水轮发电机轴承温度异常升高原因分析及防范措施

水轮发电机轴承温度异常升高原因分析及防范措施

王金玲

中国葛洲坝集团机电建设有限公司四川成都610000

摘要：当前，电站以及各类船舶等逐步提高其实际功率。轴承在发电机中得到了日渐广泛的应用，并提高了对整机装配的各项要求。若缺乏良好的装配质量，轴承在实际运行的过程中，其温度将持续升高，会对发电机及其轴承造成损坏。对此，有必要针对轴承发电机深入研究其整机装配的相关工艺和具体方案，实现对轴承温度高这一问题的有效解决。

关键词：水轮发电机；轴承温度异常；升高原因；防范措施

1水轮发电机轴承温度异常的原因分析

1.1轴承进水后温度变化分析

经对比轴瓦烧毁前一周与大修前循泵正常运行时轴承温度数据发现，大修前此循泵稳定运行时，轴承温度全年基本保持在40～50℃之间。循泵启动后，经过短时间磨合，轴承温度16：30达到最高49℃后逐渐下降，并逐渐稳定在41～42℃之间，晚上21：12开始，轴承温度迅速下降，21：38时迅速跌至26℃，随后轴承温度在20～30℃之间波动，直至事件发生时，轴承温度大幅上升至76℃。根据循泵运行时轴承温度稳定的数值范围初步判断，在次日循泵启动后轴瓦运行温度较正常时持续偏低，且温度变化幅度较不稳定，为轴承润滑介质变化所致，由于水的比热容较大，在水润滑状态下，轴瓦磨损前轴承温度较油润滑状态下的温度偏低。由于水润滑代替油润滑，油膜变成了水膜，加上混入的海水存在一定杂质，由于轴瓦表面有巴氏合金，水润滑和杂质使得巴氏合金和主轴点接触到巴氏合金的损坏需要较长时间，巴氏合金损坏后轴瓦和主轴接触导致轴瓦温度迅速升高，在瓦面没有烧毁时，可能只会发生局部过热，当瓦面彻底损坏后，轴承温度会瞬间上升。因此根据当日循泵轴承温度变化趋势初步推断，循泵导向轴承箱由于循泵顶盖水位过高而造成轴承箱进水，取代润滑油成为轴承润滑介质。

1.2时间序列分析

对现场情况进行核实，根据大修计划对循泵执行全面解体检查后带载试车。机械启动前检查发现一台顶盖排水泵自带浮杆液位开关损坏，无法使用，另外一台可正常启动，但有跳闸故障，电气现场测量泵运行电流正常，观察1小时无跳闸现象后结票。运行通知服务人员增加两台临时排水泵。服务现场核实后，发现循泵坑内已有一台原调试阶段遗留的潜水泵可使用，因此在循泵旁边又放置一台临时排水泵作为备用。根据运行要求，服务安排人员值班配合排水。当日晚20：00，服务人员现场使用临时泵排水过程中，临时泵多次出现跳闸，工作人员检查发现临时泵绝缘低，此时泵坑内排水泵均不可用，工作人员23：00接到主控通知更换临时排水泵。此时状态为正式泵均不可用，临时泵频繁故障，无法正常排水，报警一直存在，水位失去监测，导轴承再次被水淹。轴承箱进水后，由于轴瓦温度未达到报警值，轴瓦在水润滑状态下运行，轴瓦表面巴氏合金损坏后，最终导致轴瓦烧毁。次日，仪控将1CRF104SN修复完成，主控报警消失。机械专业对泵解体发现泵体有异物，用压缩空气不定时对轴承室内部进行搅拌。更换新轴瓦处理过程做好防异物保护，回装后启泵运行正常。

2轴承发电机轴承温度升高的解决措施

2.1注意轴承间隙及润滑油量控制

对轴承温度升高的问题进行解决，要注意轴承间隙，并注重对润滑油量进行控制。轴承在一般情况下保持的侧隙为0.1mm，侧隙与轴承实际大小存在着相关性。侧隙大小低于0.05mm，则意味着轴承具有过小的间隙。这就阻碍了润滑油充分流入轴承相应的面中，将难以良好形成油膜，难以尽量将更多的热量带走，极易引发轴承出现温度升高现象。另外，轴承具有过小的侧隙，将造成轴瓦对相应轴颈具有过大的包角，极易增大实际摩擦力，并增加摩擦面，摩擦发热将导致轴承出现偏高的温度。一般情况下，高速电机相应的轴瓦与轴颈保持60°的包角，中速以及低速电机其轴瓦与轴颈保持60°到90°的包角。

具体解决措施：在装配过程中，对轴承侧隙进行检查，若发现轴承具有较小的侧隙，需适当开大其瓦口，实现对轴承侧隙的有效增大；借助刮瓦对包角进行有效控制。

2.2发电机轴向外力控制

对轴承温度升高的问题进行解决，还要注意对发电机轴向外力进行控制。发电机在运行状态下，其定子和转子各自的绕组铁心会导致等效磁场的产生。在磁吸引力这一因素的影响下，对同一横截面而言，定子和转子各自的磁力中心会趋于移动重合。

相对而言，定子铁心保持固定的状态，转子则沿轴向移动于轴承上。发电机的定子、转子为直槽型铁心时，其定子和转子各自的磁力中心将趋于重合，其转轴在理论上是不会产生轴向力的。斜槽型发电机，其定子以及转子各自具备的铁心间存在一定的磁吸力，在斜槽影响下，电机力矩会导致轴向力的产生，并作用于发电机的轴承上。

为最大化地减小轴承端面所受到的轴向力，需对如下因素进行综合考虑：转子铁心相应的磁力中心定子铁心相应的磁力中心趋于重合而形成的磁力、机力矩相应的轴向分力及其与发电机实际输出功率的相互关系。可采用如下方法：电机保持额定功率的相应状态下，其轴承受到最小的合成外力，在高、低功率段，轴承在外力作用下，形成的轴承升温要低于轴承温升相关规范的具体要求。

作出如下假设：发电机具备的定子以及转子各自相应的磁力中心均处于本身的几何中心，对测量尺进行利用实施准确的相对测量，对定子以及转子各自的磁力中心实际对齐与否进行确定。若未能满足相关工艺的具体要求，需对安装轴承的具体位置实施合理调整，有效保障定子和转子各自具备的磁力中心形成有效对齐。对斜槽发电机具备的磁力中心进行对中，要将发电机涉及的各项参数，诸如斜槽实际倾斜角度、转向以及转速等作为依据，对定子和转子各自的磁力中心相应的实际位移值以及具体方向进行正确判定，有效保障在实际运行状态下，发电机具备的转子和定子各自相应的磁力中心不会发生重合，并形成磁拉力，对轴向力形成有效平衡，进而有效减少轴承端面承受的实际轴向力，从而减少轴向摩擦力，实现对温升的有效降低。

2.3微观结构与摩擦能耗分析

从分子结构的角度进行分析，矿物油为混合物，其分子大小不一，并含有蜡等杂质分子，而合成油为纯净物，其分子大小均一、排列规则，不含任何杂质分子。从油品性能的角度进行分析，矿物油受限于原油本身的影响，其性能只是不同分子性能的原始体现，而合成油具有一道单独而精密的化学合成工序，其性能可根据实际需求量身定制以求最佳。

由于分子结构差异，合成油的摩擦因数比矿物油更低，其对应分子间摩擦力也必然更小，同等工况环境下，其自身能量损耗和发热量更低，并且按照专业实验室验证结果可以充分证明该理论分析。分别以普通矿物油与合成润滑油为润滑剂，通过对受控的蜗杆齿轮进行红外热成像试验，已从直观上表明合成润滑油的能效优势。与同型号普通矿物油相比，合成油的工作温度约低15℃。而从后续分析的润滑油性能，可知工作温度越低，润滑油的润滑效果越好，设备的使用寿命越长，效率越高，维护成本越低。

2.4黏度指数（VI）分析

流体在外力作用下做层流运动时，相邻两层流体分子间存在内摩擦力阻滞液体流动，这种特性称为液体的黏滞性，衡量黏滞性大小的物理量称为黏度。

流体润滑中，两摩擦表面被一层可流动的润滑膜隔开，膜厚比通常>3，正是由于流体润滑膜的存在，使得摩擦系数很低，磨损极小，达到最为理想的润滑状态。而流体润滑膜的形成与油品黏度有重要关系，黏度越大，油品保持流体润滑层的能力越强，越能减少磨损和发热，因此在类似设备冷却水泵的低转速、高负荷场合，流体润滑膜形成困难，必须保证足够的润滑油黏度来减少磨损。

但温度是润滑油黏度变化的重要影响因素，温度升高时，液体分子间距离增大，内聚力随之下降而使润滑油黏度下降，导致油膜厚度和强度不足，无法满足给定工况下的润滑要求，造成润滑不良，加剧磨损和发热。所以温度变化大时，应选用黏度指数高的油品，高温条件下应选用黏度大、闪点高、抗氧化稳定性好、有相应添加剂的油品。

为了进一步证明合成油较矿物油的黏度指数优越性，将目前所用VG46MO-BILDTE846矿物油与建议选用的MOBILSHC626合成油分别在油温为70℃和82℃环境下进行实验室验证。

3结语

总之，发动机温度过高产生的原因有很多，所以要依据实际情况来选择合适的解决方法，但是大部分轴承温度升高的主要原因轴承侧隙过小，流入的润滑油量过少，且发电机受到过大的轴向磁拉力影响。对此，可通过注意轴承间隙及润滑油量控制并加强对发电机轴向外力的控制等措施有效解决轴承发电机轴承温度升高的问题。

参考文献：

[1]杨兰和.CVP600压水堆核电厂运行[M].北京：原子能出版社，2009.

[2]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011.