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卧式水轮发电机组导轴承润滑特性的多维度剖析与优化策略

一、绪论

1.1研究背景与意义

在全球能源结构加速向可再生能源转型的大背景下，水力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，在电力行业中占据着举足轻重的地位。卧式水轮发电机组凭借其结构紧凑、安装维护便捷、运行稳定等优势，被广泛应用于各类中小型水电站，成为水力发电领域的关键设备之一。

导轴承作为卧式水轮发电机组的核心部件，主要承担着支撑机组转动部分重量、约束主轴径向位移以及承受机组运转过程中产生的径向振摆力等重要任务。其润滑特性直接关系到机组能否稳定、高效、可靠地运行。良好的润滑可以有效降低轴承与轴颈之间的摩擦系数，减少磨损和能量损耗，从而提高机组的运行效率。同时，润滑过程中带走的热量能够有效控制轴承温度，防止因温度过高导致轴承材料性能下降，进而延长轴承和机组的使用寿命。若导轴承润滑不良，不仅会引发机组的振动和噪声，还可能导致轴承烧损、机组停机等严重事故，给电力生产带来巨大的经济损失。因此，深入研究卧式水轮发电机组导轴承的润滑特性，对于提升机组的性能和可靠性、保障电力系统的安全稳定运行具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对卧式水轮发电机组导轴承的润滑特性展开了大量研究。在理论分析方面，部分学者基于经典的润滑理论，如雷诺方程等，对导轴承油膜的压力分布、厚度变化等进行了理论推导，为后续研究奠定了理论基础。数值模拟领域，借助计算流体力学（CFD）等先进技术，构建了导轴承油膜的数值模型，通过模拟不同工况下油膜的流动特性，深入探究了润滑性能的影响因素，包括转速、载荷、油温等。实验研究上，学者们搭建了专门的实验平台，对导轴承的润滑性能进行测试，获取了实际运行数据，验证和补充了理论与模拟结果。

尽管取得了上述成果，但现有研究仍存在一定不足与空白。一方面，对于复杂工况下，如变载荷、变转速以及多物理场耦合作用时，导轴承润滑特性的研究尚显薄弱，缺乏系统深入的分析。另一方面，在新型润滑材料和润滑结构的研发应用方面，相关研究还不够充分，难以满足日益增长的高性能机组需求。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括：深入剖析卧式水轮发电机组导轴承的润滑原理，明确其在不同工况下的润滑机制；系统研究影响导轴承润滑特性的诸多因素，如油膜厚度、润滑油粘度、轴承间隙等，分析各因素对润滑性能的具体影响规律；探讨导轴承润滑特性与机组运行稳定性、效率之间的内在关联，建立相应的数学模型。

研究方法上，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方式。理论分析层面，运用润滑理论和流体力学知识，推导导轴承油膜的相关方程，建立理论模型。数值模拟时，利用专业的CFD软件，构建导轴承油膜的三维数值模型，模拟不同工况下油膜的流动和润滑性能。实验研究则搭建导轴承实验台，对不同工况下的润滑性能进行测试，获取实验数据，用于验证理论和模拟结果的准确性。

二、卧式水轮发电机组导轴承概述

2.1导轴承结构与工作原理

卧式水轮发电机组导轴承主要由导轴承瓦、支柱螺栓、套筒、座圈、滑转子和油冷却器等部件组成。导轴承瓦多采用分块扇形摆动瓦结构，材料常选用巴氏合金或弹性金属塑料。巴氏合金具有良好的减摩性和顺应性，能有效降低轴与轴承之间的摩擦系数，减少磨损；弹性金属塑料则兼具金属的强度和塑料的自润滑性，在一些特殊工况下表现出更优异的性能。支柱螺栓和套筒通常由圆钢或锻钢制成，用于支撑和固定导轴承瓦，确保其在工作过程中的稳定性。座圈和滑转子一般采用铸钢材质，滑转子热套于轴上并与轴一起加工，在机组运行时随轴同步旋转。

以常见的具有单独油槽的导轴承为例，其工作原理如下：当机组运行时，主轴带动滑转子高速旋转，滑转子下缘开有的径向供油孔在离心力的作用下将油槽中的润滑油甩出，使润滑油进入轴瓦与轴颈之间的间隙。在轴颈与轴瓦的相对运动过程中，润滑油形成具有一定承载能力的油膜，将轴颈与轴瓦隔开，从而起到润滑和支撑的作用。从瓦侧及瓦上部出来的热油在离心力和重力的作用下向外流，经顶瓦螺栓孔转向轴承体空洞向下，通过油冷却器降温后向里流，再经轴领进油孔向上，如此循环往复，实现润滑油的循环冷却，带走轴承运行过程中因摩擦产生的热量，维持轴承的正常工作温度。

2.2导轴承在机组中的作用与重要性

导轴承在卧式水轮发电机组中起着至关重要的作用。首先，它承担着支撑机组转动部分重量的重任，确保主轴能够在水平方向上稳定运行。机组转动部分包括转轮、主轴、联轴器等部件，这些部件的重量较大，若没有导轴承的有效支撑，主轴将难以保持稳定的旋转中心，可能会出现下沉、倾斜等问题，严重影响机组的正常运行。

其次，导轴承能够约束主轴的径向位移，承受机组运转过程中产生的径向振摆力。在机组运行过程中，由于水力不平衡、电磁不平衡以及机械制造和安装误差等因素的影响，主轴会受到各种径向力的作用