水润滑橡胶轴承在轴流式水轮机上的应用

水润滑橡胶轴承在轴流式水轮机上的应用

在农村小水库中，轴流固定桨机是最常用的机型之一。它的导电轴基本上由水组成的橡胶水导轴组成。在水质较好的南方大部分地区,该型机组结构简单、成本低廉,运行可靠性较好,有其独特的优势;而在西北多泥沙河流上,该型机组大多处于不正常运行状态,设备利用率很低,造成大量水能的浪费。由于此类机型单机容量过小,其不能正常工作的现状不容易引起水电行业的重视,很少有人去做这方面的工作。事实上,西北地区计划经济时期修建了大量的此类电站,其改造工作大有可为;从另一方面来说,西北农村偏僻落后且干旱少雨,大网送电电价相对较高,而本地小电站自产自供的廉价电能对农业生产及人民生活有举足轻重的作用,特别是在夏秋季节用水高峰期,获得廉价电力进行井水灌溉,对农业丰收是个有力的保障。1影响发电机运行的因素采用水润滑橡胶轴承的水轮机,要求有稳定可靠的清洁有压水源作为轴承润滑水,在水质较好的南方大部分电站,这一条件基本都能满足,因而此类机组运行效果还是不错的。在西北多泥沙河流上运行的这种小型水润滑橡胶轴承式水轮机,往往远离村镇居民区,即无泉水也无法获得自来水,而修建沉沙池净化河水对几百千瓦的小电站来讲是件得不偿失的事情,大多数情况下只能是在容量有限的容器中略作沉淀便引入轴承,不可避免地使橡胶轴承快速磨损,导致转轮与转轮室互相接触引起碰撞、摩擦,振动加剧,经一段时间运行后转轮室间隙变得很大,容积损失大大增加。对于轴流定桨式水轮机而言,由于其模型综合特性曲线陡窄,决定了其对流量变化极为敏感的特点,当转轮室间隙变得很大后,在容积损失增加到一定程度时,流经转轮的有效流量大大减少而使转轮运行工作点远离其有效工作区域,水力效率剧减,此效应的影响远远大于容积损失本身,这一点正是导致机组出力急剧下降乃至带不上负荷的根本原因。由此可见,对于运行于多泥沙河流上采用水润滑橡胶水导轴承的轴流定桨式水轮机,在无法获得稳定可靠的清洁有压润滑水的情况下,通过改造机组使之采用无需清洁有压润滑水的油轴承才是解决不能正常运行问题的根本手段。2为铸铁件的轴承加设主轴密封采用水润滑橡胶轴承的小型轴流定桨式水轮机按引水方式的不同可以分为蜗壳式和明槽式两种类型。对于前者只要加设主轴密封装置,便可使水导轴承与过机水流完全隔绝,从而满足采用稀油润滑轴承的条件;而后者水轮机及水导轴承完全浸泡在工作水流中,如果要改成稀油润滑水导轴承,首先要使水轮机导轴承与过机水流隔绝,必须对厂房水工建筑做一些相应改造,相对来说更麻烦。本文针对前者进行改造工作。图1为青海省多哇电站ZD560-LH-80水轮机顶盖及水润滑橡胶导轴承装配图,是小型轴流定桨式水轮机中普遍采用的典型结构。此类小型机组的所有构件除转轮和水轮机轴、导叶轴外全部为铸铁件,无法在其上焊接新的结构件;此类小型电站地处偏远,运输及加工费用较高,从电站的经济角度考虑,不宜对大直径的顶盖进行机加工。基于这两个原因,为使改造具有经济实用性,易于被小电站接受,改造轴承和加设主轴密封的工作只能限定在水润滑橡胶导轴承轴瓦以及轴承润滑水密封座与顶盖的两个配合面上。主轴密封必须在导轴承下方,因此主轴密封的设计安装位置只能限制在水润滑橡胶轴承轴瓦与顶盖的配合面上,而新轴承的设计安装位置只能限制在轴承润滑水密封座与顶盖的配合面上。由此可见新轴承的位置将远远高于原轴承的位置,水导轴承支点离转轮越远,机组的稳定性就越差,对轴承的承载能力要求也越高,因此,新设计的轴承应有更大的承载力,就有必要充分利用现有的空间在水轮机轴上加设足够大的轴领以提高轴承承载力。由于新轴承装设位置较高其拆装性能应不成问题,轴领焊接时水轮机轴的变形问题则必须妥善解决,否则会因摆度过大而导致机组不能正常运行。在中小型机组上最常用的主轴密封形式是盘根密封,其轴向占用空间小,其缺点是在多泥沙河流上运行寿命很短,在汛期甚至一周就需要停机更换盘根。对于立式机组而言,检修主轴密封需要将水导轴承完全拆除后才能进行,一拆一装,至少花费两天时间,停机检修造成的间接损失很大。因此,不宜简单的套用盘根密封形式,应着眼于设计一套长效、密封性能好的密封结构,这也是轴承改造所需要解决的一个关键问题。主轴密封性能再好,也不可能做到滴水不漏,滴水不漏的主轴密封会因干摩擦而烧坏,随着顶盖积水水位的升高,如果无引流出口或其位置高于改造后轴承位置,积水将淹没轴承,使之无法工作,因此,还必须设计一套行之有效的顶盖排水设施。3主轴密封改造青海省同仁县多哇电站建于1999年10月,水头13.5m,机组转速750r/min,装机2×320kW,其型号ZD560-LH-80(φ=+5°)。电站建于多泥沙的隆务河上,水轮机水润滑橡胶导轴承需要的清洁润滑水无法获取。该电站在定购机组时就向生产厂家提出水导轴承采用稀油润滑形式的要求。对于标称直径1.2m以下的水轮机,制造厂家不采用稀油润滑轴承结构,只好被迫接受现行产品。究其原因,对于厂家而言,满足该电站的要求,就意味着重新设计原来没有的新机型,原有的顶盖和轴承毛坯、备件及工装模具都不能用了,显然是件得不偿失的事情。经过几年的运行,由于水导橡胶轴承的问题所引起的转轮室间隙非正常扩大,使该电站单机最大出力从最初的320kW剧降至200kW。为此,于2003年对该电站两台机组进行了改造。改造后的主轴密封、稀油润滑轴承结构见图2。在原橡胶水润滑轴承安装位置装设了橡胶活塞式主轴密封。主要由分半结构的密封座、动环及不锈钢抗磨护板、橡胶活塞组成,取自本机有压水作用在密封座和橡胶活塞上平面之间的腔体,并与橡胶活塞下平面相通。机组运行时,橡胶活塞与动环间形成一层极薄的水膜,阻止了过机水流的涌出,同时也避免了这一对摩擦副因干摩擦而快速磨损,因此,该主轴密封具有长效运行的优点,检修时也只需更换橡胶活塞和不锈钢动环护板即可。该主轴密封安装时要求较高,密封座与橡胶活塞配合过紧,则密封压力水无法压下或者只能部分压下橡胶活塞从而使主轴密封失效淹没油轴承;密封座与橡胶活塞配合过松时又会出现密封压力水流到顶盖上的量太大的情况,恰到好处的安装使该主轴密封能够表现出极好的工作状况。为了连续不断的排走主轴密封泄漏水流,以避免水淹轴承,在顶盖上设计了一个ϕ25的小射流泵,以取自本机的有压水作为工作水流,将顶盖上不断涌出的主轴密封水源源不断抽到下游尾水。在原橡胶水润滑轴承密封座的安装位置,装设了稀油润滑巴氏合金分块瓦轴承,主要由轴领、挡油筒、4瓣分块瓦、抗重螺丝、轴瓦托板、轴承盖等组成。在轴领与水轮机轴焊接时,精心设计了切实可行的焊接工艺,尽可能避免了水轮机轴焊接变形,使其径向摆度没有超过0.05mm;轴领上开设了径向的进油孔和斜向的轴承均压孔;抗重螺丝采用细牙精制螺丝,以保证轴瓦调整精度和运行稳定性。由于空间位置的限制,轴承内部无法设置冷却器,在轴承外部设置了两组半圆形的钢制冷却盘管,盘管内侧偏下45°每隔50mm开有ϕ6的小孔,冷却水自此喷出直接洒在轴承外壁上,巧妙的解决了轴承冷却的问题。机组本身装置有一台滤水器,将来自压力钢管的水过滤后引入机坑,改造前用于水轮机上导及推力油轴承的冷却水源和水润滑橡胶轴承润滑水源。机组改造后,该水源除继续供上导及推力油轴承的冷却水外,还用于稀油润滑轴承外围冷却喷管用水、射流泵工作水源和主轴密封压力水源,方便地解决了改造后新结构的工作水源问题。轴流定桨式机组大多建于径流式电站,在不同季节随水量的变化负荷变化很大,至少有一半的时间处于部分负荷运行状态。而此类小型机组在部分负荷时靠近轮毂处会出现一定程度的真空,这就意味着此时即使没有主轴密封,过机水流也不会顺主轴流出。多哇电站额定出力320kW的机组,在功率270kW以下运行时便在轮毂处出现真空,该电站在270kW以下运行的时间每年有8个月左右。为了尽可能长效地使用主轴密封,只在开机的过程中和机组出力超过270kW时才投入密封压力水和射流泵,其余时间使主轴密封处于无效状态,这样做不但大大延长了主轴密封和射流泵的寿命,节约了水能,同时还对转轮起到了破坏真空的作用,从而也延长了转轮寿命。在本次改造工作中,还同时修复了转轮和转轮室,使机组出力达到了额定值。机组改造后运行了近4年,水导稀油润滑轴承瓦温从未超过45℃,主轴密封、射流泵均未更换,两台机组运行状况至今仍然很好。4大型明槽式水轮机改造明槽轴流定桨式机组水轮机顶盖及布置其上的水润滑橡胶轴承结构与上述蜗壳式机组是完全一致的,不同的是水轮机所有部分都淹没在过机水流中。因此,明槽式水轮机的改造首先应是对厂房水下部分土建工程的改造,可以制作一个简易座环使水轮机顶盖与之螺栓把合,再将此简易座环与混凝土四壁浇筑成一体形成水轮机层,使之与水流隔离;水轮机调速轴装设填料密封装置后也浇入水轮机层水泥地板中;在发电机层打开一个1m见方的进人孔作为到水轮机层的入口。这样,就基本上形成了一个与蜗壳式机组类似的顶盖空间环境。此时,便可采用类似的方法对其进行改造。5效率减少装置(1)西北多泥沙河流上不宜采用水润滑橡胶瓦水导轴承,更不宜采用明槽轴流式机组。(2)轴流定