PTFE瓦與巴氏合金瓦推力軸承熱彈流特性的對比分析

方靜輝，汪久根，趙志強，陳志祥，嚴錦麗

(1.浙江富春江水電設備股份有限公司，杭州 310013；2.浙江大學 機械系，杭州 310027)

水輪發電機組用推力軸承曾普遍采用巴氏合金瓦，直至20世紀70年代，前蘇聯首次在推力軸承上采用彈性金屬塑料瓦(PTFE瓦)后，其優良的潤滑特性使之在水電設備領域得到關注并得以推廣。國內從20世紀80年代末開始展開PTFE瓦研制以來，PTFE瓦的應用技術已經取得了巨大的進步，隨著五強溪水電站等一大批使用PTFE瓦推力軸承的成功案例的出現，PTFE瓦推力軸承已得到大部分水電站企業的認可[1]，目前國內很多大中型立式水電機組均已在招標階段就明確要求采用PTFE瓦推力軸承。

與傳統的巴氏合金瓦推力軸承相比，PTFE瓦推力軸承在熱彈流性能方面具有顯著的優越性，但是在以往的分析手段下，無法將這些優越性直觀量化地表達出來。在自主開發推力軸承油膜動壓潤滑數值解析程序的基礎上，結合商用有限元軟件計算結構件熱彈變形的方便性和準確性，研制了完整的推力軸承熱彈流特性分析軟件[2-5]。并針對某水電站機組增容特性計算要求，利用該軟件精確地比較分析了推力軸承穩態熱彈流潤滑特性，重點分析了PTFE瓦和巴氏合金瓦之間的區別。

1 設計參數

為了比較分析，在設定推力軸承幾何特征參數幾乎完全一致的前提下(推力瓦夾角、長寬比、支撐偏心率相同)，分別就PTFE瓦(A方案)和巴氏合金瓦(B方案)2種推力軸承特性進行了研究，推力軸承具體的設計參數見表1。

表1 兩種方案的設計參數

2 熱彈流特性的比較

利用推力軸承熱彈流特性分析軟件分別對PTFE瓦和巴氏合金瓦推力軸承進行熱彈流特性計算，得到對應的推力軸承熱彈流特性主要特征值之間的量化差別，見表2。同時，對這兩種方案下的推力瓦瓦體溫度分布特性、推力瓦熱彈變形特性、油膜壓力分布特性和油膜厚度分布特性和油膜溫度分布特性計算結果分別進行比較。

表2 推力軸承熱彈流特性計算結果比較

2.1 瓦體溫度分布特性

比較圖1與圖2可知，PTFE瓦瓦體的穩態溫度分布特性與巴氏合金瓦瓦體的穩態溫度分布特性截然不同。PTFE瓦瓦面的最高溫度比巴氏合金瓦略高，而瓦坯層的溫度相比于巴氏合金瓦要低得多，只比油槽溫度略高，而且瓦坯層的溫度分布幾乎均勻一致。巴氏合金瓦瓦坯層的溫度較高，而且在厚度方向上存在明顯的溫度下降梯度。

圖1 PTFE瓦瓦體的溫度分布特性

圖2 巴氏合金瓦瓦體的溫度分布特性

比較圖3與圖4可知，巴氏合金瓦瓦體溫度在厚度方向上的分布幾乎成勻速下降趨勢，而PTFE瓦瓦面材料層的溫度下降梯度很大，瓦坯層的溫度下降梯度很小。導致這一結果的主要原因是PTFE材料的熱導率比碳素鋼低很多；因此，PTFE瓦大部分的溫降集中在瓦面材料層，而巴氏合金的熱導率與碳素鋼接近，瓦面層與瓦坯層的溫度梯度接近，PTFE材料的熱膨脹率比碳素鋼大，但是由于PTFE層的厚度比較小，整體軸向熱彈變形還是較小。

圖3 PTFE瓦瓦體斷面的溫度分布特性

圖4 巴氏合金瓦瓦體斷面的溫度分布特性

從兩者斷面的溫度分布特性可見，采用傳統的推力瓦瓦溫測量方法測量推力瓦溫度時，PTFE瓦瓦體溫度會大幅度低于巴氏合金瓦瓦體溫度。

顯而易見，由于瓦體溫度分布更加均勻，內部相對熱應力很小，所以，PTFE瓦推力軸承的推力瓦熱變形將大幅度減小。

2.2 推力瓦熱彈變形特性

在推力瓦熱彈變形分析中，由于PTFE材料的物理特性復雜，通過在商用有限元軟件中設置非線性材料特性的方法設置其特性。比較圖5、圖6可知，PTFE瓦瓦面和巴氏合金瓦瓦面的熱彈變形趨勢不同。前者熱彈變形后呈凹形，后者呈凸形，所以，PTFE瓦在瓦面進油邊須加工楔形坡口，避免在旋轉方向上出現反楔形油膜，這會導致油膜喪失承載能力，嚴重危害軸承運行安全。

圖5 PTFE瓦的熱彈變形特性

圖6 巴氏合金瓦的熱彈變形特性

另外，對于PTFE瓦推力軸承，機組運行時，瓦面的軸向最高點位于出油邊上，當油膜壓力分布梯度過大時，就要在推力瓦瓦面的出油側加工楔形出油邊，以防止瓦面出油邊與推力鏡板發生結構接觸。

從計算結果的量化比較可知，PTFE瓦瓦面軸向最大熱彈變形差約為巴氏合金瓦的1/2左右，因此，PTFE瓦瓦面在運行時的平面度更好。

2.3 油膜壓力分布特性

如圖7、圖8所示，從兩種瓦各自的油膜壓力分布特性中可以發現，相比于巴氏合金瓦推力軸承，PTFE瓦推力軸承油膜的壓力分布梯度較小，壓力分布均勻。

圖7 PTFE瓦軸承的油膜壓力分布特性

圖8 巴氏合金瓦軸承的油膜壓力分布特性

選用PTFE瓦后，油膜的最大壓力會比巴氏合金瓦下降30%左右，潤滑油膜的承載范圍會大幅度增加；如采用巴氏合金瓦，潤滑油膜的承載區域就會集中在推力瓦支撐中心附近，此處的壓力升降梯度很大，這對軸承的潤滑特性有著不利的影響。由此可以推斷，對于同一推力軸承，選用PTFE瓦可以設計更大的平均壓力。

同時，從潤滑油流速計算公式可知，油膜壓力分布梯度的提高，會加快潤滑油的流動速度，進而增大瓦面的必需潤滑油量。

潤滑油徑向流速

(1)

潤滑油周向流速

(2)

2.4 油膜厚度分布特性

對比圖9與圖10可知，PTFE瓦推力軸承油膜的最小厚度比巴氏合金瓦軸承略大，有利于軸承的安全運行。PTFE瓦推力軸承油膜在徑向上厚度幾乎一致，而巴氏合金瓦推力軸承油膜厚度在徑向上呈中間下凹狀，這會導致油膜內、外徑側的端面面積增大，進一步增大瓦面的必需潤滑油量。

圖9 PTFE瓦軸承的油膜厚度分布特性

圖10 巴氏合金瓦軸承的油膜厚度分布特性

2.5 油膜溫度分布特性

從圖11中可知，選用PTFE瓦的推力軸承油膜溫升會有所提高，這是因為PTFE材料的導熱性能差，使得油膜剪切損耗產生的熱量不能快速從推力瓦側散發出去，最終加大了油膜的溫升；而巴氏合金瓦就不會出現該現象。

溫度/℃

從圖12可發現，巴氏合金瓦推力軸承油膜的進油區存在一個明顯的回流區域。這是由于油膜在該區域有較高的壓力上升梯度，導致潤滑油出現回流造成的。而PTFE瓦推力軸承油膜在該處的壓力上升梯度較小，故不存在明顯的回流現象。

溫度/℃

另外，從溫度分布趨勢上分析，PTFE瓦推力軸承油膜的最高溫度點出現在出油邊處；而巴氏合金瓦推力軸承油膜的溫度在接近出油邊時開始下降。這是由于該處的油膜厚度快速增大，瓦間流道對油膜熱對流的影響增大及潤滑油本身出現膨脹吸熱的緣故造成的。

3 結束語

在水輪發電機組推力軸承設計中，選用PTFE瓦后，經過適當的瓦面修形，可有效改善軸承的熱彈流潤滑特性，使軸承運行更加安全可靠。PTFE瓦推力軸承熱彈流潤滑特性具有以下特點。

(1)推力軸承油膜的最大壓力降低，使油膜壓力分布更均勻。這意味著同等條件下，PTFE瓦推力軸承可以設計更高的平均壓力。

(2)推力軸承潤滑油膜溫升較高，潤滑油的流動性提高，在一定溫度范圍內有利于油膜潤滑，但溫升過高時，需考慮設計單瓦面積更小的推力瓦。

(3)推力瓦瓦體的溫度大幅度下降，其整體熱變形相應減小。

(4)通過適當加工推力瓦進、出油邊的楔形坡口，可以有效提高潤滑油膜的最小厚度，降低發生事故的風險。

(5)推力軸承瓦面的必需潤滑油量減小，軸承的潤滑損耗減小。

(6)油膜入口區域的回流現象將減弱甚至可能消失，有利于保護推力瓦的表面。

(7)推力瓦面進油側需加工楔形坡口，對于平均壓力大的推力軸承，還必須在出油側加工楔形坡口，以確保瓦面在熱彈變形后整體呈凸形。