水润滑轴承的最新研究进展

因为布置更加紧凑, 至各部件的通路更加畅通, 对水润滑轴承的检查更加容易。如前节所述, 油润 滑轴承需要更多必须维护的辅助设施。
( 4) 提高运转率效益。油润滑轴承和轴密封的 维护操作可能是整个发电厂有效利用率低的原因。 由于维修工作的减少和在正常与异常情况下的水润 滑轴承的稳定性, 所以机组不经常停机和停机时间 较短, 对提高发电厂的运转率是有贡献的。
图 8 静水润滑推力轴承的原理
第 1个静水润滑推力轴承是为法国的勒特吕埃 勒工程制造的 (电站装机 45MW, 水头 450 m ) , 是一 台多级水泵水轮机。
推力轴承槽中所需供水取自压力钢管, 如果所 需水压不够, 也可由增 压泵供水。水经过滤 ( 采用 水力旋离器和过滤器 ) 并流至槽的孔口系统。旋转 镜板与固定板之间的水膜产生轴向推力。图 8表示 静水润滑推力轴承的原理。
1. 7 社会效益
阿尔斯通水电公司开发的静水润滑轴承已安装 在 20多台机组上, 累计总运行时间超过 124 a。
第 1 个静水润滑轴承安装在法国勒特吕埃勒 ( Le T ruel) 发电厂的一台水泵水轮机 ( 45 MW, 450 m 水头 )上。该轴承已经与原有设备一起运行了 20 多年。这证明了该系统高度可靠。顾客对水润滑轴 的环境、效率和可用性反映良好。
通过孔口系统向每个槽供水。轴的偏心在轴承 的一侧致使压力升高 (图 3中槽 1) , 因而产生一个相
收稿日期: 2010-05-20
图 3 具有 4个槽的轴的压力场
反的力, 以纠正轴的位置。该自动对中作用为轴线的 性质提供了稳定性, 同时也减小了轴位移和振动。
静水润滑轴承可在所有运行条件下工作, 包括 启动阶段, 而含油轴承是利用轴旋转产生的液体动 力效应工作的。当轴不旋转时, 含油轴承没有对中 作用。相反, 静水轴承即使没有转速时仍能对轴线 对中起作用。在正常和异常情况下, 在起动、停机和 低速阶段, 系统性能均能得到保证。
力轴承技术 可以降低维护要求、提高电厂的运转率。静水 润滑轴承的 优点已经 在数个工程 中得到证实, 它
们适合于安 装在新建和改造工程中。
关键词 : 轴承; 水 润滑轴承; 研究
中图法 分类号: TK 730. 322
文献标志码: A
1 静水润滑导轴承
1. 1 一般原理
与含油轴承相比, 静水润滑导轴承在新建和改 造工程中具有明显的优点。阿尔斯通水电公司安装 这些导轴承已有多年, 获得了丰富的经验。水润滑 导轴承可用于任何尺寸、所有类型的立式与卧式水 轮机 (图 1) 。
水推力轴承在起动阶段和低速时期仍能发挥功 能。无论轴转速的高低, 均能建立水膜。正常、暂态 和异常条件下的功能得到保证。在失去供水的情况 下, 陶瓷涂层的镜板和固定板可保护轴承系统。 2. 2 油润滑与水润滑推力轴承的比较
现将导轴承的实例研究与推力轴承作一比较。 在该实例中, 目标是评价油和水润滑推力轴承的总 损耗。在正常情况下, 轴的转速和轴向推力分别为 430 r /m in和 1 800 kN( 表 2)。
( 5) 健康与安全效益。水润滑系统上安装了许 多压力与流量传感器, 以防止不正常的运行。此外, 消除了发电厂中的油蒸气, 从而排除了因地面湿滑 而使发电厂工人滑倒的可能性。
( 6) 经济附加值。图 6表示安装油润滑轴承与 水润滑轴承的经济比较, 并以一台运行寿命为 40 a
的 70 MW 混流式机组为例加以说明。 可量化的 经济价值。因降低维护成本、具有更高的可用性而 减少发电厂停电, 因减少摩擦和泄漏损失而提高效 率。 不可量化的经济价值。因环境友善、增加发 电厂使用寿命以及降低健康与安全风险。通过几个 工程实例研究得知, 水润滑轴承的投资基本可在 2 a 内收回, 给顾客带来很大的附加值。
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2010年 8月
水 利 水 电 快 报 EW RH I
第 31卷第 8期
图 7 通阿提奈工程的静水润滑轴承
似, 没有污染风险, 且效率较高。 推力轴承的作用是支撑由水轮机各部件的重量
和水推力产生的轴向荷载。推力轴承镜板 (图 8)与 轴相连, 通过两个板之间的水膜将轴向荷载传递到 发电厂土建工程部件。
1. 5 安全系统
轴承内径和套筒 (或轴 ) 外径上的陶瓷涂层, 可 在出现供水故障时有效地保护整个系统。轴承配备 有安全传感器, 这就进一步增加了系统的安全性, 在 供水系统或者可充气密封出现故障时, 会发出停机 令。安全元件包括:
( 1) 压力开关和压力传感器, 用以检测水压过 低或过高;
( 2) 流量表, 以保证供水; ( 3) 温度探头, 用以检测任何异常温升。
塔斯马尼亚 ( T asm an ia) 水电咨询公司对于 4 a 前在特雷瓦林 ( T revallyn)发电厂投运的静水润滑轴 承发表如下评论:
该工程水润滑轴承的效益包括无油的环境效 益、简化了水轮机和轴承设计、降低了靠近水轮机转 轮的轴承、新轴承也用作轴密封, 因此消除了需要单 独水轮机轴密封的必 要性 。 现在已经 安装了 2 个轴承, 第 1个调试与运行已超过 12个月, 第 2个 接近 12个月。自最初为保证足够的流量和压力而 进行的调试试验和供水调整以来, 新轴承从未发生 过任何故障, 甚至在甩负荷期间也能应付接近水轮 机飞逸的过速 。
[法 ] E. 戈德克 等 水润滑轴承的最新研究进展
1. 6 静水润滑轴承的效益
( 1) 发电厂效率。静水润滑轴承在提高发电厂 效率方面可发挥重要作用。
因为油和水的粘度不同, 水润滑轴承的摩擦损 耗下降 50% 。温升非常有限, 不再需要冷却系统, 因此提高了发电厂效率。同样, 因为悬臂效应较低、 靠近转轮的轴位移较小, 可减小设计用于油润滑轴 承的迷宫间隙, 因此减少了漏水。
计算表明, 水导轴承的总损耗减少 50% , 温升 低于 1 。
表 1 水与油润滑导轴承等效径向负荷的 比较
项目
水导轴承 油导轴承
径向负荷 / kN
110 110
轴向位移 /m
35 92
水流量 / ( L s- 1 )
2. 4 -
总损耗 /kW
9. 5 18. 7
1. 3 水润滑导轴承技术
静水润滑轴承的主要功能是产生径向刚度, 以 减小轴线的径向位移。而且, 假设在含油轴承情况 下, 轴密封功能由一个独立元件来实现。图 5 表示 了水润滑轴承与油润滑轴承所需要的安装空间。由 于水润滑轴承结构紧凑小巧, 因而易于适应新建与 改造工程, 包括替代含油轴承。
( 2) 环境效益。河流中的大多数漏油来自水轮 机油润滑轴承, 它们可对环境造成重大破坏。因此, 它们也损毁了水电的名誉, 甚至遭到罚款。而采用 水作为润滑剂是防止漏油进入河流 的根本解决办 法, 因此, 消除了污染风险。
( 3) 维护效益。静水润滑轴承的维护非常方便。 因为已经从系统中去除了轴密封及其供水辅助设施 (很难到达 ), 大大减少了这些元件的维护量。
1. 4 辅助部件
供水系统包括: ( 1) 如果水头能在轴承槽中生成足够高的压 力, 只要在压力钢管处设一个进水口。在其他情况 下, 可安装一台增压泵增加水压。 ( 2) 一个过滤系统, 包含自动过滤器和水力旋 流器 ( hydrocyclon)。 ( 3) 调节各槽供水流量的孔口系统。 如果需要增压泵, 可以提供 2台独立的水泵, 以 获得平行的系统, 允许电厂不停运情况下进行维修。 水润滑轴承不需要油润滑导轴承的辅助设备, 包 括油泵、油路和油冷却系统。这是因为水的摩擦比油 的摩擦小得多。同样, 温升也平稳得多。
静水导轴承比含油导轴承更加刚性、更加紧凑。 而且, 它们能更加靠近转轮, 最小化悬臂作用。因 此, 转轮的径向位移较小, 可降低固 定迷宫环的间
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图 5 油和水导轴承所要求的安 装空间
为了方便安装和维修, 轴承体可制成一个或几 个部件。轴的外表面 ( 或覆盖它的不锈钢套筒 ) 和 轴承内表面用陶瓷涂层保护, 以防止在供水故障时 出现任何问题。为防止水轮机在停机时向轴承漏水 或在维修期间向过滤系统漏水, 在轴承体下部布置 有一个可充气的密封。
隙, 减少了泄漏, 提高了整个电厂的效率。
图 4 水润滑轴承与油润滑轴承的刚度比较
水润滑导轴承与油润滑导轴承等效径向负荷的 比较情况列于表 1。由表 1 可以看出, 水润滑导轴 承使轴承的总损失最小。已经对中等尺寸的水轮机 进行了该计算。它考虑了所有的损耗, 包括压力钢 管向轴承供水的少量水流的分流引起的摩擦损耗和 功率损耗。轴承 直径 为 600 mm, 径 向负 荷为 110 kN, 轴的转速为 430 r/m in。
( 1) 轴承体材料为铸造不锈钢; ( 2) 轴承体由螺栓连接的 2个部件构成。
2 静水润滑推力轴承
图 6 油润滑轴承与水润滑轴承的经济附加 值比较
2. 1 一般原理
如同对待导轴承那样, 阿尔斯通水电公司开发 了一个系统, 用静水润滑推力轴承替代传统的油润 滑推力轴承。该推力轴承与静水润滑导轴承技术类
表 2 等值轴向载荷的油润滑和 水润滑推力轴承的比较
项目
轴向载荷 / kN
水推力轴承 1 800
油推力轴承 1 800
膜厚度 /mm
0. 11 0. 07
水流量 / ( L s- 1 )
4. 7 -
比压 /M Pa
2. 5 2. 5
总损耗 / kW
16 82
表 3 水技术替代油技术的实例研究
项目
水导轴承 + 水推力轴承 油导轴承 + 油推力轴承
图 2 水润滑导轴承的原理
图 1 静水润滑导轴承
静水润滑技术在轴承中不需要油, 消除了污染 河流的风险。由压力钢管直接供水, 如果压力钢管 的水压不够高, 可采用水泵。经过轴承体中几个机 加工的槽供水。轴承槽中水压由负荷容量确定, 通 过一个孔口系统调节。图 2和图 3详细说明了在一 个轴偏心时的轴承特性。