大型水轮发电机组水导轴承综述

孙茂军，陈 琛，李 浪

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

1 引言

水轮发电机组的原理就是把水流从高处流下的能量，经过水轮机转化为旋转机械能，通过水轮机带动发电机旋转将机械能转化为电能。我国水轮发电机组技术起步较晚，但随着三峡、向家坝、溪洛渡、乌东德、白鹤滩等巨型水电站的建设，特别是白鹤滩16 台国产1 000 MW 巨型机组的设计制造，中国首次踏进了世界百万水电机组无人区，成为了世界水电的引领者。

作为旋转机械，随着水头、负荷的波动，水轮发电机组不可避免的存在振动、摆动，如果振动、摆动过大，将会给机组设备、厂房，甚至电站下游人民带来巨大的威胁，所以必须将其振动、摆动限制在一定的范围内，而水导轴承就是限制其摆动范围的一个重要组成。

本文结合长江干流已投运700 MW 以上大型水轮发电机组，系统阐述水导轴承结构形式，并对白鹤滩水电站水导轴承进行详细叙述。

2 水导轴承的分类

根据结构型式的不同，水导轴承可分为橡胶导轴承、筒式导轴承、分块瓦导轴承。为保证水导轴承的稳定性，并考虑检修维护性、经济性，大型水轮发电机组均采用分块瓦式导轴承结构，为此，本文将重点对分块瓦式导轴承进行阐述。

分块瓦式导轴承通过在旋转大轴圆周方向布置多块水导瓦，以确保大轴在规定的轴线位置旋转，其结构相对复杂，但优点突出，汇总如下：

（1）轴承总间隙可根据机组运行情况在设计范围内灵活调整。

（2）每块瓦独立支撑，可以绕支撑点产生一定偏转，间隙可独立调整，对轴线摆动适应性强，承载能力高。

（3）导瓦与冷却介质具有较大的接触面积，散热能力强。

（4）安装、调整、检修维护方便。

分块瓦式水导轴承根据不同属性又可分为不同的结构形式，按支撑方式可分为抗重螺栓支撑和楔子板支撑结构；按冷却方式可分为冷却器冷却和自然冷却，其中冷却器冷却又可分为自泵外循环、强迫外循环和内循环等结构形式；按滑转子结构可分为有轴领结构和无轴领结构形式。

3 长江干流巨型水轮发电机组水导轴承简介

由于尺寸巨大，为便于轴承检修、维护，长江干流三峡、向家坝、溪洛渡及建造中的乌东德、白鹤滩5 座电站巨型水轮发电机组水导轴承均为分块瓦式导轴承，但由于具体结构差异，根据冷却方式可分为强迫外循环和自泵外循环两种形式；而根据滑转子结构又可分为有轴领和无轴领两种结构。

3.1 冷却方式

3.1.1 自泵外循环

自泵外循环结构模式是指水导外循环系统中未设置电动油泵，油槽油液完全依靠自身结构设计，在机组旋转离心力作用下，将油槽中的热油泵出送至外置冷却器冷却后，再注入油槽对水导瓦进行冷却的结构模式。溪洛渡左岸哈电、白鹤滩右岸哈电机组均采用该冷却方式。

3.1.2 强迫外循环

强迫外循环结构形式是指水导油槽中的热油，在外置油泵作用下抽出送至外部冷却器冷却后，再注入油槽对水导瓦进行冷却的结构形式。

3.2 滑转子结构

3.2.1 无轴领结构

无轴领结构以主轴自身作为导轴承的滑转子使用。巨型机组由于机组主轴尺寸大，轴领加工工艺复杂，相对带轴领的水导轴承而言，无轴领结构降低了主轴加工难度，因而受到生产厂家的青睐。但此种结构需设置甩油环、外油箱等部件，整体较复杂，对泵的可靠性要求高，所需安装空间大，长时间停机后，因上油箱油液大量渗漏进入外油箱，对轴瓦保护不足。三峡哈电、ALSTOM 机组以及向家坝哈电、ALSTOM 机组均采用此结构，其结构形式如图1 所示。

图1 无轴领结构水导轴承

3.2.2 有轴领结构

有轴领结构在水轮机大轴上附加有一圈轴领，并以轴领作为轴承滑转子，由于轴领的设计，导轴承可在轴领及大轴间设置挡油筒，从油箱与滑转子间渗漏油液直接进入到下油盆，故而无需设计下甩油环，迷宫式密封环结构也相对简单，整体尺寸紧凑，对空间要求较低，冷却方式选择灵活性高。

由于河道条件的限制，越来越多的电站只能将机组设备建设在地下厂房内，对机组设备的空间利用率要求高，所以仍有大量的水轮发电机组采用有轴领轴承结构。三峡VGS、东电机组以及溪洛渡、乌东德、白鹤滩电站全部机组均采用此结构，其结构形式如图2 所示。

图2 有轴领结构水导轴承

4 白鹤滩水电站水导轴承简介

白鹤滩水电站水导轴承为稀油润滑分块瓦、有轴领结构设计，其中东电、哈电机组水导轴承分别设有24 块、16 块巴氏合金轴瓦，为楔子板调整结构。

4.1 东电水导轴承

东电水导轴承整体结构形式如图3 所示。其冷却方式采用外加泵强迫外循环模式，整体设计要求较低，但对油泵工作可靠性要求较高，控制程序复杂，维护工作量大。其冷却系统如图4 所示，油盆内热油在油泵作用下依次进入过滤器、冷却器后再注入油槽，对水导瓦进行冷却，冷油经过水导瓦后被加热成热油，密度小于冷油，浮在油箱上部，并翻过溢流板进入下部油盆，再被油泵抽出，形成油路循环。冷却水通过冷却水总管上的支管分别进入冷却器，冷却热油后再排出汇至出水总管排走。

4.2 哈电水导轴承

图3 东电水导轴承结构示意图

图4 东电水导外循环冷却系统示意图

图5 哈电水导轴承结构示意图

哈电水导轴承整体结构形式如图5 所示。其冷却方式采用自泵外循环模式，无需外接电动油泵，故而不存在断电影响，安全可靠性较高，维护工作量小，但结构设计要求较高。其冷却系统如图6 所示。油盆内的热油在大轴旋转离心力作用下，甩入下油箱，并达到一定的压力，在差压作用下分别自流进入冷却器，经冷却器冷却后注入油槽，对水导瓦进行冷却，冷油经过水导瓦后被加热成热油，密度小于冷油，浮在油箱上部，并翻过溢流板进入下部油盆，再被甩入下油箱，形成油路循环。冷却水通过冷却水总管上的支管分别进入冷却器，冷却热油后再排出汇至出水总管排走。

5 结语

图6 哈电水导外循环冷却系统示意图

（1）随着水轮发电机组的容量增大，水导轴承所承载负荷也越来越高，尺寸越来越大，承载能力强、造价相对较低、检修维护及调整方便的分块瓦式导轴承结构得到广泛应用。

（2）自泵式外循环安全可靠性较高，但结构设计技术难度高，而外加泵强迫外循环虽然控制程序复杂，但设计难度较低，应用更为广泛。

（3）无轴领结构虽然主轴加工难度较低，但需要的外部辅助设备较多，空间要求较大，日常维护工作量大；而有轴领结构空间利用率高，外循环方式选择灵活，且随着技术进步，加工难度相对越低，得到了越来越广泛的应用。

作为水轮发电机组关键部件的水导轴承，其工作正常与否，直接影响着机组的安全稳定性能，随着机组单机容量的越来越大，人们对水导轴承的关注度也越来越高。随着长江干流三峡、向家坝、溪洛渡水电站的建设及投产运行，国内已探索出一套巨型水轮发电机组水导轴承安全、稳定、高效运行的管理和使用经验，促进了国内水轮发电机组的技术进步，并将进一步推动世界水电的高质量发展。