蓄能機組塑料瓦雙向推力軸承試驗研究

張 宏，武中德，吳軍令，范壽孝，張培良

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蓄能機組塑料瓦雙向推力軸承試驗研究

張 宏，武中德，吳軍令，范壽孝，張培良

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

在哈爾濱大電機研究所的3000t推力軸承試驗臺上進行了（溧陽）蓄能機組塑料瓦雙向推力軸承的1:1模擬試驗，測量了油膜的厚度、壓力、溫度分布和軸承損耗，全面了解了塑料瓦雙向推力軸承的性能。試驗結(jié)果表明，塑料瓦雙向推力軸承可用于蓄能機組。

塑料瓦；雙向推力軸承；試驗

0 前言

2012年2月在哈爾濱大電機研究所的3000t推力軸承試驗臺上進行了具有彈性、能向推力瓦提供擴散和均勻的支撐，并使其具有平衡瓦間負荷的平衡能力的單波紋彈性油箱結(jié)構(gòu)的塑料瓦雙向推力軸承的1:1模擬試驗[1]。測量了油膜的厚度、壓力、溫度分布和軸承損耗，全面了解了雙向塑料瓦推力軸承的性能。

這是蓄能機組首次進行大型彈性油箱塑料瓦雙向推力軸承試驗研究[2]。

1 推力軸承結(jié)構(gòu)特點

推力軸承采用塑料瓦、單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)，并采用外加泵外循環(huán)冷卻。

1.1 支撐結(jié)構(gòu)

推力軸承采用單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用鍛鋼件加工成波紋狀圓筒，將數(shù)個圓筒經(jīng)連通管和有關(guān)零件裝配焊接，形成密閉的連通器。再抽真空充壓力油，構(gòu)成彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)。每塊瓦對應一個油箱，將厚、薄瓦放置在彈性油箱頂面上。

單波紋彈性油箱具有安裝調(diào)整方便、機組運行過程中自動平衡瓦間負荷的能力（瓦的負荷均勻度￡3%）、瓦的傾斜靈活及能夠較好地控制瓦變形等優(yōu)點，獲得廣泛應用。目前哈電公司已為舟壩、百色、居甫渡、恰普其海、雙溝等電站提供數(shù)十臺套的單波紋彈性油箱，運行效果良好。

圖1 單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)

哈電公司設(shè)計制造的彈性油箱為系列產(chǎn)品。彈性油箱可滿足發(fā)電電動機推力軸承承重要求，彈性油箱支撐還可滿足彈性支撐，并在運行期間自動調(diào)整負荷使瓦間承載均衡的要求。單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)具有其獨特的優(yōu)勢，即機組運行期間，它能自動調(diào)整負荷使瓦間承載均衡，哈電公司具有成熟的設(shè)計、制造、安裝及運行經(jīng)驗和實踐。

1.2 塑料瓦

彈性金屬塑料瓦推力軸承采用單層瓦或雙層瓦結(jié)構(gòu)，彈性金屬塑料瓦的復合層是由一層聚四氟乙烯和一層青銅絲經(jīng)壓力成型而成，復合層釬焊到鋼瓦基上，瓦面復合層的厚度一般為8~9mm。

塑料瓦復合層中的聚四氟乙烯為熱塑性材料，在外力作用下，會產(chǎn)生一定的永久變形，這和受到的外力大小有關(guān)，還和外力的作用時間長短有關(guān)。

塑料瓦復合層特性見圖2。應力-應變關(guān)系為非線性，且隨著溫度的不同有較大差異。且應力-應變關(guān)系隨復合層厚度及成型工藝不同而存在差異。在低負荷條件下，其應力-應變關(guān)系基本為線性，但隨著負荷增加，其線性發(fā)生變化，整體為非線性關(guān)系。目前普遍使用的灰色和白色瓦面材料，其性能差異也較大。在進行推力軸承熱彈流計算時，要考慮這一特性。[3]

圖2 塑料瓦復合層特性

在雙向推力軸承上應用彈性金屬塑料瓦，并不普遍。雙向運行的彈性金屬塑料瓦的瓦面形線設(shè)計與單向運行的不同。塑料瓦面形線設(shè)計，瓦面進、出油邊楔形坡口的寬度如圖3所示。

圖3 塑料瓦面形線設(shè)計

2 推力軸承試驗

2.1 推力軸承參數(shù)

針對溧陽蓄能機組推力軸承的參數(shù)進行試驗模型參數(shù)設(shè)計[4]，如表1所示。

表1 試驗模型參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果

試驗推力軸承[5]如圖4所示。

圖4 彈性油箱支撐塑料瓦推力軸承

各瓦負荷分布如圖5所示，推力軸承各瓦的負荷均勻度小于3%。額定工況下，油溫28.2~33.5℃< [50℃]，推力瓦溫度41.6~44.8℃< [60℃]（RTD），推力瓦間溫度差3.2K < [5K]，瓦面溫度51℃< [90℃]。瓦面油膜厚度分布、壓力分布和瓦面溫度分布分別如圖6~8所示。

圖5 各瓦負荷分布

3 推力軸承計算和測量結(jié)果對比

推力軸承計算和測量結(jié)果對比見表2。計算和測量結(jié)果吻合。

表2 推力軸承計算和測量結(jié)果對比

注：損耗測量值中包括上導軸承損耗約238kW。

4 結(jié)論

在3000t推力軸承試驗臺上進行了比例為1:1的塑料瓦雙向推力軸承試驗。對多種工況下，推力軸承油膜厚度、油膜壓力、瓦面溫度、瓦體溫度、油溫、損耗等參數(shù)進行了測量。試驗結(jié)果表明：

（1）單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)的塑料瓦雙向推力軸承的負荷均勻度小于3%。

（2）塑料瓦推力軸承的設(shè)計計算值與試驗測量結(jié)果吻合。

（3）單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)的塑料瓦推力軸承可用于蓄能機組。

[1] D. Schafer. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units[C]. Proceedings of the Fifth International Conference on Electric Machines and System, Shenyang. 2001, l.

[2] 武中德, 張宏. 水輪發(fā)電機組推力軸承技術(shù)的發(fā)展[J]. 電器工業(yè), 2007(1): 32-36.

[3] 劉平安, 武中德. 水輪發(fā)電機彈性金屬塑料瓦推力軸承瓦面形狀[J]. 大電機技術(shù), 2008(2): 5-6.

[4] 武中德, 王黎欽, 曲大莊, 齊毓霖. 大型水輪發(fā)電機推力軸承熱彈流潤滑性能分析[J]. 摩擦學學報, 2001, 21(2): 147-150.

[5] Y. T. Sun, Z. D. Wu, J. L. Wu. Test Study for Bi-directional Thrust Bearing[C]. IEEE EUROCON 2009, 2009: 509-514.

Experimental Investigations of Bi-directional Thrust Bearing with Teflon Layer for Pumped-storage Hydro-generating Unit

ZHANG Hong, WU Zhongde, WU Junling, FAN Shouxiao, ZHANG Peiliang

（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

The bi-directional thrust bearing with Teflon layer for Liyang Unit was tested on the Harbin research institute of large electrical machinery 3000t thrust bearing test stand. The test results, including temperature distribution, thickness and pressure distribution of oil film, losses measurement, obtained more knowledge about the fundamental behavior of bi-directional thrust bearing with Teflon layer. Bi-directional thrust bearing with Teflon layer is available for pumped-storage generating.

Teflon-Layer; bi-directional thrust bearing; test

TH133.3

A

1000-3983(2014)02-0019-03

抽水蓄能國家科技支撐計劃(2011BAF03B02)大型抽水蓄能機組發(fā)電電動機研制。

2013-08-17

張宏（1967-），1989年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學，現(xiàn)從事大型發(fā)電機軸承技術(shù)研究，高級工程師。

審稿人：劉公直