此处理方法简单易行,但由于B腔压力高于A腔和C腔,在连通管上钻油孔数目的多少及油孔的直径需经现场试验确定,以防B腔进入连通管的油流过多而造成甩油。另外 ,在推力头外围加设导流环板,见图3。该板把B腔分隔为上部热油进入区和下部冷油流出区,使下导瓦分油槽和推力头泵油道排出的全部热油经冷却器充分冷却后再被吸入C腔。下导瓦温下降后,油槽内油温相应降低,从而使推力瓦温降低。
6.3 下导瓦的烧损
在1号机首次启动运行2 h后,因推力环形瓦座8个40 mm×100 mm的主通孔在制造厂内未加工,导致原设计的主供油源——由连通管进入下导瓦的润滑油通道截面积减小了47倍,致使下导瓦主要靠副供油源的热油进行润滑,造成所有下导瓦全部烧损。停机将它们连通后,重新启动机组,下导瓦瓦温恢复正常。
7 小结
(1)良好的设计是机组安全稳定运行的关键。二滩水电站的发电机下导轴承和推力轴承具有承载大、结构紧凑、安装简便的优点。且轴承结构形式独特,推力薄瓦采用的小弹簧多点弹性支撑,瓦面比压和油膜厚度均匀,推力瓦背采用强迫循环冷却方式,减小或消除了热变形,避免了国内经常采用的支柱螺栓单点刚性支撑、单托盘支撑所造成的因瓦面比压和油膜厚度不均匀,引起机械变形和热变形叠加导致烧瓦的现象。下导瓦布置紧密,所有瓦面的润滑、冷却油道为1个与热油区隔离的整体。故推力瓦、下导瓦尽管瓦温偏高但运行温度稳定。同时,也存在防甩油措施效果不佳、运行温度较高的缺点,有待进一步改进和完善;
(2)优良的制造、安装质量是机组安全稳定运行的保证。如果不出现施工和加工失误,那么,4号、2号机的轴承甩油、1号机组的下导烧瓦是完全可以避免的。
总之,二滩水电站机组的推力、下导轴承的生产、投运过程,为国产同类机组轴承的设计、制造、安装都提供了可借鉴的经验。
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