立式水輪發電機推力支承系統運行特性計算與分析

柴 峰，李 雷

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

目前，隨著國內電站立式發電機單機容量及機組推力載荷的逐年增加，對推力支承系統性能的要求也越來越嚴格，傳統的設計方法在結構部件彈性形變及運行特性分布規律精確分析上均存在一定的技術瓶頸，已無法滿足實際工程要求［1］。因此，本文從推力支承系統的傳統解析計算程序分析入手，闡述了數值計算方法的機理，結合支承結構機械分析有限元方法，對不同工況下推力支承系統的主要結構部件的彈性形變以及油膜多種特性的分布趨勢進行精確計算和詳細分析，提出了解析法與有限元法相結合的設計方法。

1 推力支承系統運行特性解析算法

藏木水電站是目前西藏地區在建最大規模水電工程，是西藏中部電網的主力電源。由哈爾濱電機廠有限責任公司提供的3臺發電機組已于2015年4月全部發電，機組運行狀態穩定，推力支承系統運行特性指標表現良好。藏木水電站水輪發電機采用立軸半傘式密閉自循環空冷三相凸極同步發電機結構型式，機組主要參數如表1所示。

藏木水輪發電機推力支承系統位于發電機轉子下方獨立設置的推力油槽內，主要結構型式如圖1所示。

推力支承系統主要基于推力潤滑計算程序進行設計，該計算方法是在確定水輪發電機轉動部分重量及水輪機水推力的前提下，選取包括推力瓦內徑、推力瓦外徑、推力瓦數量、推力瓦扇面長寬比以及推力載荷支承分布半徑在內的一系列結構尺寸，根據流體學及摩擦學相關理論，求解出推力支承系統的主要運行特性值，再根據工程經驗對比各特性值的取值范圍，判斷推力支承系統設計尺寸的合理性，以達到設計方案潤滑效率與安全性的最優化目的。水輪發電機推力軸承瓦主要設計尺寸如圖2所示。

表1 藏木水輪發電機及推力軸承主要參數Tab.1 Main parameters of hydro generator and its thrust bearing in Zangmu hydropower station

圖1 藏木水輪發電機推力支承系統結構圖Fig.1 Thrust bearing system structural diagram of hydro generator in Zangmu hydropower station

圖2 水輪發電機推力軸承瓦主要設計尺寸Fig.2 Main design dimensions of thrust bearing bush of hydro generator

根據推力軸承運行狀態，推力潤滑計算考核的主要運行特性，包括推力瓦平均壓力、推力瓦周速、推力瓦偏心率、推力瓦出口邊最小油膜厚度等［2］。

推力支承系統主要運行參數確定方法如下:

推力瓦單位壓力為

式中:PN為機組推力總載荷，kg;m為推力瓦數量;A為單個推力瓦面積，cm2。

推力瓦平均周速為

式中:D為推力瓦平均直徑，mm;nN為機組額定轉速，r/min。

推力瓦支承直徑為

式中:β為推力瓦內外徑比值;D2為推力瓦外徑，mm。

推力瓦周向偏心率為

式中l為推力瓦周向長度，mm。

推力瓦出口邊最小油膜厚度為

式中:φp為推力軸承負載系數，根據實驗數據擬合曲線確定;λ為潤滑油平均粘度，kg·s/mm2;α為推力瓦夾角。

潤滑油流經瓦面后的溫升為

式中:φt為推力軸承計算系數，通過查詢實驗數據擬合曲線并綜合考慮推力軸承負載系數、摩阻系數、循環系數來確定;γ為潤滑油密度，kg/mm3;C為潤滑油比熱容，kJ/kg·℃。

推力軸承總損耗為

式中:φμ為推力軸承摩阻系數，通過查詢實驗數據擬合曲線獲得。

從上述公式分析可知，推力瓦單位壓力由推力載荷、推力瓦數量和瓦扇形面積決定，瓦的單位壓力直接影響到潤滑油流經瓦面后的溫升及油膜厚度。通常在不考慮推力潤滑系數影響前提下，可近似認為潤滑油溫升與推力瓦單位壓力成正比關系，推力瓦單位壓力與油膜厚度呈負相關性，瓦單位壓力選取過大會導致油膜厚度偏低。推力瓦平均周速主要決定于推力瓦平均直徑和水輪發電機額定轉速，根據推力軸承運行原理及潤滑油流體特性，推力瓦平均周速越大越容易在瓦與鏡板間形成潤滑油膜，對機組的運行也更有利。但從理論分析可知，推力瓦平均周速過大，會導致推力軸承的損耗明顯上升，增加冷卻器負擔、降低機組效率，加大推力支承部件的熱變形，因此推力瓦平均周速應在建立動態油膜的基礎上適當降低。

不同發電設備制造企業都在相關理論的基礎上，結合實驗數據的修正來規定運行特性值合理范圍。為了反映上述特性值對推力支承系統的性能影響，工程上引入單位壓力與平均周速的乘積值(即pv值)作為設計的判斷依據。根據眾多同類型機組的運行數據，一般認為pv值控制在700以內，推力支承系統性能可滿足常規機組的運行需要，隨著推力技術的發展及新材料的開發，pv值限定范圍可適當放寬。

推力瓦采用偏心支承，偏心率取值越小，軸瓦的承載能力則較好，但楔形油膜的斜度也相應減小(一般引入軸瓦進出油邊油膜厚度比來表征此概念)。工程計算中通過理論計算及實驗數據得到不同偏心率下推力支承系統各種計算系數分布曲線，選取不同偏心率并確定進出油邊油膜厚度比數值，在分布曲線上確定對應的負載系數、摩阻系數、循環系數等。偏心率對推力軸承計算系數的影響直接體現在潤滑油溫升等運行特性值的計算結果上。

推力瓦與鏡板間油膜厚度是表征推力支承系統承載能力的關鍵特性。油膜厚度由推力瓦結構尺寸、潤滑油粘度、瓦平均周速、瓦單位壓力等多個要素共同決定，如油膜厚度設計值偏小，則油膜承載能力和穩定性下降，鏡板與推力瓦間易發生剛性摩擦，機組推力軸承運行的安全性也隨之降低，而油膜厚度設計值選取過高又會造成支承系統潤滑性能的浪費，因此油膜厚度應取在一個合理的區間。基于現有的工程經驗，通常認為油膜厚度大于0.04 mm是保證機組安全運行的必要條件，同時油膜厚度盡量不大于0.1 mm，以期推力系統承載能力得到充分利用。

除以上運行特性值，潤滑油溫升、推力軸承損耗也是推力潤滑計算需重點考慮的因素。潤滑油溫升與推力瓦瓦面溫度緊密關聯，藏木水輪發電機推力瓦采用彈性金屬塑料瓦，瓦面材質承受高溫能力較烏金瓦弱，因此潤滑油溫升要嚴格限定在安全范圍內，潤滑油溫升值需滿足推力瓦采用埋置檢溫計法測量溫度值不超過55℃［3］。

2 推力支承系統運行特性有限元分析

傳統推力潤滑計算程序是在簡化摩擦理論的基礎上對潤滑模型做適當等效處理，求解出運行參數。隨著水電機組推力載荷增加，對推力軸承性能要求逐步升高，即要求推力支承系統運行特性分布趨勢的準確分析和主要參數的精確計算。推力支承系統油膜溫升、單位油膜壓力、最小油膜厚度等運行特性除受支承部件結構尺寸影響外，還與推力瓦應力變形、鏡板鏡面熱彈性變形等密切相關［4］。引入有限元法可以進一步深入研究推力潤滑特性的及各特性間關聯性。

藏木推力支承系統計算通過聯立雷諾方程、熱量能、油膜厚度等方程，結合推力瓦及鏡板材質特性，求解出推力支承系統在機組運行中的相關參數［5］，求解方式如下:

式中:h為油膜厚度，mm;r和θ為極坐標;ω為鏡板旋轉角速度。

假定推力瓦面周邊的流體壓力為0，在此邊界條件下求解潤滑油厚度、壓力等運行特性。推力軸承油膜的厚度分布如圖3所示，油膜壓力分布圖如圖4所示，油膜溫度分布如圖5所示。

圖3 推力軸承油膜厚度分布圖Fig.3 Oil film thickness distribution for thrust bearing

圖4 推力軸承油膜壓力分布圖Fig.4 Oil film pressure distribution for thrust bearing

圖5 推力軸承油膜溫度分布圖Fig.5 Oil film temperature distribution for thrust bearing

從圖3可以看出，油膜厚度、油膜壓力與油膜溫度之間的分布趨勢相互是關聯的［6］。藏木推力軸承瓦采用偏心支撐，周向位于軸瓦中線偏出油口位置，因此運行過程中油膜厚度沿推力瓦出油邊到進油邊方向逐漸增加，呈現楔形分布。而在同一徑向上，油膜厚度呈中間薄兩端厚的碗形，這是由于在支承點的作用下，推力瓦表面產生彈性形變，進而影響到徑向油膜的厚度分布;油膜壓力的分布受推力瓦支承位置和推力瓦表面彈性形變的影響。從圖4中可知，隨油膜厚度的增加，油膜壓力分布自出油邊到進油邊方向逐漸減弱，但油膜壓力峰值不在推力瓦出油邊緣處，而是出現在偏心支承點附近，這是由于楔形動壓油膜的動壓最大點出現在支承中心點附近，加之推力瓦在支承點附近彈性形變相對較大，造成此處壓力明顯高于其他位置。從圖5中可知，潤滑油膜溫度分布在出油邊到進油邊方向逐漸減低，沿同一徑向方向，油膜溫度在推力瓦支撐半徑位置相對較高，這與油膜厚度及油膜壓力分布趨勢是對應的［7］。推力瓦機械形變的有限元分析結果如圖6所示，推力頭及鏡板機械形變的分析結果如圖7所示。

圖6 推力瓦運行特性示意圖Fig.6 Schematic diagram for thrust pad running characteristic

從圖6、圖7中可知，推力瓦形變最大值和溫度最高點主要取決于推力支承的位置，同時也受楔形油膜動壓分布規律的影響;推力頭鏡板的溫度峰值點與油膜運行特性相對應，彈性形變則主要取決于部件結構形狀和載荷施加方向［8］。支承部件的機械性能與油膜運行特性存在一定的內在關聯，油膜溫度分布是支撐部件熱變形的決定因素之一，而支承部件的機械性能又可作為油膜運行特性分析的參考條件，工程設計上需要將兩個計算的結果進行外部迭代，從而得到合理的推力支承系統設計方案。

圖7 推力頭及鏡板運行特性示意圖Fig.7 Schematic diagram for thrust head and operating characteristics of mirror plate

3 結論

1)推力支承系統設計主要考核參數是pv值和油膜厚度，工程上認為pv值小于700、油膜厚度大于0.04 mm情況下推力支承系統性能可滿足常規水電機組運行的需要。

2)軸承潤滑油溫升計算值要考慮推力瓦面材質性能要求，原則上滿足國家標準(或項目合同)對推力瓦采用埋置檢溫計法測量溫度值的限定。

3)用有限元法對推力支承系統流體潤滑性能分析，可獲得潤滑油膜壓力、溫度、厚度的詳細分布數值，比傳統程序計算結果精度高，特性動態分析接近實際運行狀況。應用有限元方法的鏡板、推力瓦形變計算不受結構尺寸的影響。

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