水潤滑橡膠軸承在軸流式水輪機上的應用

水潤滑橡膠軸承在軸流式水輪機上的應用

在農(nóng)村小水庫中，軸流固定槳機是最常用的機型之一。它的導電軸基本上由水組成的橡膠水導軸組成。在水質(zhì)較好的南方大部分地區(qū),該型機組結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉,運行可靠性較好,有其獨特的優(yōu)勢;而在西北多泥沙河流上,該型機組大多處于不正常運行狀態(tài),設(shè)備利用率很低,造成大量水能的浪費。由于此類機型單機容量過小,其不能正常工作的現(xiàn)狀不容易引起水電行業(yè)的重視,很少有人去做這方面的工作。事實上,西北地區(qū)計劃經(jīng)濟時期修建了大量的此類電站,其改造工作大有可為;從另一方面來說,西北農(nóng)村偏僻落后且干旱少雨,大網(wǎng)送電電價相對較高,而本地小電站自產(chǎn)自供的廉價電能對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活有舉足輕重的作用,特別是在夏秋季節(jié)用水高峰期,獲得廉價電力進行井水灌溉,對農(nóng)業(yè)豐收是個有力的保障。1影響發(fā)電機運行的因素采用水潤滑橡膠軸承的水輪機,要求有穩(wěn)定可靠的清潔有壓水源作為軸承潤滑水,在水質(zhì)較好的南方大部分電站,這一條件基本都能滿足,因而此類機組運行效果還是不錯的。在西北多泥沙河流上運行的這種小型水潤滑橡膠軸承式水輪機,往往遠離村鎮(zhèn)居民區(qū),即無泉水也無法獲得自來水,而修建沉沙池凈化河水對幾百千瓦的小電站來講是件得不償失的事情,大多數(shù)情況下只能是在容量有限的容器中略作沉淀便引入軸承,不可避免地使橡膠軸承快速磨損,導致轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室互相接觸引起碰撞、摩擦,振動加劇,經(jīng)一段時間運行后轉(zhuǎn)輪室間隙變得很大,容積損失大大增加。對于軸流定槳式水輪機而言,由于其模型綜合特性曲線陡窄,決定了其對流量變化極為敏感的特點,當轉(zhuǎn)輪室間隙變得很大后,在容積損失增加到一定程度時,流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的有效流量大大減少而使轉(zhuǎn)輪運行工作點遠離其有效工作區(qū)域,水力效率劇減,此效應的影響遠遠大于容積損失本身,這一點正是導致機組出力急劇下降乃至帶不上負荷的根本原因。由此可見,對于運行于多泥沙河流上采用水潤滑橡膠水導軸承的軸流定槳式水輪機,在無法獲得穩(wěn)定可靠的清潔有壓潤滑水的情況下,通過改造機組使之采用無需清潔有壓潤滑水的油軸承才是解決不能正常運行問題的根本手段。2為鑄鐵件的軸承加設(shè)主軸密封采用水潤滑橡膠軸承的小型軸流定槳式水輪機按引水方式的不同可以分為蝸殼式和明槽式兩種類型。對于前者只要加設(shè)主軸密封裝置,便可使水導軸承與過機水流完全隔絕,從而滿足采用稀油潤滑軸承的條件;而后者水輪機及水導軸承完全浸泡在工作水流中,如果要改成稀油潤滑水導軸承,首先要使水輪機導軸承與過機水流隔絕,必須對廠房水工建筑做一些相應改造,相對來說更麻煩。本文針對前者進行改造工作。圖1為青海省多哇電站ZD560-LH-80水輪機頂蓋及水潤滑橡膠導軸承裝配圖,是小型軸流定槳式水輪機中普遍采用的典型結(jié)構(gòu)。此類小型機組的所有構(gòu)件除轉(zhuǎn)輪和水輪機軸、導葉軸外全部為鑄鐵件,無法在其上焊接新的結(jié)構(gòu)件;此類小型電站地處偏遠,運輸及加工費用較高,從電站的經(jīng)濟角度考慮,不宜對大直徑的頂蓋進行機加工?；谶@兩個原因,為使改造具有經(jīng)濟實用性,易于被小電站接受,改造軸承和加設(shè)主軸密封的工作只能限定在水潤滑橡膠導軸承軸瓦以及軸承潤滑水密封座與頂蓋的兩個配合面上。主軸密封必須在導軸承下方,因此主軸密封的設(shè)計安裝位置只能限制在水潤滑橡膠軸承軸瓦與頂蓋的配合面上,而新軸承的設(shè)計安裝位置只能限制在軸承潤滑水密封座與頂蓋的配合面上。由此可見新軸承的位置將遠遠高于原軸承的位置,水導軸承支點離轉(zhuǎn)輪越遠,機組的穩(wěn)定性就越差,對軸承的承載能力要求也越高,因此,新設(shè)計的軸承應有更大的承載力,就有必要充分利用現(xiàn)有的空間在水輪機軸上加設(shè)足夠大的軸領(lǐng)以提高軸承承載力。由于新軸承裝設(shè)位置較高其拆裝性能應不成問題,軸領(lǐng)焊接時水輪機軸的變形問題則必須妥善解決,否則會因擺度過大而導致機組不能正常運行。在中小型機組上最常用的主軸密封形式是盤根密封,其軸向占用空間小,其缺點是在多泥沙河流上運行壽命很短,在汛期甚至一周就需要停機更換盤根。對于立式機組而言,檢修主軸密封需要將水導軸承完全拆除后才能進行,一拆一裝,至少花費兩天時間,停機檢修造成的間接損失很大。因此,不宜簡單的套用盤根密封形式,應著眼于設(shè)計一套長效、密封性能好的密封結(jié)構(gòu),這也是軸承改造所需要解決的一個關(guān)鍵問題。主軸密封性能再好,也不可能做到滴水不漏,滴水不漏的主軸密封會因干摩擦而燒壞,隨著頂蓋積水水位的升高,如果無引流出口或其位置高于改造后軸承位置,積水將淹沒軸承,使之無法工作,因此,還必須設(shè)計一套行之有效的頂蓋排水設(shè)施。3主軸密封改造青海省同仁縣多哇電站建于1999年10月,水頭13.5m,機組轉(zhuǎn)速750r/min,裝機2×320kW,其型號ZD560-LH-80(φ=+5°)。電站建于多泥沙的隆務河上,水輪機水潤滑橡膠導軸承需要的清潔潤滑水無法獲取。該電站在定購機組時就向生產(chǎn)廠家提出水導軸承采用稀油潤滑形式的要求。對于標稱直徑1.2m以下的水輪機,制造廠家不采用稀油潤滑軸承結(jié)構(gòu),只好被迫接受現(xiàn)行產(chǎn)品。究其原因,對于廠家而言,滿足該電站的要求,就意味著重新設(shè)計原來沒有的新機型,原有的頂蓋和軸承毛坯、備件及工裝模具都不能用了,顯然是件得不償失的事情。經(jīng)過幾年的運行,由于水導橡膠軸承的問題所引起的轉(zhuǎn)輪室間隙非正常擴大,使該電站單機最大出力從最初的320kW劇降至200kW。為此,于2003年對該電站兩臺機組進行了改造。改造后的主軸密封、稀油潤滑軸承結(jié)構(gòu)見圖2。在原橡膠水潤滑軸承安裝位置裝設(shè)了橡膠活塞式主軸密封。主要由分半結(jié)構(gòu)的密封座、動環(huán)及不銹鋼抗磨護板、橡膠活塞組成,取自本機有壓水作用在密封座和橡膠活塞上平面之間的腔體,并與橡膠活塞下平面相通。機組運行時,橡膠活塞與動環(huán)間形成一層極薄的水膜,阻止了過機水流的涌出,同時也避免了這一對摩擦副因干摩擦而快速磨損,因此,該主軸密封具有長效運行的優(yōu)點,檢修時也只需更換橡膠活塞和不銹鋼動環(huán)護板即可。該主軸密封安裝時要求較高,密封座與橡膠活塞配合過緊,則密封壓力水無法壓下或者只能部分壓下橡膠活塞從而使主軸密封失效淹沒油軸承;密封座與橡膠活塞配合過松時又會出現(xiàn)密封壓力水流到頂蓋上的量太大的情況,恰到好處的安裝使該主軸密封能夠表現(xiàn)出極好的工作狀況。為了連續(xù)不斷的排走主軸密封泄漏水流,以避免水淹軸承,在頂蓋上設(shè)計了一個?25的小射流泵,以取自本機的有壓水作為工作水流,將頂蓋上不斷涌出的主軸密封水源源不斷抽到下游尾水。在原橡膠水潤滑軸承密封座的安裝位置,裝設(shè)了稀油潤滑巴氏合金分塊瓦軸承,主要由軸領(lǐng)、擋油筒、4瓣分塊瓦、抗重螺絲、軸瓦托板、軸承蓋等組成。在軸領(lǐng)與水輪機軸焊接時,精心設(shè)計了切實可行的焊接工藝,盡可能避免了水輪機軸焊接變形,使其徑向擺度沒有超過0.05mm;軸領(lǐng)上開設(shè)了徑向的進油孔和斜向的軸承均壓孔;抗重螺絲采用細牙精制螺絲,以保證軸瓦調(diào)整精度和運行穩(wěn)定性。由于空間位置的限制,軸承內(nèi)部無法設(shè)置冷卻器,在軸承外部設(shè)置了兩組半圓形的鋼制冷卻盤管,盤管內(nèi)側(cè)偏下45°每隔50mm開有?6的小孔,冷卻水自此噴出直接灑在軸承外壁上,巧妙的解決了軸承冷卻的問題。機組本身裝置有一臺濾水器,將來自壓力鋼管的水過濾后引入機坑,改造前用于水輪機上導及推力油軸承的冷卻水源和水潤滑橡膠軸承潤滑水源。機組改造后,該水源除繼續(xù)供上導及推力油軸承的冷卻水外,還用于稀油潤滑軸承外圍冷卻噴管用水、射流泵工作水源和主軸密封壓力水源,方便地解決了改造后新結(jié)構(gòu)的工作水源問題。軸流定槳式機組大多建于徑流式電站,在不同季節(jié)隨水量的變化負荷變化很大,至少有一半的時間處于部分負荷運行狀態(tài)。而此類小型機組在部分負荷時靠近輪轂處會出現(xiàn)一定程度的真空,這就意味著此時即使沒有主軸密封,過機水流也不會順主軸流出。多哇電站額定出力320kW的機組,在功率270kW以下運行時便在輪轂處出現(xiàn)真空,該電站在270kW以下運行的時間每年有8個月左右。為了盡可能長效地使用主軸密封,只在開機的過程中和機組出力超過270kW時才投入密封壓力水和射流泵,其余時間使主軸密封處于無效狀態(tài),這樣做不但大大延長了主軸密封和射流泵的壽命,節(jié)約了水能,同時還對轉(zhuǎn)輪起到了破壞真空的作用,從而也延長了轉(zhuǎn)輪壽命。在本次改造工作中,還同時修復了轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室,使機組出力達到了額定值。機組改造后運行了近4年,水導稀油潤滑軸承瓦溫從未超過45℃,主軸密封、射流泵均未更換,兩臺機組運行狀況至今仍然很好。4大型明槽式水輪機改造明槽軸流定槳式機組水輪機頂蓋及布置其上的水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)與上述蝸殼式機組是完全一致的,不同的是水輪機所有部分都淹沒在過機水流中。因此,明槽式水輪機的改造首先應是對廠房水下部分土建工程的改造,可以制作一個簡易座環(huán)使水輪機頂蓋與之螺栓把合,再將此簡易座環(huán)與混凝土四壁澆筑成一體形成水輪機層,使之與水流隔離;水輪機調(diào)速軸裝設(shè)填料密封裝置后也澆入水輪機層水泥地板中;在發(fā)電機層打開一個1m見方的進人孔作為到水輪機層的入口。這樣,就基本上形成了一個與蝸殼式機組類似的頂蓋空間環(huán)境。此時,便可采用類似的方法對其進行改造。5效率減少裝置(1)西北多泥沙河流上不宜采用水潤滑橡膠瓦水導軸承,更不宜采用明槽軸流式機組。(2)軸流定