水潤(rùn)滑橡膠軸承在軸流式水輪機(jī)上的應(yīng)用

水潤(rùn)滑橡膠軸承在軸流式水輪機(jī)上的應(yīng)用

在農(nóng)村小水庫(kù)中，軸流固定槳機(jī)是最常用的機(jī)型之一。它的導(dǎo)電軸基本上由水組成的橡膠水導(dǎo)軸組成。在水質(zhì)較好的南方大部分地區(qū),該型機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉,運(yùn)行可靠性較好,有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì);而在西北多泥沙河流上,該型機(jī)組大多處于不正常運(yùn)行狀態(tài),設(shè)備利用率很低,造成大量水能的浪費(fèi)。由于此類(lèi)機(jī)型單機(jī)容量過(guò)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(shí)上,西北地區(qū)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期修建了大量的此類(lèi)電站,其改造工作大有可為;從另一方面來(lái)說(shuō),西北農(nóng)村偏僻落后且干旱少雨,大網(wǎng)送電電價(jià)相對(duì)較高,而本地小電站自產(chǎn)自供的廉價(jià)電能對(duì)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(jià)電力進(jìn)行井水灌溉,對(duì)農(nóng)業(yè)豐收是個(gè)有力的保障。1影響發(fā)電機(jī)運(yùn)行的因素采用水潤(rùn)滑橡膠軸承的水輪機(jī),要求有穩(wěn)定可靠的清潔有壓水源作為軸承潤(rùn)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(mǎn)足,因而此類(lèi)機(jī)組運(yùn)行效果還是不錯(cuò)的。在西北多泥沙河流上運(yùn)行的這種小型水潤(rùn)滑橡膠軸承式水輪機(jī),往往遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)居民區(qū),即無(wú)泉水也無(wú)法獲得自來(lái)水,而修建沉沙池凈化河水對(duì)幾百千瓦的小電站來(lái)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(dǎo)致轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室互相接觸引起碰撞、摩擦,振動(dòng)加劇,經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行后轉(zhuǎn)輪室間隙變得很大,容積損失大大增加。對(duì)于軸流定槳式水輪機(jī)而言,由于其模型綜合特性曲線(xiàn)陡窄,決定了其對(duì)流量變化極為敏感的特點(diǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)輪室間隙變得很大后,在容積損失增加到一定程度時(shí),流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的有效流量大大減少而使轉(zhuǎn)輪運(yùn)行工作點(diǎn)遠(yuǎn)離其有效工作區(qū)域,水力效率劇減,此效應(yīng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于容積損失本身,這一點(diǎn)正是導(dǎo)致機(jī)組出力急劇下降乃至帶不上負(fù)荷的根本原因。由此可見(jiàn),對(duì)于運(yùn)行于多泥沙河流上采用水潤(rùn)滑橡膠水導(dǎo)軸承的軸流定槳式水輪機(jī),在無(wú)法獲得穩(wěn)定可靠的清潔有壓潤(rùn)滑水的情況下,通過(guò)改造機(jī)組使之采用無(wú)需清潔有壓潤(rùn)滑水的油軸承才是解決不能正常運(yùn)行問(wèn)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(rùn)滑橡膠軸承的小型軸流定槳式水輪機(jī)按引水方式的不同可以分為蝸殼式和明槽式兩種類(lèi)型。對(duì)于前者只要加設(shè)主軸密封裝置,便可使水導(dǎo)軸承與過(guò)機(jī)水流完全隔絕,從而滿(mǎn)足采用稀油潤(rùn)滑軸承的條件;而后者水輪機(jī)及水導(dǎo)軸承完全浸泡在工作水流中,如果要改成稀油潤(rùn)滑水導(dǎo)軸承,首先要使水輪機(jī)導(dǎo)軸承與過(guò)機(jī)水流隔絕,必須對(duì)廠(chǎng)房水工建筑做一些相應(yīng)改造,相對(duì)來(lái)說(shuō)更麻煩。本文針對(duì)前者進(jìn)行改造工作。圖1為青海省多哇電站ZD560-LH-80水輪機(jī)頂蓋及水潤(rùn)滑橡膠導(dǎo)軸承裝配圖,是小型軸流定槳式水輪機(jī)中普遍采用的典型結(jié)構(gòu)。此類(lèi)小型機(jī)組的所有構(gòu)件除轉(zhuǎn)輪和水輪機(jī)軸、導(dǎo)葉軸外全部為鑄鐵件,無(wú)法在其上焊接新的結(jié)構(gòu)件;此類(lèi)小型電站地處偏遠(yuǎn),運(yùn)輸及加工費(fèi)用較高,從電站的經(jīng)濟(jì)角度考慮,不宜對(duì)大直徑的頂蓋進(jìn)行機(jī)加工。基于這兩個(gè)原因,為使改造具有經(jīng)濟(jì)實(shí)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(rùn)滑橡膠導(dǎo)軸承軸瓦以及軸承潤(rùn)滑水密封座與頂蓋的兩個(gè)配合面上。主軸密封必須在導(dǎo)軸承下方,因此主軸密封的設(shè)計(jì)安裝位置只能限制在水潤(rùn)滑橡膠軸承軸瓦與頂蓋的配合面上,而新軸承的設(shè)計(jì)安裝位置只能限制在軸承潤(rùn)滑水密封座與頂蓋的配合面上。由此可見(jiàn)新軸承的位置將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原軸承的位置,水導(dǎo)軸承支點(diǎn)離轉(zhuǎn)輪越遠(yuǎn),機(jī)組的穩(wěn)定性就越差,對(duì)軸承的承載能力要求也越高,因此,新設(shè)計(jì)的軸承應(yīng)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(jī)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(yīng)不成問(wèn)題,軸領(lǐng)焊接時(shí)水輪機(jī)軸的變形問(wèn)題則必須妥善解決,否則會(huì)因擺度過(guò)大而導(dǎo)致機(jī)組不能正常運(yùn)行。在中小型機(jī)組上最常用的主軸密封形式是盤(pán)根密封,其軸向占用空間小,其缺點(diǎn)是在多泥沙河流上運(yùn)行壽命很短,在汛期甚至一周就需要停機(jī)更換盤(pán)根。對(duì)于立式機(jī)組而言,檢修主軸密封需要將水導(dǎo)軸承完全拆除后才能進(jìn)行,一拆一裝,至少花費(fèi)兩天時(shí)間,停機(jī)檢修造成的間接損失很大。因此,不宜簡(jiǎn)單的套用盤(pán)根密封形式,應(yīng)著眼于設(shè)計(jì)一套長(zhǎng)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(huì)因干摩擦而燒壞,隨著頂蓋積水水位的升高,如果無(wú)引流出口或其位置高于改造后軸承位置,積水將淹沒(méi)軸承,使之無(wú)法工作,因此,還必須設(shè)計(jì)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(jī)組轉(zhuǎn)速750r/min,裝機(jī)2×320kW,其型號(hào)ZD560-LH-80(φ=+5°)。電站建于多泥沙的隆務(wù)河上,水輪機(jī)水潤(rùn)滑橡膠導(dǎo)軸承需要的清潔潤(rùn)滑水無(wú)法獲取。該電站在定購(gòu)機(jī)組時(shí)就向生產(chǎn)廠(chǎng)家提出水導(dǎo)軸承采用稀油潤(rùn)滑形式的要求。對(duì)于標(biāo)稱(chēng)直徑1.2m以下的水輪機(jī),制造廠(chǎng)家不采用稀油潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu),只好被迫接受現(xiàn)行產(chǎn)品。究其原因,對(duì)于廠(chǎng)家而言,滿(mǎn)足該電站的要求,就意味著重新設(shè)計(jì)原來(lái)沒(méi)有的新機(jī)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(guò)幾年的運(yùn)行,由于水導(dǎo)橡膠軸承的問(wèn)題所引起的轉(zhuǎn)輪室間隙非正常擴(kuò)大,使該電站單機(jī)最大出力從最初的320kW劇降至200kW。為此,于2003年對(duì)該電站兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了改造。改造后的主軸密封、稀油潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。在原橡膠水潤(rùn)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(dòng)環(huán)及不銹鋼抗磨護(hù)板、橡膠活塞組成,取自本機(jī)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(jī)組運(yùn)行時(shí),橡膠活塞與動(dòng)環(huán)間形成一層極薄的水膜,阻止了過(guò)機(jī)水流的涌出,同時(shí)也避免了這一對(duì)摩擦副因干摩擦而快速磨損,因此,該主軸密封具有長(zhǎng)效運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn),檢修時(shí)也只需更換橡膠活塞和不銹鋼動(dòng)環(huán)護(hù)板即可。該主軸密封安裝時(shí)要求較高,密封座與橡膠活塞配合過(guò)緊,則密封壓力水無(wú)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(méi)油軸承;密封座與橡膠活塞配合過(guò)松時(shí)又會(huì)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(jì)了一個(gè)?25的小射流泵,以取自本機(jī)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(rùn)滑軸承密封座的安裝位置,裝設(shè)了稀油潤(rùn)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(jī)軸焊接時(shí),精心設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的焊接工藝,盡可能避免了水輪機(jī)軸焊接變形,使其徑向擺度沒(méi)有超過(guò)0.05mm;軸領(lǐng)上開(kāi)設(shè)了徑向的進(jìn)油孔和斜向的軸承均壓孔;抗重螺絲采用細(xì)牙精制螺絲,以保證軸瓦調(diào)整精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。由于空間位置的限制,軸承內(nèi)部無(wú)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(pán)管,盤(pán)管內(nèi)側(cè)偏下45°每隔50mm開(kāi)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(wèn)題。機(jī)組本身裝置有一臺(tái)濾水器,將來(lái)自壓力鋼管的水過(guò)濾后引入機(jī)坑,改造前用于水輪機(jī)上導(dǎo)及推力油軸承的冷卻水源和水潤(rùn)滑橡膠軸承潤(rùn)滑水源。機(jī)組改造后,該水源除繼續(xù)供上導(dǎo)及推力油軸承的冷卻水外,還用于稀油潤(rùn)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(wèn)題。軸流定槳式機(jī)組大多建于徑流式電站,在不同季節(jié)隨水量的變化負(fù)荷變化很大,至少有一半的時(shí)間處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。而此類(lèi)小型機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)靠近輪轂處會(huì)出現(xiàn)一定程度的真空,這就意味著此時(shí)即使沒(méi)有主軸密封,過(guò)機(jī)水流也不會(huì)順主軸流出。多哇電站額定出力320kW的機(jī)組,在功率270kW以下運(yùn)行時(shí)便在輪轂處出現(xiàn)真空,該電站在270kW以下運(yùn)行的時(shí)間每年有8個(gè)月左右。為了盡可能長(zhǎng)效地使用主軸密封,只在開(kāi)機(jī)的過(guò)程中和機(jī)組出力超過(guò)270kW時(shí)才投入密封壓力水和射流泵,其余時(shí)間使主軸密封處于無(wú)效狀態(tài),這樣做不但大大延長(zhǎng)了主軸密封和射流泵的壽命,節(jié)約了水能,同時(shí)還對(duì)轉(zhuǎn)輪起到了破壞真空的作用,從而也延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)輪壽命。在本次改造工作中,還同時(shí)修復(fù)了轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室,使機(jī)組出力達(dá)到了額定值。機(jī)組改造后運(yùn)行了近4年,水導(dǎo)稀油潤(rùn)滑軸承瓦溫從未超過(guò)45℃,主軸密封、射流泵均未更換,兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行狀況至今仍然很好。4大型明槽式水輪機(jī)改造明槽軸流定槳式機(jī)組水輪機(jī)頂蓋及布置其上的水潤(rùn)滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)與上述蝸殼式機(jī)組是完全一致的,不同的是水輪機(jī)所有部分都淹沒(méi)在過(guò)機(jī)水流中。因此,明槽式水輪機(jī)的改造首先應(yīng)是對(duì)廠(chǎng)房水下部分土建工程的改造,可以制作一個(gè)簡(jiǎn)易座環(huán)使水輪機(jī)頂蓋與之螺栓把合,再將此簡(jiǎn)易座環(huán)與混凝土四壁澆筑成一體形成水輪機(jī)層,使之與水流隔離;水輪機(jī)調(diào)速軸裝設(shè)填料密封裝置后也澆入水輪機(jī)層水泥地板中;在發(fā)電機(jī)層打開(kāi)一個(gè)1m見(jiàn)方的進(jìn)人孔作為到水輪機(jī)層的入口。這樣,就基本上形成了一個(gè)與蝸殼式機(jī)組類(lèi)似的頂蓋空間環(huán)境。此時(shí),便可采用類(lèi)似的方法對(duì)其進(jìn)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(rùn)滑橡膠瓦水導(dǎo)軸承,更不宜采用明槽軸流式機(jī)組。(2)軸流定