抽水蓄能機(jī)組油槽液位與推力軸承損耗關(guān)系試驗(yàn)研究

歐陽(yáng)寧東，李 寧，鐘海權(quán)，楊培平，馬信武，訾世才

（1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000；2.國(guó)網(wǎng)新源吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林省敦化市 133700）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組通常轉(zhuǎn)速較高，其推力軸承相對(duì)常規(guī)機(jī)組有兩大特點(diǎn)，損耗大、瓦溫高，所以降低抽水蓄能機(jī)組的軸承損耗成為推力軸承研究的一大方向 。

某抽水蓄能機(jī)組單機(jī)容量350MW，額定轉(zhuǎn)速500r/min，屬于高速雙向旋轉(zhuǎn)機(jī)組。如果采用傳統(tǒng)浸泡式的推力軸承設(shè)計(jì)方案，估計(jì)推力軸承損耗在1000kW 以上。為降低推力軸承損耗，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低損耗推力軸承新技術(shù)。該技術(shù)能夠提高推力軸承運(yùn)行效率，并大幅度降低推力軸承損耗[1]，客觀上減少了油霧產(chǎn)生，具有很好的市場(chǎng)推廣前景。

1 低損耗軸承結(jié)構(gòu)

立式水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的潤(rùn)滑冷卻方式，大多采用全浸泡方式（下文稱(chēng)全液位），即推力油槽液潤(rùn)滑油位完全浸沒(méi)鏡板和推力頭等旋轉(zhuǎn)件，對(duì)于推導(dǎo)軸承合油槽結(jié)構(gòu)，液位至少達(dá)到導(dǎo)瓦中線(xiàn)位置，如圖1 所示。

圖1 全液位軸承結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the structure of the full level bearing

東方電機(jī)有限公司開(kāi)發(fā)的低損耗軸承技術(shù)，采用低液位浸泡方式（下文稱(chēng)低液位），主要結(jié)構(gòu)不同之處在于，在原有油槽外部增加了一套高位儲(chǔ)油箱，可以將主油槽中部分潤(rùn)滑油臨時(shí)存儲(chǔ)在高位儲(chǔ)油箱內(nèi)，降低了主油槽工作液位，減少了旋轉(zhuǎn)件攪油損耗，如圖2 所示。

圖2 低液位軸承結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of the structure of a low level bearing

2 理論依據(jù)

推力軸承損耗主要包含兩部分：第一部分為摩擦損耗，是推力軸承摩擦表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)克服油膜剪切應(yīng)力所產(chǎn)生的損耗，是軸承油膜內(nèi)部損耗，無(wú)法避免；可以通過(guò)推力軸承三維熱彈流潤(rùn)滑方程計(jì)算，得到較準(zhǔn)確的結(jié)果[2]。

第二部分為攪拌損耗，是由于鏡板等旋轉(zhuǎn)件浸泡在潤(rùn)滑油中，攪動(dòng)潤(rùn)滑油旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗，屬于寄生損耗，這部分損耗理論上是可以避免的。

全浸泡狀態(tài)下攪拌損耗綜合計(jì)算式為[3]：

式中：H——攪拌損耗，kW；

ρ——潤(rùn)滑油密度，kg/m3；

ω——角速度，rad/s；

r——計(jì)算半徑，mm；

CH——攪拌系數(shù)，無(wú)量綱。

式中攪拌損耗系數(shù)CH計(jì)算式為：

式中：CH——攪拌損耗系數(shù)，1；

r1——鏡板內(nèi)徑，m；

r2——鏡板外徑，m；

θ——瓦夾角，rad；

Z——瓦塊數(shù)，個(gè)；

Re——雷諾數(shù)，無(wú)量綱。

其中雷諾數(shù)計(jì)算式為：

式中：Re——雷諾數(shù)，無(wú)量綱；

r——計(jì)算半徑，m；

ω——角速度，rad/s；

ρ——潤(rùn)滑油密度，kg/m3；

μ——潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度，Pa·s。

攪拌損耗綜合計(jì)算式，可以見(jiàn)攪拌損耗大小與轉(zhuǎn)速角速度ω的3 次方，計(jì)算半徑r的5 次方成正比。

如果要計(jì)算不同液位下的攪拌損耗，需要將攪拌損耗拆分，包括鏡板平面損耗、鏡板內(nèi)外圓柱面損耗、瓦間攪油損耗以及鏡板背面損耗等。在低液位軸承運(yùn)行過(guò)程中，只有鏡板內(nèi)外圓柱面損耗會(huì)隨著液位不同發(fā)生變化[4]。

鏡板外圓柱面損耗占主要部分，單位長(zhǎng)度圓柱面損耗計(jì)算式為[5]：

式中：Hc——圓柱面損耗，kW；

R——油槽外圓半徑，m；

r2——鏡板外圓半徑，m，

ω——角速度，rad/s；

μ——潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度，Pa·s。

3 損耗計(jì)算

根據(jù)某機(jī)組的推力軸承結(jié)構(gòu)，采用相關(guān)計(jì)算程序，可以計(jì)算推力軸承損耗理論值。在轉(zhuǎn)速和推力負(fù)荷等輸入條件不變的情況下，計(jì)算全液位和低液位下推力軸承的損耗。圖3為機(jī)組推力油槽液位示意圖。當(dāng)液位高于頂部粗實(shí)線(xiàn)時(shí)，為全液位工況；當(dāng)液位低于油槽中部粗實(shí)線(xiàn)時(shí)，為低液位工況。

圖3 推力油槽液位示意圖Figure 3 Schematic diagram of thrust oil tank level

3.1 輸入?yún)?shù)

結(jié)合某抽水蓄能機(jī)組的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行推力軸承損耗的相關(guān)計(jì)算。主要輸入?yún)?shù)如表1 所示。

續(xù)表

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 兩種液位損耗對(duì)比

傳統(tǒng)全液位軸承結(jié)構(gòu)與低液位軸承結(jié)構(gòu)主要差別體現(xiàn)油槽液位上，在額定轉(zhuǎn)速、推力負(fù)荷和油槽油溫不變的情況下，計(jì)算兩種不同運(yùn)行液位的摩擦損耗、攪拌損耗和總損耗，將損耗值進(jìn)行對(duì)比，繪制出圖4。

圖4 不同液位工況下?lián)p耗對(duì)比Figure 4 Comparison of losses under different liquid level conditions

從圖4 中的結(jié)果可以看出：

（1）不同液位工況下，推力軸承總損耗變化明顯；

（2）全液位工況下，攪拌損耗與摩擦損耗值相當(dāng)，且總損耗約為摩擦損耗的2 倍；

（3）低液位工況下，攪拌損耗明顯低于摩擦損耗，且總損耗僅略高于摩擦損耗；

（4）從全液位工況到低液位工況，攪拌損耗大幅度降低，摩擦損耗未發(fā)生變化，受攪拌損耗影響，總損耗也發(fā)生較大幅度降低。

3.2.2 攪拌損耗與摩擦損耗對(duì)比

在額定轉(zhuǎn)速和推力負(fù)荷不變的情況下，計(jì)算從全液位下降到低液位過(guò)程中，不同液位的摩擦損耗、攪拌損耗和總損耗，將結(jié)果匯總，得到圖5。

圖5 液位與損耗關(guān)系Figure 5 The relationship between liquid level and loss

從圖5 中的結(jié)果可以看出，從全液位至低液位工況，油槽液位逐漸降低。此時(shí)攪拌損耗與總損耗都在下降，且下降速率與幅度相似。說(shuō)明液位下降過(guò)程中，推力軸承總損耗下降與攪拌損耗減少有直接關(guān)系。

3.2.3 轉(zhuǎn)速與損耗關(guān)系

對(duì)于500r/min 的機(jī)組，全液位工況下，轉(zhuǎn)速越高損耗越大，為分析轉(zhuǎn)速變化與損耗關(guān)系，計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速下各種損耗變化值，繪制損耗-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，如圖6 所示。

圖6 損耗與轉(zhuǎn)速關(guān)系Figure 6 The relationship between liquid level and loss

從圖6 中的結(jié)果可以看出，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速低于300r/min 時(shí)，攪拌損耗占比不大，只有摩擦損耗的50%左右。隨著轉(zhuǎn)速的升高，攪拌損耗增長(zhǎng)幅度明顯超過(guò)摩擦損耗，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于500r/min 時(shí)，攪拌損耗超過(guò)摩擦損耗，成為推力軸承損耗的主要來(lái)源。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度，在東方電機(jī)有限公司高速推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行某機(jī)組推力軸承試驗(yàn)。

油槽液位數(shù)據(jù)采用磁翻板液位計(jì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，借助現(xiàn)場(chǎng)有機(jī)玻璃觀察窗校對(duì)；根據(jù)拖動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)消耗功率數(shù)值，可算出推力軸承部分的總損耗；油溫以油槽內(nèi)部浸泡在油中，某一固定點(diǎn)位置溫度為準(zhǔn)。

4.1 兩種液位損耗對(duì)比[6-9]

在機(jī)組額定工況，僅改變油槽液位進(jìn)行試驗(yàn)。在全液位和低液位運(yùn)行到穩(wěn)定狀態(tài)后，收集記錄損耗數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7 所示。由于攪拌損耗與摩擦損耗在試驗(yàn)中較難區(qū)分，只將總損耗進(jìn)行對(duì)比。

圖7 兩種液位總損耗對(duì)比Figure 7 Comparison of the total loss of the two levels

從圖7 中觀察可以得到：

（1）無(wú)論是全液位還是低液位工況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均小于計(jì)算值；

（2）無(wú)論是試驗(yàn)結(jié)果還是計(jì)算值，全液位工況損耗均明顯大于低液位工況。

4.2 損耗與液位變化關(guān)系

為了掌握液位變化時(shí)，損耗數(shù)據(jù)是如何隨之改變，進(jìn)行了損耗與液位動(dòng)態(tài)關(guān)系試驗(yàn)。

在低液位額定工況下，關(guān)閉外循環(huán)泵，將副油箱的油排入推力油槽中，油槽液位逐漸上升至全液位，穩(wěn)定一段時(shí)間后，再恢復(fù)至低液位狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程持續(xù)3 ～5min，稱(chēng)為斷泵工況試驗(yàn)。記錄推力軸承損耗與液位變化關(guān)系，如圖8所示。

圖8 損耗與液位動(dòng)態(tài)關(guān)系Figure 8 Dynamic relationship between loss and liquid level

從圖8 中可以看出：

（1）從低液位到全液位變化過(guò)程中，隨著液位升高，損耗逐漸達(dá)到峰值，油槽油溫也逐漸上升；

（2）當(dāng)達(dá)到全液位穩(wěn)定工況時(shí)，隨著油溫繼續(xù)上升，損耗相對(duì)峰值逐漸下降；

（3）由全液位狀態(tài)恢復(fù)到低液位狀態(tài)時(shí)，軸承損耗下降明顯；

（4）由于結(jié)束時(shí)油溫較初始狀態(tài)高，潤(rùn)滑油黏度低，軸承損耗比初始低液位還要低。

試驗(yàn)過(guò)程中，液位油溫變化劇烈且具有滯后性，損耗值換算為恒溫工況后誤差較大；通過(guò)計(jì)算模擬斷泵工況過(guò)程也較困難；僅能通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明損耗與液位二者變化關(guān)系是一致的。

4.3 轉(zhuǎn)速與損耗關(guān)系

為了驗(yàn)證高轉(zhuǎn)速機(jī)組下，低液位能夠降低更大比例的軸承損耗，進(jìn)行了轉(zhuǎn)速與損耗關(guān)系試驗(yàn)。

分別采集全液位和低液位工況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速、損耗、油溫?cái)?shù)據(jù)，將兩種液位相同工況下的初始時(shí)間對(duì)齊，機(jī)組轉(zhuǎn)速由250r/min 上升至500r/min，繪制出轉(zhuǎn)速變化運(yùn)行時(shí)域圖，整個(gè)升速過(guò)程持續(xù)約2min。圖9 中實(shí)線(xiàn)為低液位工況數(shù)據(jù)，虛線(xiàn)為全液位工況數(shù)據(jù)。

圖9 損耗與轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)關(guān)系Figure 9 Dynamic relationship between loss and rotational speed

從圖9 中可以看出：

（1）在油槽油溫相近、轉(zhuǎn)速變化過(guò)程相同的情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，軸承損耗也逐級(jí)上升；

（2）在低轉(zhuǎn)速250r/min 時(shí)，全液位損耗與低液位損耗相同，均為280kW 左右；

（3）在高轉(zhuǎn)速500r/min 時(shí)，全液位損耗為1120kW，低液位損耗為820kW，比低液位損耗高37%。

由于損耗值波動(dòng)較大，將損耗數(shù)據(jù)分別在250r/min、375r/min、428r/min、500r/min 進(jìn)行均值取樣，同時(shí)添加計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到圖10。

圖10 計(jì)算損耗與試驗(yàn)損耗對(duì)比Figure 10 Calculate the loss compared to the test loss

從圖10 中可以看出：

（1）機(jī)組轉(zhuǎn)速由250r/min 上升至500r/min 時(shí)，全液位損耗增大幅度大于低液位工況。

（2）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在低轉(zhuǎn)速符合程度較好，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)400r/min 后，計(jì)算誤差逐漸增大，試驗(yàn)損耗增幅小于計(jì)算值。

5 結(jié)論

為了驗(yàn)證高轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組上，降低油槽液位能夠大幅度降低軸承損耗，本文以某機(jī)組參數(shù)為例，進(jìn)行了理論計(jì)算，同時(shí)開(kāi)展了驗(yàn)證性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算具有一致性。通過(guò)分析液位、轉(zhuǎn)速與損耗之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，可以得出結(jié)論：對(duì)于高轉(zhuǎn)速機(jī)組，降低推力油槽液位能夠大幅度減少推力軸承損耗。

降低油槽液位的推力軸承油循環(huán)設(shè)計(jì)方案得到電站認(rèn)可并成功應(yīng)用。根據(jù)電站相關(guān)人員反饋，該設(shè)計(jì)方案大大減小了推力軸承油槽容積和冷卻器容量，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，真機(jī)油槽液位在鏡板面以下。在冷卻水溫26.8℃時(shí)，機(jī)組推力瓦最高瓦溫僅為55.4℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)組停機(jī)溫度80℃，擁有較大的安全裕度，具有推廣價(jià)值。