關于彈性墊支撐自調節受力推力軸承的研究與應用

王煥棟（浙江雙富電力設備有限公司，浙江 杭州 311201）

關于彈性墊支撐自調節受力推力軸承的研究與應用

王煥棟
（浙江雙富電力設備有限公司，浙江 杭州 311201）

摘要：由在推力瓦下方安裝的特制合成橡膠墊所構成的彈性墊，對受力狀態的推力軸承產生自調節，具有結構簡單、自調節性能良好、軸瓦溫差小、運行性能穩定的特點；而且這種軸承具有自調節機組軸線的功能，可以做到不盤車刮墊，不處理機組軸線，是中小型水輪發電機組剛性支撐推力軸承改為彈性支撐的最佳選擇。

關鍵詞：剛性推力軸承；合成橡膠彈性墊；彈性墊推力軸承

1　剛性支撐推力軸承存在的問題

圖1內循環剛性支撐推力軸承

中小型水輪發電機推力軸承，基本上都是剛性支撐推力軸承，典型結構如圖1。

即在機架內安裝有推力軸承支架，在推力支架上安裝有支柱螺釘、托盤、推力軸瓦（巴氏合金瓦或彈性金屬塑料瓦），推力瓦支撐著由發電機鏡板、推力頭、卡環、大軸、轉輪等構成的機組全部轉動部分重量及其水推力。在推力軸承支架外裝有推力軸承油箱，油箱內裝有油冷器、擋油板、分油板等，構成推力軸承的潤滑冷卻系統。

中小型水輪發電機推力軸承，基本上是一種傳統的剛性支撐結構，其結構簡單，但卻存在以下問題：

（1）推力瓦受力及鏡板水平是以調整支柱螺釘的高度來實現，由于無法準確測量各塊軸瓦的受力，往往只能憑操作者的經驗和感覺，難以保證各塊軸瓦受力均勻，調整困難，誤差可能達到各瓦平均受力的10%～25%，如果調整受力不順利，可能誤差達平均受力的±25%。同一臺機各瓦溫差一般在5～7℃，有的甚至達到10℃以上，難以達到“剛性支撐推力軸承各軸瓦的載荷分布與平均值的偏差應在±10%之內”的技術規范要求。

以新安江電廠剛性支柱推力軸承為例，在調整推力瓦受力時，曾先后用過人工大錘打受力，每打一錘，都要測量抗重螺絲扭轉角度（或弦長），以及用千分表測量水機主軸位移等，然后綜合分析判斷。由于用人工大錘打受力，要求每錘力量均勻是不現實的，再加之抗重螺絲、托盤等部件加工精度的影響，推力瓦很難達到受力調整均勻的狀態，一般軸瓦運行溫差達到7℃以內已經很理想了。也曾用過在托盤上裝千分表，按托盤變形調受力，從理論上講，在托盤上貼應變片按軸瓦應力來調節受力應當是可行的，但實際運行情況并不理想，10塊軸瓦溫差達9℃，并不比人工調節受力準確。分析其原因，除加工質量和公差影響外，主要是抗重螺絲頭部是圓弧的，抗重螺絲與托盤的接觸中心在機組運行中有位移。目前各水電廠還是用人工大錘打受力、依靠綜合分析判斷來調整推力瓦受力。

由于在調受力時無法準確測定各瓦的受力情況，也無法預知各軸瓦的運行溫度，只有等機組試運行時才知道最后的結果，有的機組大修，曾發生多次反復調受力的情況，造成機組無法如期投產。所以調整推力軸瓦受力，是各電廠（站）機組大修時最棘手、最頭痛的工作之一。

（2）中小型水輪發電機剛性支撐軸承，由于發電機主軸、推力頭、鏡板均為剛性連接，在制造和安裝中，會產生機組主軸與鏡板不垂直，使機組主軸與鏡板產生傾斜，導致機組在旋轉中產生擺度。這種擺度，往往都用研刮推力頭或研刮推力頭與鏡板間的調整墊（絕緣墊）來處理，也有的用修刮推力頭卡環等來調整。不管哪種辦法，都要對機組進行盤車找擺度。由于設備加工精度、安裝質量、測試方法等都對盤車、調受力有直接影響，尤其是一些老機組，因為加工粗糙，設備老化嚴重，盤車、調整受力難以找準。曾經在一臺7.5MW立式機組上，盤車找擺度，處理軸線花了半個月。既使安裝時可以達到技術標準，但實際運行后，往往也會發生機組擺度大、軸瓦溫度高、瓦溫偏差大等問題，給機組安全運行帶來威脅。所以盤車找擺度，處理擺度也是各電廠（站）機組檢修比較難干的工作之一。

由于剛性支撐推力軸承普遍存在著以上兩個主要問題，而且已經存在了半個世紀以上，直到現在尚沒有更好的解決辦法，造成了該軸承安全運行可靠性低，調受力、盤車、找軸線、處理軸線時間長。已經成為中小型電站的一個老大難問題，有的電站甚至嚴重地威脅著機組安全運行，所以筆者認為必須對剛性支撐推力軸承進行改造。

近些年，筆者也參加過一些新的大型機組的安裝與調試，由于設計水平提高，新材料、新結構、新工藝的應用，設備加工質量的大幅提高，不僅調整推力軸瓦受力丟掉了榔頭，盤車找擺度等工作變得簡單易行，而且有的新機組提出現場可以不調受力、不盤車找擺度的技術條件。但這些軸承都是液壓推力軸承，即由彈簧束（銷）、彈性圓盤、平衡塊等支撐的軸承，結構復雜，造價高，都不適用于中小型機組，現急需找到一種結構簡單、投資少、見效快、改造方便、運行可靠，適合于中小型水輪發電機組的彈性自調節受力的推力軸承。而彈性墊支撐自調節受力推力軸承的研究與應用的成功，為中小型剛性支撐推力軸承的改造帶來了希望。

2　關于彈性墊的試驗和研究

彈性墊支撐推力軸承早在20世紀80年代已經開始試用，如國內用耐油橡膠制造的扇形彈性墊支撐推力軸承，在推力載荷50t、450r/min的機組上使用，初期機組運行正常，但運行兩年以后，彈性墊發生塑性變形，周邊脹出形成鼓形，彈性墊厚度從5 mm降到4.8mm。與此同時，國外用圓形耐油橡膠彈性墊的推力軸承，推力荷載50t，428r/min試驗，也出現類似的變形和情況。由于當時的彈性墊材料不過關，而這種支撐的軸承便被擱置。但彈性墊支撐的推力軸承從設計原理到現場試驗，都一致認為是可行的。是中小型機組剛性支撐改為彈性支撐的最佳途徑。但因當時的條件限制，尤其是對彈性墊的材料研究和試驗不夠，所以彈性墊支撐軸承一直沒有得到應有的發展和推廣。時過境遷，隨著現代科技的進步和新材料的發展，給彈性墊支撐軸承發展創造了條件。

筆者最近幾年，一直進行這方面的研究和試驗，先后對用普通耐油橡膠、聚氨脂、聚四氟乙烯、特制合成橡膠做彈性墊進行了試驗和分析。

普通耐油橡膠：價格便宜，彈性好，短期應用可以，但在長期高油溫下運行，性能不穩定。橡膠會吸入液體、高溫油與橡膠發生化學反應，有時吸入量大于抽出量，以致橡膠體積增大。而且普通橡膠硬度低、隨著溫度、時間、壓力的變化，塑性變形增大，而彈性變形減小，彈性模量和硬度變低，逐步失去調節能力。

聚四氟乙烯：俗稱“塑料王”，它的抗老化、抗磨損、化學穩定性、耐油、耐高溫、吸入量，抽出量都比較理想，是一種不可多得的好材料。但它的硬度比橡膠高，而彈性比橡膠小，它的彈性模量400～800 MPa，在推力瓦單位載荷3～4MPa時彈性變形過小，彈性變形僅為0.02～0.03mm，由于它的調節余量過小，而失去了做彈性墊的可能性。

聚氨酯（簡稱TPU）是一種重要的合成樹脂品種，而其中聚氨脂彈性體，可在較寬的硬度范圍，具有較高的彈性及強度，優異的耐磨性、耐油性及抗振性能，具有優異的綜合性能，很可能是今后彈性墊的發展方向。但在試驗中發現，聚氨脂在高溫、高壓下工作易軟化，失去彈性，甚至比一般耐油橡膠的使用壽命還要短。

綜合上述彈性墊的三種材料分析，雖然都不具備選用推力軸承彈性墊的條件，但它給我們研制和探索新的彈性材料提供了很多借鑒。我們通過幾年的摸索和試驗，選用了一種新的合成橡膠，通過特殊的工藝處理，完全可以用在中小型機組推力軸承的彈性墊上，并且我們在彈性墊的結構、設計計算上也有所突破。通過試驗室和真機試驗，取得了圓滿成功。

特制彈性橡膠墊是根據彈性墊在推力軸承中的運行特性和技術要求，選用的一種優質合成橡膠，經過特殊加工而成。它是一種耐油、耐高溫、耐老化、彈性調節性能良好的產品。特制彈性墊的技術性能如下：

（1）該橡膠墊具有優良的耐油性和耐高溫性，可以在120℃的高溫礦物油中長期工作（發電機推力軸承溫度最高運行油溫不超過70℃）。

（2）物理機械性能優異，已經成為耐油橡膠制品的標準彈性體。

抗拉強度2.5MPa；

壓縮永久變形17%～28%；

拉斷伸長率250%以上；

溶脹率20%～30%；

揮發分≤1%；

灰分≤1.5%。

（3）彈性變形

彈性墊在受壓時，必然會產生物理和化學變化，當壓縮力消失后，會阻止橡膠恢復到原來狀態，于是就產生永久變形，而壓縮永久變形的大小，它取決于壓縮狀態的溫度、時間、與壓強。而在高溫下的化學變化是導致彈性墊發生永久變形的主要原因。壓縮永久變形是去除施加給彈性墊的壓縮力，在標準溫度下，恢復高度后測得。

彈性墊的永久變形，經過處理后，可以控制在20%以下。

彈性墊在壓縮時，在厚度方向產生的變形（減小）與永久變形的差為彈性變形。彈性變形是壓縮力消失后能夠恢復的變形。

彈性墊是長期浸在70℃的礦物油中，在壓強0～5MPa（正常情況下是在0～4MPa），交變荷載下長期工作，它是利用推力荷載的變化而產生的彈性變形，來調節推力瓦荷載，均衡軸瓦間的溫度，所以它對彈性變形要求很高。

彈性墊在壓力機上作彈性試驗中證實，在壓力升高過程中，初始階段0～6MPa，變形與施加的壓力量近似線性變化，彈性變形總值為20%左右。而我們正常應用的壓力不會超過4MPa，是彈性墊產生彈性變形的初始階段。其變形值相當于5%～7%，距彈性墊的最大彈性變形還有相當大的距離。

（4）硬度

彈性墊的硬度與相應材料彈性模量和粘彈性有關，對彈性墊的彈性變形有直接影響。

彈性墊的硬度用邵氏A型硬度計測量85～90度。

（5）外觀及外形尺寸

表面光滑，顏色均勻，無凹坑，無壓痕和麻點，填充材料無顆粒，材質均勻。

彈性墊切斷后，內部無氣泡、無氣孔、無雜質，材料結構均勻密實。

同塊彈性墊厚度差不超過0.03mm；同一臺機組彈性墊高度差不超過0.05mm。

同一臺機組，彈性墊與推力瓦組合高度差應小于0.05mm。

3　彈性墊支撐推力軸承的結構布置及對剛性支撐推力軸承的改造方案

用彈性墊支撐推力軸承代替傳統的剛性支柱螺栓、托盤等，把彈性墊直接放在上機架和下機架的基礎面上，在彈性墊上直接安放推力瓦。如托口小電站兩臺機組，為了有效降低機組高度，就是把彈性墊直接安放在上機架的基礎面上，如圖2所示。

圖2彈性墊直接放在機架上

這種布置方式，對新機組設計上，具有降低機組高度，增加機組剛性，節省投資的優勢。

在一般中小型水輪發電機組上，尤其是一些老機組，都選用懸吊式水輪發電機組剛性支柱推力軸承，由于用彈性墊代替了支柱螺釘和托盤，使機組推力軸承轉動部分高度降低，顯然把彈性墊直接安放在上機架基礎面上是不可能的。要在保證原機組轉動部分安裝高程不變的情況下，從新設計制造一個推力軸承支架，安裝在機架上，將彈性墊安放在推力軸承支架上，改造結構簡單，方便易行，如圖3所示。

圖3彈性墊放在軸承座上

從結構上看，彈性墊支撐結構簡單，但因為彈性墊支撐無法調節各推力瓦受力，無法調節機組的水平，又要做到機組不進行盤車刮墊處理機組擺度（托口5號、6號機組只進行聯軸盤車檢查機組軸線），所以安放用彈性墊支撐的支架基礎，加工精度、光潔度要求都很高，不是一般設備可以完成的。安裝后彈性墊基礎面必須達到0.02mm/m。對彈性墊的厚度、推力瓦的厚度、彈性墊和推力瓦的組合厚度都有很高的技術要求。換言之，是用設備加工的高精度和彈性墊的良好性能來保證實現推力瓦受力均勻，和機組運行軸線良好。

4　彈性墊支撐自調節受力推力軸承的試驗

4.1彈性墊支撐推力軸承試驗電站機組參數

試驗機組安裝在湖南省托口水電廠小電站（生態電站）的兩臺機組上，該電站的機組參數為：

水輪機型號HLFF133-LJ-195；設計水頭49m；發電機型號 SF15-20/3920；額定功率 15MW；n=300r/min，推力載荷160t；推力瓦設計單位載荷P=3.07MPa；平均周速V=13.87m/s；瓦面徑向寬度B=240mm；瓦面周長L=200.48mm；進油溫度＜40℃；冷卻水溫度28℃；冷卻水量0.0047m3/s；設計為每臺機10塊彈性金屬塑料瓦。

從以上參數可以看出，無論從機組設計容量、水輪機轉輪直徑及發電機直徑，都達到了中型立式水輪發電機的標準，而且推力軸承、上導、下導、水導軸承布置都具有典型中型水輪發電機組的特點。我們浙江雙富電力設備有限公司（FFEP）在這個電站的兩臺機組推力軸承上，設計制造了彈性墊支撐的自調節受力推力軸承，具有一定的示范作用。從設計結構、機組安裝調試、機組盤車、試運行等進行了一系列的試驗，并取得了圓滿成功。

4.2彈性墊支撐推力軸承的優良特性

（1）彈性墊支撐推力軸承的自調節性能良好，軸瓦溫差小，運行性能穩定。

彈性墊支撐推力軸承是把彈性墊直接安裝在推力瓦的下方，在機組運行中，在推力載荷的作用下，使每塊推力瓦具有足夠的彈性變形；另一方面，由于彈性墊在徑向設計上有一定的偏心矩，使推力瓦在運行中形成動力壓載油楔，推力瓦表面產生油膜。由于彈性墊的良好彈性，及穩定的機械和物理性能，推力瓦相當于在彈簧層或彈性液壓油箱上運行，用彈性墊的彈性變形，吸收推力軸承運行中產生的不均衡軸向跳動，以達到調整推力軸承的不均衡荷載。

眾所周知，一個自調受力的推力軸承，它的調節性能主要表現在同一臺機組每塊推力瓦，在同一運行工況下的溫度差。瓦溫差越小，說明受力均勻度好。一般剛性支柱推力軸承，瓦溫差5～7℃，而托口小電站，5號機組，推力瓦最高瓦溫50℃，10塊推力瓦，最大溫差3.1℃，最高油溫46℃，油溫與瓦溫差4℃。6號機組，推力瓦最高瓦溫51.4℃，10塊推力瓦，最大瓦溫差2.9℃，最高油溫47.6℃，油溫與瓦溫差3.8℃。

兩臺彈性墊支撐的推力軸承均表現推力瓦受力自調節性能良好，10塊瓦溫均勻，最高瓦溫、油溫與瓦溫差等比較理想，均在設計規范允許范圍內；瓦溫隨著負荷及環境溫度變化平穩，是一般剛性支撐軸承無法比擬的，已經基本上達到彈性液壓推力軸承的運行水平。

（2）彈性墊支撐推力軸承機組軸線可以自行調整，可以做到不盤車、不刮墊、不處理軸線。

在大部分中小型水力發電機組中，尤其是一些老機組，由于制造質量、設計和安裝等原因，機組不同程度存在著發電機主軸與鏡板不垂直，使機組轉動部分產生傾斜，機組運轉中在導軸處產生徑向振動（擺度），所以用盤車檢查軸線，用刮墊處理擺度，是機組大修一項很重要的工作，它不僅技術要求高，工期長，人員多，而且很煩雜，是發電機檢修中最頭痛的事，而我們采用彈性墊支撐后，由于機組的徑向振動（擺度）可以轉化為推力軸承的軸向跳動，將機組的擺度消化在彈性墊的跳動中，只要把放置推力瓦與彈性墊基礎平面水平調整達到技術要求后，不需要調整推力瓦的受力，也不需要發電機的單獨盤車，省去了發電機盤車、調受力、處理擺度的繁雜工作。在托口小電站的兩臺機組安裝中，發電機沒有進行單獨盤車，直接進行聯軸盤車，檢查機組軸線情況，盤車后證明機組軸線良好，上下軸承處軸頸及法蘭相對擺度小于0.02mm/m，水導軸承處相對擺度小于0.03mm/m，軸線沒有進行任何處理即可安裝各導軸承。機組投入運行以后，托口電站5、6號機組最大振動與機組擺度均在國家技術標準范圍內（見表1）。

表1托口小電站機組彈性墊支撐推力軸承最大振動與擺度情況

從表1實測記錄表明，機組各部位的擺度及振動均明顯小于國家標準，無論從托口小電站還是廣東、福建等一些安裝彈性墊支撐推力軸承的中小型機組上看，不用盤車刮墊是可行的。

（3）機組軸線穩定性提高

機組運行中，由于動不平衡、水力不平衡（尤其是混流式水輪機），在中低負荷下運行，一般都存在著水輪機運行不穩定區，都會促使機組產生軸向和徑向振動，在剛性支撐軸承上，反應明顯。它造成受力支架振動增加，機組擺度加大。這種外力干擾影響機組軸線，處理十分困難，而彈性墊支撐推力軸承，相當于機組在轉動與固定部分過渡段加了一個緩沖器，它可以有效地吸收和消化機組一部分垂直與徑向振動，可以明顯地提高機組的穩定性，在托口小電站兩臺機組都是混流式轉輪，水輪機在低負荷運行時也出現明顯不穩定區，補氣閥動作頻繁，噪音大，但水輪機與發電機振動、擺度都沒有明顯增加。在其它一些改用彈性墊支撐的推力軸承，也都感到機組軸線穩定性提高，即使在一些機組上擺度有所增大，但都沒有發現導軸瓦溫度升高的現象。

（4）由于彈性墊支撐推力軸承結構簡單，可以使推力軸承的造價大幅降低；而且從剛性支撐推力軸承改造成彈性墊支撐推力軸承，簡易方便，改造費用低，性價比高，也就是說，花不多的錢，就可以把剛性支撐墊推力軸承改造成自調節受力的彈性軸承。

（5）由于彈性墊支撐推力軸承，不需要推力軸瓦受力調整，不需要盤車刮墊處理軸線，所以安裝、調試簡單，備品更換方便。

5　結語

（1）在中小型水電機組上，普遍采用剛性支柱式推力軸承，由于推力瓦受力人工調整誤差大，各軸承瓦運行溫差大，運行安全可靠性低；而且需要用盤車辦法檢查軸線，用刮墊方法處理軸線，耗用工期長，安裝調整煩雜，所以需要進行現代化改造。

（2）彈性墊支撐自調節受力推力軸承，自調節性能好，各軸瓦溫差小，而且機組軸線可以自行調整，可以做到不盤車、不刮墊。機組軸線運行穩定。

（3）彈性墊支撐推力軸承，安裝調試方便。

（4）本文推薦的合成橡膠彈性墊通過實驗室和實際機組運行考驗，耐油、耐高溫、耐老化，彈性調節性能好，能夠滿足推力軸承運行特性要求。

（5）彈性墊支撐推力軸承結構簡單，而且剛性支撐推力軸承改造為彈性墊支撐自調節受力推力軸承尤為方便，改造可靠性高，改造費用低、性價比高，是中小型水電機組剛性支撐推力軸承改造成彈性支撐的最佳選擇。

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中圖分類號：TK730.3+22

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0005-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.002

收稿日期：2014-09-30

作者簡介：王煥棟（1937-），男，高級工程師，從事水電站機電設備檢修與改造工作。