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軸承甩油及軸瓦間隙控制
2013-02-22
王艷紅
（湖南零陵發電設備有限公司）
（湖南零陵發電設備有限公司）
分塊瓦式水導軸承與筒式水導軸承相比，具有以下特點：①軸瓦間隙調整靈活、方便；②瓦與軸的接觸面小，瓦溫不易上升，潤滑條件好；③適應頂蓋的能力較強，對頂蓋的剛度要求相對低些；④零部件較輕，制造容易，安裝方便。隨著水電機組向高轉速、大容量方面發展，可以預計，將會有越來越多的機組采用分塊瓦式水導軸承。但甩油和軸瓦間隙運行時增大，一直是影響分塊瓦式軸承安全使用的兩大因素。本文通過分析軸承甩油與軸間隙運行過程中增大的原因，尋求解決的方法，以求通過努力，保證軸承的安全運行。
1 甩油
機組運行時，水導軸承中的油或油霧跑出軸承油槽的現象，稱為軸承甩油。這不僅浪費潤滑油、污染環境，有時機組因甩油嚴重，而致使運行油位下降造成油位過低，引起燒瓦。因此，軸承的甩油一直是軸承設計時的一個需重點考慮的問題。軸承甩油有兩種情況：一是潤滑油通過主軸軸領內壁與擋軸筒之間的間隙，甩向主軸表面，這種甩油稱為軸承內甩油；另一種情況是潤滑油通過旋轉部件與軸承蓋板間的間隙甩向蓋板外部，這稱之為外甩油。
1.1 內甩油
內甩油形成的原因：機組在運行時，由于主軸密封上的護罩旋轉鼓風，使主軸軸內下側至油面之間，容易形成局部負壓，使油吸高或涌溢而甩濺到擋油筒外部，形成內甩油。這是內甩油形成的一個主要原因；另一個形成內甩油的主要原因是：由于擋油管與主軸軸領圓壁之間，因制造、運輸、安裝時的原因，產生不同程度的偏心，使工件之間的油環不均勻。如果該處間隙設計時取得很小，則相對偏心率就增大，這時主軸軸領內壁帶動其間靜油旋轉時，出現油泵效應，使潤滑油產生較大的壓力脈動，導致潤滑油上行而出現甩油。
內甩油的處理：根據內甩油的產生原因，在設計時可采取以下的措施來減少或消除甩油。
在主軸軸領頸部上鉆均壓斜孔，孔徑為20~40mm，按圓周等分，布置3~6個孔，使軸領內外通氣平壓，防上因內部負壓而使油面被吸高甩油。
在主軸密封的護罩上加焊一層平板，降低密封護罩攪拌而在軸承下部而形成負壓，減小內甩油發生的可能性。
加大軸領內側與擋油管之間的間隙，使相對偏心率減小，從而降低了油面的壓力脈動值，保持了油面的平衡，防上了潤滑油的上竄。實際使用情況表明，軸領內側與擋油管之間的距離增大，可使潤滑油的攪動造成的甩油大幅度降低。
加大擋油筒頂端與油面的距離，避免運行中的潤滑油在離心力作用下翻過油筒溢出。
加裝穩油擋油環。運行時，穩油擋油環起著阻旋作用，增大了內甩油的阻力。部分甩出來的油通過擋油環上環板上的小孔回到軸承槽中，擋油環與擋油筒之間呈靜止狀態，不會因主軸軸領的旋轉運動而使油面波動。
上述措施經過在電站中的運用，證明是有效的、可行的，能滿足電站安全運行的需要。但在使用過程中，也發現上述措施的不足之處。
由于擋油筒加高，使擋油筒的剛性成為一個突出問題。由于剛性問題，造成擋油筒存在不同程度的變形。這樣，一方面合縫面的密封受到影響；另一方面，在安裝時，受軸領結構的限制，擋油筒圓度的調整、測量比較困難，結果是油泵效應還有不同程度的存在。
由于軸領內側與擋油筒的距離加大，相應軸瓦直徑加大，軸承徑向尺寸變大。但同時，軸承油槽體積不變或變小，這對降低軸瓦瓦溫不利。在軸領內側與擋油筒結構設計方面，在交流學習時，我們發現其它廠家在這方面的結構設計值得借鑒。
在日本伊吹電站水輪機設計過程中，日立公司提供了水導軸承的結構參考圖。該軸承擋油筒處結構緊湊，整個軸承體積不大，但其油槽儲油量較大。我們認為日立公司在擋油筒設計上采取了如下措施：擋油筒設計時選擇等剛性截面，根部壁厚，隨著擋油筒高度增加，圓筒壁厚隨之降低，從而通過選擇合理的壁厚，控制剛性。在分軸領內側根部對應在擋油筒處設擋油環，抑制潤滑油的液面波動，阻止潤滑油上竄形成甩油。部分越過擋油環的潤滑油，由于軸領內側根部臺階的作用，無法上移，在重力作用下流回油槽，這樣整個擋油筒設計就緊湊。
二灘水電站設計的水導軸承，為防止軸承內甩油，其擋油筒結構設計方面也很有特色。該擋油筒設計獨特之處在于其導流葉柵與擋油環的布置。其導流葉柵位于正常工作油面以下，與油筒壁成10°下壓角。旋轉的潤滑油流經葉柵后形成一個下壓分力而使油上竄受阻，有效減少內甩油，并且該擋油筒還在正常工作油面以下布置有傘型擋油環（目前，我廠的擋油環均置于正常油面以上，相對比較而言，就顯得擋油筒較高）。這樣，由于擋油環的存在，即使少量潤滑油通過葉柵上爬后也難通過兩道傘型擋油環，故內甩油得到有效控制。如果將上述新結構運用于我廠水導軸承上，能有效降低擋油筒高度，簡化加工與安裝技術要求，并且還可以為解決已運行水導軸承出現的內甩油，提供借鑒。
1.2 外甩油
外甩油形成的原因：對于水導軸承，潤滑油從軸承蓋板處以油珠的形式逸出形成甩油的情況很少，更多的是以油霧形式，從軸承蓋板縫隙處逸出，形成甩油。
主軸軸領下部開有徑向進油孔或開有與徑向成某一角度的進油孔。當主軸旋轉時，這些進油孔起著油泵的作用，把潤滑油輸送到軸瓦與軸領之間的空隙內及軸瓦之間的軸承油槽中。如果進油孔呈斜向布置，高速射油碰上工件后，一部分油會因其粘性而附著在工件上，另一部分會朝另一方向反射出去，到處飛濺，形成大量的霧狀油珠。同時，由于主軸軸領的高速旋轉，造成軸承油槽內油面波動加劇，從而產生許多油泡。當這些油泡破裂時，也會形成很多油霧。另外，隨著軸承溫度的升高，使油槽內的油和空氣體積逐漸膨脹，從而產生一個內壓。在內壓的作用下，油槽內的油霧隨氣體從軸承蓋板縫隙處逸出，形成外甩油。
外甩油的處理： 在主軸軸領根部開徑向進油孔，避免了開斜向孔，由于產生射油，造成油面紊亂、飛濺大、易甩油的缺陷。
合理確定進油孔中心與軸瓦中心的距離，這是因為進油也的吸油點，如果太高，容易產生大量的氣泡，從而增加甩油的可能性。
在油槽內設穩流板。它的作用是將潤滑油與旋轉的軸領分隔開，使潤滑油不受旋轉件粘附作用的影響（油槽內的潤滑油不跟軸領一起旋轉或不被攪動），使油面較平穩，減少油泡的產生，并且穩流板還可以避免循環熱油短路，這對控制軸承溫度也有好處。
合理確定軸領所形成潤滑油的動壓頭。潤滑油的動壓頭過大，會造成油流飛濺且產生大量油泡，不但易造成甩油，同時也會降低潤滑油的熱傳導能力。潤滑油的動壓頭大小與機組和軸領尺寸有關，因此，在機組確定整體方案時，選擇合適的軸領尺寸，對減小甩油有利。
合理的選擇油位，不要將油面加得過高。一般而言，水導軸承正常靜止油面不應高于軸瓦中心。油位過高，既對降低軸瓦溫度無益，又會增大軸承甩油出現的可能性。
在軸承蓋板與主軸配合處迷宮式密封。通過密封部位形成多次擴大與縮小的局部流體阻力，使滲漏的油氣混合體的壓力減小，從而防止油霧從密封蓋與旋體之間泄漏。
2 軸瓦間隙增大原因及其處理
2.1 軸瓦間隙運行時增大原因
目前，我廠設計生產的分塊瓦導軸承多是調整螺釘支承導軸瓦的結構，該結構制造簡單，調整方便。不足之處在于：軸承受外載荷能力不如楔子板式分塊瓦軸承，而且隨著運行時間的加長，導瓦間隙會逐步增大，導致水導軸承處的擺度過大，影響機組的安全運行。軸瓦間隙增大的主要原因是由作用在機組轉動部分上的不平衡外力反復作用所引起的。
在機組剛開啟時，圓周方向暫不穩定的水流很容易使轉輪連著主軸偏心受力，該不平衡交變力使水導軸承處的承重部件受作用力加劇。另外，機組在非Z佳工況運行時，不平衡的水流沖擊力也將使水導軸承處的受力惡化，由于水導軸承支承部件受交變力的過大作用，其結果是：
·調節螺釘出現松動；
·承重工件間隙被壓縮；
·調節螺釘頭部及鉻鋼塊上有壓傷、磨損；
·支承螺套與擋油箱焊接處出現裂紋等。
這些情況，導致軸領與軸瓦間的間隙出現增大，主軸水導軸承處的擺度超標。
由于擺度超標的影響，使運行中的水輪發電機組的主軸擺度，固定部件的振動增大，反過來，又引起水導軸瓦處交變力增大，導致支承部件出現更大的損壞，影響機組安全運行。另外，由于支承部件材質缺陷，加工處存在應力集中也將加劇水導軸瓦間隙的增大。
2.2 軸瓦間隙運行時增大的處理措施
軸瓦采用窄長型的條狀瓦：這是因為，窄長型條狀瓦的剛性好，可減小軸瓦運行時變形。
調節螺釘采用鍛40Cr，其頭部的淬火處理改為氮化處理，氮化層深不低于1.3mm，使其硬度為HRC40~50，調節螺釘截面變化處采用圓弧過渡。
調節螺釘、支承螺套處采用高精度的細牙螺紋，提高調節螺釘的防松能力。
軸瓦背面的工藝孔邊緣是應力集中區，加工時將此孔堵塞銑平，從而減小對鉻鋼墊板的損壞。
增加鉻鋼墊板直徑，加大其厚度。
優化設計支承體與擋油箱的配合處結構，以減小焊縫的受力。同時將支承體與擋油箱的焊接點改為V型坡口圓周滿焊，提高焊縫的抗拉強度。
改進調節螺釘的鎖錠方式和結構，提高鎖緊扁螺母與止動墊片等配合接觸表面粗糙，減小承重部件的游動間隙。
合理選擇擋油箱截面形狀，使其具有良好的剛性，減小運行時的受力變形。
將軸承瓦的間隙適當調小。
采用非同心型導軸瓦：我廠目前使用的導軸瓦基本上全是同心型導軸瓦。與同心型導軸瓦相比，非同心型導軸瓦具有受力特性良好，承載能力高的優點，并可適當縮小軸瓦平均瓦隙，以改善機組的穩定性能。
采用楔子板支承導軸瓦結構：在機組承受較大徑向載荷的情況下，與調節螺釘支承導軸瓦結構相比，楔子板結構軸瓦間隙相對穩定，目前，楔子板結構在我廠水導軸承應用上還是一個新領域。
1 甩油
機組運行時，水導軸承中的油或油霧跑出軸承油槽的現象，稱為軸承甩油。這不僅浪費潤滑油、污染環境，有時機組因甩油嚴重，而致使運行油位下降造成油位過低，引起燒瓦。因此，軸承的甩油一直是軸承設計時的一個需重點考慮的問題。軸承甩油有兩種情況：一是潤滑油通過主軸軸領內壁與擋軸筒之間的間隙，甩向主軸表面，這種甩油稱為軸承內甩油；另一種情況是潤滑油通過旋轉部件與軸承蓋板間的間隙甩向蓋板外部，這稱之為外甩油。
1.1 內甩油
內甩油形成的原因：機組在運行時，由于主軸密封上的護罩旋轉鼓風，使主軸軸內下側至油面之間，容易形成局部負壓，使油吸高或涌溢而甩濺到擋油筒外部，形成內甩油。這是內甩油形成的一個主要原因；另一個形成內甩油的主要原因是：由于擋油管與主軸軸領圓壁之間，因制造、運輸、安裝時的原因，產生不同程度的偏心，使工件之間的油環不均勻。如果該處間隙設計時取得很小，則相對偏心率就增大，這時主軸軸領內壁帶動其間靜油旋轉時，出現油泵效應，使潤滑油產生較大的壓力脈動，導致潤滑油上行而出現甩油。
內甩油的處理：根據內甩油的產生原因，在設計時可采取以下的措施來減少或消除甩油。
在主軸軸領頸部上鉆均壓斜孔，孔徑為20~40mm，按圓周等分，布置3~6個孔，使軸領內外通氣平壓，防上因內部負壓而使油面被吸高甩油。
在主軸密封的護罩上加焊一層平板，降低密封護罩攪拌而在軸承下部而形成負壓，減小內甩油發生的可能性。
加大軸領內側與擋油管之間的間隙，使相對偏心率減小，從而降低了油面的壓力脈動值，保持了油面的平衡，防上了潤滑油的上竄。實際使用情況表明，軸領內側與擋油管之間的距離增大，可使潤滑油的攪動造成的甩油大幅度降低。
加大擋油筒頂端與油面的距離，避免運行中的潤滑油在離心力作用下翻過油筒溢出。
加裝穩油擋油環。運行時，穩油擋油環起著阻旋作用，增大了內甩油的阻力。部分甩出來的油通過擋油環上環板上的小孔回到軸承槽中，擋油環與擋油筒之間呈靜止狀態，不會因主軸軸領的旋轉運動而使油面波動。
上述措施經過在電站中的運用，證明是有效的、可行的，能滿足電站安全運行的需要。但在使用過程中，也發現上述措施的不足之處。
由于擋油筒加高，使擋油筒的剛性成為一個突出問題。由于剛性問題，造成擋油筒存在不同程度的變形。這樣，一方面合縫面的密封受到影響；另一方面，在安裝時，受軸領結構的限制，擋油筒圓度的調整、測量比較困難，結果是油泵效應還有不同程度的存在。
由于軸領內側與擋油筒的距離加大，相應軸瓦直徑加大，軸承徑向尺寸變大。但同時，軸承油槽體積不變或變小，這對降低軸瓦瓦溫不利。在軸領內側與擋油筒結構設計方面，在交流學習時，我們發現其它廠家在這方面的結構設計值得借鑒。
在日本伊吹電站水輪機設計過程中，日立公司提供了水導軸承的結構參考圖。該軸承擋油筒處結構緊湊，整個軸承體積不大，但其油槽儲油量較大。我們認為日立公司在擋油筒設計上采取了如下措施：擋油筒設計時選擇等剛性截面，根部壁厚，隨著擋油筒高度增加，圓筒壁厚隨之降低，從而通過選擇合理的壁厚，控制剛性。在分軸領內側根部對應在擋油筒處設擋油環，抑制潤滑油的液面波動，阻止潤滑油上竄形成甩油。部分越過擋油環的潤滑油，由于軸領內側根部臺階的作用，無法上移，在重力作用下流回油槽，這樣整個擋油筒設計就緊湊。
二灘水電站設計的水導軸承，為防止軸承內甩油，其擋油筒結構設計方面也很有特色。該擋油筒設計獨特之處在于其導流葉柵與擋油環的布置。其導流葉柵位于正常工作油面以下，與油筒壁成10°下壓角。旋轉的潤滑油流經葉柵后形成一個下壓分力而使油上竄受阻，有效減少內甩油，并且該擋油筒還在正常工作油面以下布置有傘型擋油環（目前，我廠的擋油環均置于正常油面以上，相對比較而言，就顯得擋油筒較高）。這樣，由于擋油環的存在，即使少量潤滑油通過葉柵上爬后也難通過兩道傘型擋油環，故內甩油得到有效控制。如果將上述新結構運用于我廠水導軸承上，能有效降低擋油筒高度，簡化加工與安裝技術要求，并且還可以為解決已運行水導軸承出現的內甩油，提供借鑒。
1.2 外甩油
外甩油形成的原因：對于水導軸承，潤滑油從軸承蓋板處以油珠的形式逸出形成甩油的情況很少，更多的是以油霧形式，從軸承蓋板縫隙處逸出，形成甩油。
主軸軸領下部開有徑向進油孔或開有與徑向成某一角度的進油孔。當主軸旋轉時，這些進油孔起著油泵的作用，把潤滑油輸送到軸瓦與軸領之間的空隙內及軸瓦之間的軸承油槽中。如果進油孔呈斜向布置，高速射油碰上工件后，一部分油會因其粘性而附著在工件上，另一部分會朝另一方向反射出去，到處飛濺，形成大量的霧狀油珠。同時，由于主軸軸領的高速旋轉，造成軸承油槽內油面波動加劇，從而產生許多油泡。當這些油泡破裂時，也會形成很多油霧。另外，隨著軸承溫度的升高，使油槽內的油和空氣體積逐漸膨脹，從而產生一個內壓。在內壓的作用下，油槽內的油霧隨氣體從軸承蓋板縫隙處逸出，形成外甩油。
外甩油的處理： 在主軸軸領根部開徑向進油孔，避免了開斜向孔，由于產生射油，造成油面紊亂、飛濺大、易甩油的缺陷。
合理確定進油孔中心與軸瓦中心的距離，這是因為進油也的吸油點，如果太高，容易產生大量的氣泡，從而增加甩油的可能性。
在油槽內設穩流板。它的作用是將潤滑油與旋轉的軸領分隔開，使潤滑油不受旋轉件粘附作用的影響（油槽內的潤滑油不跟軸領一起旋轉或不被攪動），使油面較平穩，減少油泡的產生，并且穩流板還可以避免循環熱油短路，這對控制軸承溫度也有好處。
合理確定軸領所形成潤滑油的動壓頭。潤滑油的動壓頭過大，會造成油流飛濺且產生大量油泡，不但易造成甩油，同時也會降低潤滑油的熱傳導能力。潤滑油的動壓頭大小與機組和軸領尺寸有關，因此，在機組確定整體方案時，選擇合適的軸領尺寸，對減小甩油有利。
合理的選擇油位，不要將油面加得過高。一般而言，水導軸承正常靜止油面不應高于軸瓦中心。油位過高，既對降低軸瓦溫度無益，又會增大軸承甩油出現的可能性。
在軸承蓋板與主軸配合處迷宮式密封。通過密封部位形成多次擴大與縮小的局部流體阻力，使滲漏的油氣混合體的壓力減小，從而防止油霧從密封蓋與旋體之間泄漏。
2 軸瓦間隙增大原因及其處理
2.1 軸瓦間隙運行時增大原因
目前，我廠設計生產的分塊瓦導軸承多是調整螺釘支承導軸瓦的結構，該結構制造簡單，調整方便。不足之處在于：軸承受外載荷能力不如楔子板式分塊瓦軸承，而且隨著運行時間的加長，導瓦間隙會逐步增大，導致水導軸承處的擺度過大，影響機組的安全運行。軸瓦間隙增大的主要原因是由作用在機組轉動部分上的不平衡外力反復作用所引起的。
在機組剛開啟時，圓周方向暫不穩定的水流很容易使轉輪連著主軸偏心受力，該不平衡交變力使水導軸承處的承重部件受作用力加劇。另外，機組在非Z佳工況運行時，不平衡的水流沖擊力也將使水導軸承處的受力惡化，由于水導軸承支承部件受交變力的過大作用，其結果是：
·調節螺釘出現松動；
·承重工件間隙被壓縮；
·調節螺釘頭部及鉻鋼塊上有壓傷、磨損；
·支承螺套與擋油箱焊接處出現裂紋等。
這些情況，導致軸領與軸瓦間的間隙出現增大，主軸水導軸承處的擺度超標。
由于擺度超標的影響，使運行中的水輪發電機組的主軸擺度，固定部件的振動增大，反過來，又引起水導軸瓦處交變力增大，導致支承部件出現更大的損壞，影響機組安全運行。另外，由于支承部件材質缺陷，加工處存在應力集中也將加劇水導軸瓦間隙的增大。
2.2 軸瓦間隙運行時增大的處理措施
軸瓦采用窄長型的條狀瓦：這是因為，窄長型條狀瓦的剛性好，可減小軸瓦運行時變形。
調節螺釘采用鍛40Cr，其頭部的淬火處理改為氮化處理，氮化層深不低于1.3mm，使其硬度為HRC40~50，調節螺釘截面變化處采用圓弧過渡。
調節螺釘、支承螺套處采用高精度的細牙螺紋，提高調節螺釘的防松能力。
軸瓦背面的工藝孔邊緣是應力集中區，加工時將此孔堵塞銑平，從而減小對鉻鋼墊板的損壞。
增加鉻鋼墊板直徑，加大其厚度。
優化設計支承體與擋油箱的配合處結構，以減小焊縫的受力。同時將支承體與擋油箱的焊接點改為V型坡口圓周滿焊，提高焊縫的抗拉強度。
改進調節螺釘的鎖錠方式和結構，提高鎖緊扁螺母與止動墊片等配合接觸表面粗糙，減小承重部件的游動間隙。
合理選擇擋油箱截面形狀，使其具有良好的剛性，減小運行時的受力變形。
將軸承瓦的間隙適當調小。
采用非同心型導軸瓦：我廠目前使用的導軸瓦基本上全是同心型導軸瓦。與同心型導軸瓦相比，非同心型導軸瓦具有受力特性良好，承載能力高的優點，并可適當縮小軸瓦平均瓦隙，以改善機組的穩定性能。
采用楔子板支承導軸瓦結構：在機組承受較大徑向載荷的情況下，與調節螺釘支承導軸瓦結構相比，楔子板結構軸瓦間隙相對穩定，目前，楔子板結構在我廠水導軸承應用上還是一個新領域。
來源：《農村電氣化》2005年06期
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