武中德，张宏，吴军令

（水力发电设备国家重点实验室，黑龙江哈尔滨，150040）

　　【摘　要】本文介绍了1000MW水轮发电机推力轴承冷却技术，分析了推力轴承冷却技术特性。包括抽屉式内循环冷却方式、外加泵和导瓦泵外循环冷却方式。对巨型机组推力轴承的冷却技术提出了建议。

　　【关键词】1000MW水轮发电机；推力轴承；内循环；外循环；冷却技术

　　1　前言

　　对于大型水轮发电机，推力轴承的设计和制造技术是非常重要的，而冷却技术又对推力轴承的性能有着非常重要的影响。哈尔滨大电机研究所和哈尔滨电机厂有限责任公司投入了大量的人力和物力进行了相应的技术研究。
　　在3000吨推力轴承试验台上，1992年进行了岩滩抽屉式冷却器的内循环方式巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦推力轴承的真机试验，1997和1999年进行了三峡抽屉式冷却器的内循环方式的弹性金属塑料瓦和巴氏合金瓦真机全尺寸模拟试验，2003年进行了镜板泵外循环冷却方式的巴氏合金瓦双向推力轴承试验，2010年进行了抽屉式内循环冷却方式、导瓦泵和外加泵外循环冷却方式的1000MW级水轮发电机组弹性金属塑料瓦和巴氏合金瓦推力轴承试验，2011年进行了外加泵外循环冷却方式的溧阳双向巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦推力轴承试验。
　　这些试验研究，还包括了油槽内的油路结构设计、冷热油分隔等，对内循环和外循环冷却系统有了更深入的了解。

　　2　推力轴承冷却方式

　　循环冷却方式包括内循环和外循环冷却方式两种。外循环冷却是指冷却器与推力轴承分别安装在油槽的外部和内部，外循环又依循环动力的方式分为自身泵和外加泵两种形式。
　　内循环冷却方式是指油冷却器与推力轴承安装在同一油槽内，依靠油槽内旋转部件如镜板、推力头等的粘滞作用和油的对流换热形成循环回路。内循环以冷却器的形式分为立式冷却器，卧式冷却器和抽屉式冷却器三种方式。
　　外循环冷却是指冷却器与推力轴承分别安装在油槽的外部和内部，外循环又依循环动力的方式分为自身泵和外加泵两种形式，自身泵又分为镜板泵和导瓦自泵两种。采用外循环或内循环冷却，从冷却效果分析，两者并没有明显的差异。高转速机组推力轴承一般采用外循环冷却。
　　2.1内循环特性
　　内循环冷却方式是指油冷却器与推力轴承安装在同一油槽内，依靠油槽内旋转部件如镜板、推力头等的粘滞作用和油的对流换热形成循环回路。为了加强循环效果，还可以安装轴流泵叶片（叶轮泵）或者是在镜板上加工径向孔强制流油循环。
　　内循环以冷却器的形式分为立式冷却器，卧式冷却器和抽屉式冷却器三种方式。立式油冷却器结构适用于悬式电机推力轴承。抽屉式油冷却器（图1）适用于伞式电机推力轴承。

　　油冷却器装设在轴承油槽内，并全部浸在润滑油中以便进行热交换。冷却器应靠近镜板外缘，以获得一个合适热交换的油流速。润滑油内循环的动力是润滑油的粘滞作用。为减小压头损失和搅拌损耗，冷却器距镜板不宜过近。冷却器的结构尺寸，一般以每千瓦损耗所用冷却管长度确定。
　　哈电公司设计制造的内循环推力轴承应用Z多的是采用抽屉式冷却器。这种冷却器安装在油槽壁上，每个冷却器相应于一块推力瓦的位置。冷却器由一组同心排列的“U”型管组成。这种冷却器的冷却管的长度较短，不易堵塞，对水质的要求相对较低。另外，这种冷却器拆装方便，通过其安装孔可以抽瓦，冷却器和轴承的检修便利。如岩滩机组其冷却方式采用抽屉式冷却器内循环，装有叶轮泵加强循环效果。在3000吨推力轴承试验台上对真机推力轴承作了真机模拟试验，沿油槽截面安装一组热电偶，测量油的温度分布，其差值Z大为0.5K。此时油温24℃，说明油槽内油的温度是均匀的。典型的内循环冷却机组是水口、岩滩、葛洲坝、五强溪、天生桥I级和小浪底等。
　　弹性油箱支撑结构（白鹤滩）塑料瓦推力轴承，采用抽屉式内循环冷却方式，额定工况下，油温36.9~41℃<[50℃]，推力瓦温度49.6~52℃<[60℃]（RTD），推力瓦间温度差2.3K<[5K]，瓦面温度83.6℃<[90℃]。
　　2.2镜板泵外循环特性
　　镜板泵外循环（图2）适宜在高转速机组上使用，一是推力轴承PV值高，二是轴承的尺寸较小。自身泵是利用轴承旋转部件加工数个径向或后倾泵孔形成。当机组运行时，可形成稳定的压头。在旋转体的外侧，附加有集油槽，将泵打出的油汇集入系统油管并进入油冷却器，经冷却后沿环管、喷油管再喷到瓦的进油边附近。为防止热油携带到第二块瓦、一般在两块瓦之间安装有刮油装置。
　　典型的镜板泵外循环冷却机组是天生桥II级、拉西瓦、锦屏I级等。

　　天生桥II级推力轴承镜板泵的空载压头为0.176MPa，工作压头0.123MPa。对天生桥推力轴承的自身泵外循环工作性能进行的测试结果表明：油循环系统满足正常工况运行要求，实测工作压头为0.08MPa，润滑油流量2430L/min。其瓦间喷油管的出口压力低，这与循环系统中的集油槽密封和油过滤器的关系较大。

　　在哈电公司3000t推力轴承试验台进行双向试验推力轴承镜板泵的空载压头为0.20MPa，工作压头0.148MPa。测试结果表明：油循环系统满足正常工况运行要求。其设计压头为0.148MPa，实测为0.13MPa，润滑油流量1206.0L/min。集油槽密封采用了接触密封，效果较好。
　　2.3外加泵外循环特性

　　外加泵外循环系统（图3）在油的循环回路系统中外加一组互为备用的电动油泵，作为循环动力，由冷却器、滤油器、压力表、流量显示器和阀门等元件组成。润滑油在油槽内部可采用瓦间喷管结构或瓦间隔板结构进行润滑。外加泵外循环系统对外部管路和元件的阻力要求不高，适用于大负荷、低速推力轴承。

　　1）瓦间喷管结构。进、出油环管布置在油槽内。在进油（冷油）环管上按瓦数布置小孔喷管，直接引入瓦间喷油润滑冷却。在出油（热油）环管上布置吸油管，将上浮的热油吸走，进入冷却器，重复循环。适用于一般负荷的推力轴承。
　　2）瓦间隔板结构。将成型隔板插入瓦两侧的沟槽内，与镜板面高度之间形成一个径向通道。该结构油槽中必须设隔油板，将油槽分成上、下两空腔。上部空腔为热油区，下部空腔为冷油区。根据情况，也可将进、出油环管布置在油槽外部，但必须采用连通管将冷油区的一部分油引到稳油板上方，以改善轴承运行条件。适用于超大型推力轴承。
　　典型的外加泵外循环冷却机组是龙滩、官地等。
　　推力轴承冷却系统采用外加泵外循环冷却方式，冷却器、泵、油过滤器及相应阀门等均100%备用，故障时可自动切换到备用管线工作，并发出报警信号，以保证油循环系统的可靠运行。如工作油泵发生故障，可自动切换到备用油泵工作，并发出报警信号。
　　弹性油箱支撑结构（白鹤滩）塑料瓦推力轴承，采用外加泵外循环冷却方式，额定工况下，油温37.9~39.2℃<[50℃]，推力瓦温度48.3~50.6℃<[60℃]（RTD），推力瓦间温度差2.3K<[5K]，瓦面温度79.9℃<[90℃]。

　　2.4导瓦泵外循环特性

　　导瓦泵外循环（图4）适宜在较高转速机组上使用，一是推力轴承PV值较高，二是轴承的尺寸较小。自泵瓦是利用导轴承瓦的泵孔和轴径的旋转形成。当机组运行时，可形成稳定的压头。在导轴承的底部，附加有出油管，将泵打出的油汇集入系统油管并进入油冷却器，经冷却后沿环管、回油管再回到瓦的内缘附近。为防止冷热油混合，一般有冷热油分隔装置。结构复杂，设备投资比内循环的大，管路部件多，管理维护不便。但其优点是拆卸推力瓦不需拆卸冷却器，油冷却器、推力轴承检修相对便利。单个冷却器可拆卸维修，不影响其它冷却器的使用。典型的导瓦自泵外循环冷却机组是三峡左岸4~6#及10~14#发电机和右岸22~26#发电机以及小湾发电机，在建的三峡地下、溪落渡、向家坝、白莲河和蒲石河机组推力轴承也采用导瓦自泵外循环润滑冷却。

　　小支柱结构的巴氏合金瓦推力轴承，采用导瓦泵外循环冷却方式，额定工况下，油温24.6~33.1℃<[50℃]，推力瓦温度67.8~69.8℃<[80℃]（RTD），推力瓦间温度差2.0K<[5K]，瓦面温度72.3℃<[90℃]。
　　小支柱结构的塑料瓦的推力轴承，采用导瓦泵外循环冷却方式，额定工况下，油温29.7~巴氏合金瓦和39.1℃<[50℃]，推力瓦温度50.1~52.8℃<[60℃]（RTD），推力瓦间温度差2.7K<[5K]，瓦面温度68.7℃<[90℃]。
　　2.5内循环和外循环对比
　　采用外循环或内循环冷却，从冷却效果分析，两者并没有明显的差异。
　　采用内循环，油冷却器装设在油槽内，冷却油路循环相对复杂些，拆卸推力瓦需先拆卸冷却器。但其优点是内循环系统管路部件少，装置相对集中，无附加备用设备，节省设备投资。轴承内部密封简单，运行维护简单可靠。典型的内循环冷却机组是水口、岩滩、葛洲坝、五强溪、天生桥I级和小浪底等。
　　外循环，即油冷却器装设在油槽外，有油循环的动力设备，如镜板泵或外加油泵及油循环的控制设备，结构复杂，设备投资比内循环的大，管路部件多，管理维护不便。但其优点是拆卸推力瓦不需拆卸冷却器，油冷却器、推力轴承检修相对便利。单个冷却器可拆卸维修，不影响其它冷却器的使用。典型的外循环冷却机组是鲁布革、天生桥II级、三峡左右岸、龙滩、拉西瓦和锦屏一级等。
　　3　结论
　　推力轴承采用外循环或内循环润滑冷却，其效果相近，可根据推力轴承的大小、转速高低等进行选择。抽屉式内循环冷却、镜板泵、导瓦泵和外加泵外循环冷却均有一定的优点，它们都是大型水轮发电机推力轴承可靠的润滑冷却方式之一。
　　内循环冷却方式适用于中、低速推力轴承。应用较多。
　　镜板泵外循环冷却方式适用于高速大型推力轴承。已在天生桥II级、拉西瓦、锦屏I级等机组及双向试验推力轴承上采用。
　　外加泵外循环冷却方式适用于超大型推力轴承，已在龙滩、官地等机组上采用。外加泵外循环冷却方式的试验结果验证了白鹤滩和乌东德发电机推力轴承采用外加泵外循环冷却方式是可行的。
　　导瓦泵外循环冷却方式适宜在较高转速机组上使用，一是推力轴承PV值较高，二是轴承的尺寸较小。导瓦泵外循环冷却方式的试验成果，很好的完善了导瓦泵的设计技术，实现了引进技术的再创新，白鹤滩和乌东德发电机推力轴承采用外加泵外循环冷却方式是可行的。