武中德，張宏，吳軍令

（水力發電設備國家重點實驗（yàn）室，黑龍江哈爾濱，150040）

　　【摘　要（yào）】本文（wén）介紹了1000MW水（shuǐ）輪發電機推力軸承冷卻技術，分析了推力軸承冷卻技術特性。包括抽屜式內循環冷卻方式、外加泵和（hé）導瓦泵外循環冷卻方式。對巨型機組（zǔ）推力軸承（chéng）的（de）冷卻技術提（tí）出了（le）建議。

　　【關鍵詞】1000MW水輪發電機；推力軸承；內循（xún）環；外循環；冷卻技術

　　1　前（qián）言

　　對於大型水輪發（fā）電機，推力軸承的設計和製造技術是非常重要的，而冷卻技術又（yòu）對推（tuī）力軸承的性能有著非常重要的影響。哈爾濱大電機研究所和哈爾濱電機廠有限責任公司投入了大量（liàng）的人力和物力進（jìn）行了相應的技術研究。
　　在3000噸推（tuī）力軸（zhóu）承（chéng）試驗台上，1992年進行了（le）岩灘抽屜式冷卻器（qì）的內循環方式巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦推力軸承的真機試驗，1997和1999年進行（háng）了三（sān）峽抽屜式冷卻器的內循環方式的彈性金屬塑料瓦和巴氏合金瓦真機全尺寸模擬試驗，2003年進行了鏡板泵外循環冷卻方式的（de）巴氏（shì）合金（jīn）瓦雙向推力軸承試驗，2010年進行（háng）了抽屜式內循環冷卻方式、導瓦泵和外加泵外循環冷卻方式的1000MW級水輪發電機（jī）組（zǔ）彈性金屬塑料瓦和巴氏合金瓦推力軸承試驗，2011年進（jìn）行了外加泵外循環冷卻方（fāng）式的溧（lì）陽雙向（xiàng）巴氏合（hé）金瓦和彈性金屬塑料瓦推（tuī）力軸承試驗。
　　這些試驗（yàn）研究，還包括了油槽內的油路結構設計、冷熱油分（fèn）隔（gé）等，對內循（xún）環和外（wài）循環冷卻係統有（yǒu）了更深入的了解。

　　2　推力軸承冷卻（què）方式

　　循環冷卻方式包括內循（xún）環和外循環冷卻方式兩種（zhǒng）。外循環冷卻是指冷卻器與推力軸承分別安裝（zhuāng）在油（yóu）槽（cáo）的外部和內部，外循環又依循環動力的方式分（fèn）為自（zì）身泵和外加泵兩種形式。
　　內循環（huán）冷卻方式是指油冷（lěng）卻器與推力軸承安裝在（zài）同一（yī）油槽內，依靠油槽內旋轉部件如鏡板、推力頭等的粘滯作（zuò）用和油的對流換（huàn）熱形成循環回（huí）路。內循環（huán）以冷（lěng）卻器的形式分為（wéi）立式冷（lěng）卻器，臥式冷卻器和抽屜式冷卻器三種方式。
　　外循環冷卻是指（zhǐ）冷卻器與推力軸承分別安裝在油槽的外部和內部，外循環又依循環動力的方（fāng）式分為自身泵和外加泵兩種形式，自身泵又分為（wéi）鏡板泵和導瓦自泵（bèng）兩種。采用（yòng）外循環或內循環冷卻，從冷卻效果分析，兩者並沒有明顯的差異。高（gāo）轉速機組推力（lì）軸承一般采用外循環冷（lěng）卻。
　　2.1內循環特性
　　內循環冷卻方式是指油冷卻器與推力軸承安裝在同一油槽內（nèi），依靠油槽內（nèi）旋（xuán）轉部件如鏡板、推力（lì）頭等的粘滯作用和油的對流換熱形成循環回路。為了加強循（xún）環效果（guǒ），還可以安裝軸流泵葉片（葉輪泵）或者是在鏡板上（shàng）加工（gōng）徑向孔強製流油循環。
　　內循環以冷卻器的形式分為立式冷卻器（qì），臥式（shì）冷卻器和抽屜式冷卻器三種方式。立式（shì）油冷卻器結（jié）構適用（yòng）於懸式電機推力軸承。抽屜式油（yóu）冷卻器（圖1）適用於傘式電機推力軸承。

　　油冷卻器（qì）裝設在軸承油槽（cáo）內，並全部浸在潤滑（huá）油中以（yǐ）便進（jìn）行熱交換。冷卻器應靠近鏡板外緣，以獲得一個合適熱交換的油流速。潤滑油內循環的動力是潤滑油的粘滯作用。為減小壓頭損失（shī）和攪拌損耗，冷卻器距鏡板不宜過近。冷卻器的結構尺寸，一般以每千瓦損耗所用冷卻管長度確定。
　　哈電公（gōng）司設計（jì）製造的內循環推力軸承應用Z多的是采（cǎi）用抽屜式冷卻器。這種冷卻器安裝在油槽壁上（shàng），每個冷卻器相（xiàng）應於一塊推（tuī）力瓦的位（wèi）置。冷卻器由（yóu）一組同心排列的“U”型（xíng）管組成。這種（zhǒng）冷卻器的冷卻管的長度較短，不易堵塞，對水質的要求相對（duì）較低。另外，這種冷卻器拆裝方便，通過其安裝孔可以抽（chōu）瓦，冷卻器和軸承的檢修便利。如岩灘機組其冷卻方式采用抽屜式冷卻器內循環，裝有（yǒu）葉輪（lún）泵加強循環效果。在3000噸（dūn）推力軸承試驗台上（shàng）對真機推力軸承作了真機模（mó）擬試驗，沿油槽截麵安（ān）裝一組熱電偶（ǒu），測量油的溫度分布，其差（chà）值（zhí）Z大為0.5K。此（cǐ）時油溫（wēn）24℃，說明油槽內油的溫度是均勻的（de）。典型的內循環（huán）冷卻機組是水口、岩灘、葛洲壩、五（wǔ）強（qiáng）溪、天生橋I級和小浪底等。
　　彈性油箱（xiāng）支撐結構（白鶴灘）塑（sù）料瓦推（tuī）力軸承，采用抽屜（tì）式內循環冷卻方式，額定（dìng）工況下，油溫36.9~41℃<[50℃]，推力瓦（wǎ）溫度49.6~52℃<[60℃]（RTD），推力瓦間溫度差2.3K<[5K]，瓦麵溫度83.6℃<[90℃]。
　　2.2鏡板泵外循環特性
　　鏡板泵外循環（圖2）適宜在高轉速機組（zǔ）上使用（yòng），一是推力軸承PV值高，二是（shì）軸承的尺寸較小。自身（shēn）泵是利用軸承旋轉部件加工數（shù）個徑向或後傾泵孔形成。當機組運行時（shí），可形成穩定的壓頭。在（zài）旋轉體的外側，附加有集油槽，將泵打出的油匯（huì）集入係統（tǒng）油（yóu）管並（bìng）進入油冷卻器，經冷卻（què）後沿環管（guǎn）、噴油管再噴到瓦的進油邊附近。為防止熱油攜（xié）帶（dài）到第二塊瓦、一般在兩塊瓦之（zhī）間安裝有刮油裝置。
　　典型的鏡板泵外循環冷卻機組是（shì）天生橋II級、拉西瓦、錦屏I級等。

　　天生橋II級推力軸承（chéng）鏡板泵的空載壓頭為0.176MPa，工作壓頭0.123MPa。對天生橋推力軸（zhóu）承的自身泵外循環工作性能進行的測試結果表明：油循環（huán）係統滿足正常（cháng）工況（kuàng）運行（háng）要求，實測工作壓頭為0.08MPa，潤滑油流量（liàng）2430L/min。其瓦間噴油管的出口壓（yā）力低，這（zhè）與循環係統中的（de）集油槽密（mì）封和油（yóu）過（guò）濾器的（de）關係較大。

　　在哈（hā）電公司3000t推力軸承試驗（yàn）台進行雙（shuāng）向試驗推力軸承鏡板泵的空載壓頭為0.20MPa，工作壓頭0.148MPa。測試結果表明：油循環係統滿足正（zhèng）常工況運行要求。其設計壓頭為（wéi）0.148MPa，實（shí）測（cè）為0.13MPa，潤滑油流量1206.0L/min。集油槽密封采用了接觸密封，效果較好。
　　2.3外加泵外循環（huán）特性

　　外加泵外循環係（xì）統（圖3）在油的循環回路係統中外加一組互（hù）為（wéi）備用的電動（dòng）油泵，作為循（xún）環動力，由冷卻器、濾（lǜ）油器、壓力表、流（liú）量顯示器和閥門（mén）等元件組成。潤滑油在油槽內部可采用瓦間（jiān）噴管結構或瓦間（jiān）隔（gé）板結構進行潤（rùn）滑。外加泵外循環（huán）係統對外部管路和元件的阻力要求不高，適用於大負荷、低速推力軸承。

　　1）瓦間噴管結構。進、出油環管（guǎn）布（bù）置在油槽內。在進（jìn）油（冷油）環管（guǎn）上按瓦數布置小孔噴管，直接引（yǐn）入瓦（wǎ）間噴油潤滑冷卻。在出油（熱油）環管上布置吸油管（guǎn），將上浮的熱（rè）油吸走，進入冷卻（què）器，重複循環（huán）。適用於一般負荷的推力軸（zhóu）承。
　　2）瓦間隔板結構。將成型隔板插入瓦兩側的溝槽內（nèi），與鏡板麵高度之間形成一個徑向通（tōng）道。該結構油槽中必須設隔油板，將油槽分成上、下兩空腔。上部（bù）空（kōng）腔為熱油區，下部空腔為冷油區。根據情況，也可將進、出油環（huán）管（guǎn）布置在油槽外部，但必須采用連通管將冷油區（qū）的（de）一部（bù）分油引到穩油（yóu）板（bǎn）上方，以改善軸承運行條件。適用於超大型推力軸承。
　　典型的外加泵外循環冷卻機（jī）組是龍灘、官地等。
　　推力軸承冷卻係統采用（yòng）外加泵外循環冷卻方式，冷卻器、泵、油過濾器及（jí）相應閥門等均100%備用，故障時（shí）可自動（dòng）切換到備用管（guǎn）線工（gōng）作，並發出報警信號，以保證油循環係統的（de）可靠運行。如工（gōng）作油泵發生故障，可自動切換到備（bèi）用油泵工作，並發出報（bào）警信號。
　　彈性油箱支撐結構（白（bái）鶴灘）塑（sù）料瓦推力軸承，采用外加泵外循環冷卻方式，額定工況下，油（yóu）溫37.9~39.2℃<[50℃]，推力瓦溫度48.3~50.6℃<[60℃]（RTD），推力（lì）瓦間溫度差2.3K<[5K]，瓦麵溫度79.9℃<[90℃]。

　　2.4導瓦泵外（wài）循環特性

　　導瓦泵外循環（圖4）適宜在較高轉速機組上使用，一是推力（lì）軸承PV值（zhí）較高，二是軸承的（de）尺（chǐ）寸較小。自泵瓦是利（lì）用導軸承瓦的（de）泵孔（kǒng）和軸徑的（de）旋轉形成。當（dāng）機組運行時，可形成穩定的（de）壓頭。在導軸承的底部，附加有出油管，將泵打出的油匯集（jí）入係（xì）統（tǒng）油管並進入油冷卻器，經（jīng）冷卻後（hòu）沿環管（guǎn）、回油管再回到瓦（wǎ）的內緣附近。為（wéi）防止冷熱油（yóu）混（hún）合，一般（bān）有冷（lěng）熱油分隔裝置。結構複雜，設備投資比內循環的大，管路部件（jiàn）多，管（guǎn）理維護不便。但其優（yōu）點是拆卸推力瓦不需（xū）拆卸冷卻器，油冷卻器、推力軸（zhóu）承檢（jiǎn）修（xiū）相對便利。單個冷卻器可拆卸維修，不影響其（qí）它冷卻器的使用。典型的導瓦自泵外循（xún）環（huán）冷卻機組是三峽左岸4~6#及10~14#發電機和右岸22~26#發電機以及小灣發電機，在建的（de）三（sān）峽地下、溪落渡、向家壩、白蓮河和蒲石河機組（zǔ）推力軸承也采用導瓦自泵外循環潤滑冷卻。

　　小（xiǎo）支柱結構的巴氏合金瓦推力軸承，采用導瓦泵外循環冷卻方（fāng）式，額定工況下，油溫24.6~33.1℃<[50℃]，推力瓦溫度67.8~69.8℃<[80℃]（RTD），推力（lì）瓦間溫度差2.0K<[5K]，瓦麵溫度72.3℃<[90℃]。
　　小支柱結構的塑料瓦的推力軸承，采用導瓦泵外（wài）循環冷卻方（fāng）式，額定（dìng）工況下，油溫29.7~巴氏合金瓦和39.1℃<[50℃]，推力瓦溫（wēn）度50.1~52.8℃<[60℃]（RTD），推力瓦間溫（wēn）度差2.7K<[5K]，瓦麵溫度68.7℃<[90℃]。
　　2.5內循環和外循環對比
　　采用外（wài）循環或內循環冷卻，從冷卻效果分析，兩者並沒有明顯的差異。
　　采用內（nèi）循環，油冷卻器裝設（shè）在油槽內，冷卻油路循環相對複雜些，拆（chāi）卸推力瓦需先拆卸冷卻器。但其優點是內循環係統管路部件少（shǎo），裝置相對（duì）集中，無附（fù）加備用設備，節省設備投資。軸承內部密（mì）封（fēng）簡單，運行維護簡單可靠。典型的內循環冷卻機組是（shì）水口、岩灘、葛洲壩、五強（qiáng）溪、天生橋I級和小浪底等（děng）。
　　外循（xún）環，即油冷卻器裝設在油槽外，有油循環的動力設備，如鏡板泵或外加油泵及油循環的控製設（shè）備，結構複雜，設備投資比內循環的大，管路部件多，管理維護不便。但其優點是拆卸推力（lì）瓦不需拆（chāi）卸冷卻器（qì），油冷卻器、推力軸承（chéng）檢修相對便利。單個冷卻器可拆卸維修，不影響其它冷卻器的使（shǐ）用。典（diǎn）型的（de）外循環冷卻機組是魯布革、天生橋II級、三峽左右（yòu）岸、龍灘、拉西瓦和錦屏一級等。
　　3　結論
　　推力軸承采用外循環或內循環潤滑冷卻，其效果相近，可根（gēn）據推力軸承的大小、轉速高低（dī）等進行選擇。抽屜式內（nèi）循環冷卻（què）、鏡板泵、導瓦泵和外（wài）加泵外循環冷卻均有一定的優點，它們都是大型水輪發電機推（tuī）力軸承（chéng）可靠的潤滑冷卻方（fāng）式之一。
　　內循環冷卻（què）方式適用於中、低速推力軸承。應用較多。
　　鏡板泵外循（xún）環冷卻方式適（shì）用於高速（sù）大型推力軸承。已在天生橋II級、拉西瓦、錦屏I級等機組及雙向試驗推力（lì）軸承上（shàng）采用。
　　外加泵外循環冷卻方式適用（yòng）於超大型推力軸承，已在龍灘、官地等機組上采用。外加泵外循環（huán）冷卻（què）方式的（de）試驗結果驗證了白鶴灘和烏東德發電機推（tuī）力軸承采用外加泵外循環冷卻方式是可（kě）行的。
　　導瓦泵外（wài）循環（huán）冷卻方（fāng）式（shì）適宜在（zài）較（jiào）高轉速機組上使用，一是推力軸（zhóu）承PV值（zhí）較高，二是軸承的尺寸較小。導瓦（wǎ）泵外循環冷（lěng）卻方式的試驗成果，很好的完善了導瓦泵的設計技術（shù），實現（xiàn）了引進技術的再創新，白（bái）鶴灘和烏東（dōng）德發電機推力軸（zhóu）承采用外加泵外循環（huán）冷卻方式是可行的。