大型水輪機轉輪與主軸摩擦聯軸技術研究

陳維勤，熊建平

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

大型水輪機轉輪與主軸摩擦聯軸技術研究

陳維勤，熊建平

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

結合東芝水電對水輪機轉輪與主軸摩擦聯軸技術的開發研究與試驗，總結了用碳化硅粉末作為介質增加摩擦系數的摩擦聯軸的技術特性及作業保障措施，為大型水電站水輪機摩擦聯軸的實施提供了技術依據。供同行參考。

水輪機；碳化硅粉末；摩擦系數；摩擦聯軸技術；研究

1 前言

水輪機摩擦聯軸是指水輪機主軸與轉輪聯接采用法蘭螺栓聯接摩擦傳遞扭矩的方式，通過給定主軸與轉輪聯軸螺栓足夠大的預緊力，以獲取相應的摩擦力，滿足機組摩擦傳遞扭矩的要求。摩擦傳遞扭矩相對于使用鍵或銷來傳遞扭矩的聯軸方式，其具有互換性好、裝拆方便等突出的優點，并因此受到用戶青睞。

目前摩擦聯軸主要有兩種方式，一種是無摩擦劑方式，該方式主軸與轉輪直接剛性聯接，也稱純摩擦聯軸方式，該方式聯軸螺栓給定的預緊應力需要足夠大；另一種是加摩擦劑方式，即在與主軸聯接的轉輪接觸面上噴涂摩擦劑從而增大摩擦系數的方式，也稱摩擦劑摩擦聯軸方式，該方式聯軸螺栓預緊應力可以適當降低。目前這兩種方式在中、小型水輪發電機組上都有較廣泛的應用，東芝水電也均有應用業績。

對于單機容量200 MW以上大型水輪機，由于輸出功率大、需要傳遞的扭矩大幅度增加，主軸與轉輪聯接法蘭尺寸也需要很大，如果采用摩擦聯軸傳遞扭矩，則需要在設計、制造、安裝及檢驗等方面進行全面考慮。根據東芝水電的研究成果，推薦優先采用摩擦系數較大的加摩擦劑的方式，以適當降低機組聯軸螺栓的預緊應力，提高機組運行的可靠性。

東芝水電在總結以往的摩擦聯軸傳扭技術基礎上，作了進一步研究，充分考慮到大型水輪機主軸、轉輪及聯軸螺栓等材料性能、結構布置空間、聯軸螺栓預緊力限制，以及加工制造難度、現場噴涂摩擦劑作業存在的不穩定因素等，通過試驗進行了相關研究，完善了性價比和現場組裝作業性更優良、且具有較高摩擦系數的摩擦聯軸傳扭技術，探究和論證了推廣應用于200MW以上大容量機組的可行性。

本文主要對上述兩種摩擦聯軸傳遞扭矩方式進行了對比研究和應用介紹，供同行參考。

2 兩種摩擦聯軸方式的特性比較

下面表1、表2以某電站設計為例，從設計計算、制造、安裝及檢驗等多方面對無摩擦劑和加摩擦劑兩種摩擦聯軸方式的特性進行比較說明。

表1 某電站摩擦聯軸方案設計計算對比分析

表2 兩種摩擦聯軸方案的制造、檢驗及安裝安全性、難度比較

從表1和表2對兩種摩擦聯軸方案的比較，可以看出：

（1）無摩擦劑的摩擦聯軸方式

1）優點

設計：主軸法蘭與轉輪直接聯接，簡單；

安裝：簡單方便，可操作性強。

2）缺點

設計：計算用摩擦系數一般不超過0.2，相對較小，要求的聯軸螺栓預緊力應力較大，螺母面壓較高，給定的聯軸螺栓安全系數較小；

制造：聯軸法蘭面的表面平面度和粗糙度等有較高的要求，增加了制造的難度，特別是對于大型機組，其主軸聯軸法蘭直徑較大，保證法蘭平面度、粗糙度的難度也將增大。

（2）加摩擦劑的摩擦聯軸方式

1）優點

設計：計算用摩擦系數通常可取0.3，約為無摩擦劑聯軸方式的1.5倍左右，要求的聯軸螺栓預緊應力相對較低，螺母面壓也降低，給定的螺栓安全系數可適當提高；

制造：軸法蘭面的表面平面度和粗糙度要求可適當降低，便于制造，特別是對于大型機組，其主軸聯軸法蘭直徑較大，保證法蘭平面度、粗糙度的難度降低，更易達成設計目標。

2）缺點

安裝：在轉輪聯接法蘭面上噴涂摩擦劑，需要按規范操作，有一定工作量和難度；

檢驗：對照噴涂樣板進行摩擦劑噴涂要求檢查，需要進行多次確認。

通過上述對比分析可以看出，采用摩擦劑聯軸方案時，聯軸螺栓應力、螺母面壓可有效降低，并增大了安全系數，確保摩擦聯軸的可靠性，同時可適當降低聯軸法蘭制造、檢驗的難度。難點在于需要規范噴涂方法，制定可操作性好的標準作業規范，以有效控制安裝質量。

3 摩擦劑噴涂方法研究

摩擦劑包括摩擦粉和粘接劑兩部分，我們采用碳化硅粉末作為摩擦粉，粘接劑采用無鉛清漆或凡士林，碳化硅粉末被穩定地粘接在聯軸法蘭面上，形成均勻的摩擦劑層，增加聯軸接觸面的摩擦系數。

在聯軸法蘭面上噴涂摩擦劑，是獲取更大的表面摩擦系數，確保可靠傳遞扭矩的有效方式。針對摩擦劑噴涂在現場組裝作業中可能存在的不確定性，為獲取不低于0.3的摩擦系數，保證噴涂質量，東芝水電在以往中小型機組應用業績的基礎上，進一步通過試驗研究，驗證了法蘭面間噴涂摩擦劑增強摩擦傳扭性能、獲取了質量穩定的預期摩擦系數的方法，形成了容易操作的作業規范。

首先，為獲取質量穩定的摩擦劑涂膜，我們進行了多次噴涂嘗試、調整，以及重復性改善試驗，最終規范了操作流程、作成了標準檢驗樣板。其噴涂方法簡介如下：

在大試板上用噴槍噴灑無鉛油漆和碳化硅粉末，如圖1所示。噴灑時應確保按規定的距離，手勢穩定、速度均勻地噴灑，噴灑后檢查法蘭表面油漆附著情況，保證油漆均勻分布，局部不得有未噴灑部位或液滴凝聚現象。粉末均勻并基本不重疊。

圖1 摩擦劑噴涂示意圖

采用放大鏡觀察和確認涂膜厚度和粉末均勻度基本達到預期要求后，再采用相同的方法，在整齊排列并編號的小試板上均勻噴涂，然后將噴好涂膜的小試板，拿到顯微鏡下觀察。

通過多次噴涂試驗和觀察，確認采用以上方法噴涂后，在分布于不同位置的各塊小試板上獲得的涂膜質量基本無差異；之后采用試驗成功的噴涂方法，反復進行噴涂試驗和確認，直到每次噴涂獲得的涂膜質量穩定為止。

通過以上試驗，確立了獲取穩定的摩擦劑涂膜的噴涂方法，形成了摩擦劑噴涂作業和檢查企業規范。今后在實際安裝中可按規范實施噴涂作業，并采用標準樣板檢查、比對，以確認涂膜質量。

采用凡士林作為粘接劑時，用毛刷均勻涂抹凡士林，噴粉的方式與采用油漆作為粘接劑時的方法相同。

4 摩擦系數測試試驗研究

對法蘭面之間無摩擦劑和噴涂碳化硅粉末作為摩擦劑兩種摩擦聯軸傳遞扭矩方式進行摩擦系數測試。兩種方式的研究成果互為參照，以準確掌握各自特性和差異性，更好地應用于水電站機組設計制造、安裝和運行維護。

4.1 試驗裝置和方法

試驗裝置如圖2所示，用于摩擦系數測試試驗的法蘭，一個模擬原型機轉輪的法蘭，采用與原型水輪機轉輪通常使用的優質高強度不銹鋼相當的材料；另一個模擬主軸法蘭，材料采用主軸廣泛使用的鍛20SiMn。法蘭用螺栓聯接，摩擦傳遞扭矩。

圖2 摩擦系數測試裝置

雖然已通過研究確認了摩擦系數并不隨著材質的變化而變化，但為了獲取與原型機實際盡可能一致的試驗數據，用于試驗的兩個法蘭的材料還是與原型機轉輪和主軸使用較廣泛的材料保持了一致性。

聯軸螺栓采用力矩扳手預緊。在螺栓的預緊作業中，通過預先設定預緊力矩的方法，盡量確保每個螺栓預緊力矩基本相等，并通過經驗公式計算出每個螺栓的預緊應力，轉換成軸向力。

載荷試驗時，用千斤頂及油泵系統加力，借助力臂模擬傳遞主軸的回轉扭矩。油壓千斤頂產生的載荷通過測力計傳感器及顯示裝置逐次測量并讀取。

4.2 摩擦系數測試試驗結果

我們在法蘭面無介質（不噴涂摩擦劑）和噴涂摩擦劑兩種情況下，以及不同的螺栓預緊應力和法蘭表面粗糙度條件下，進行了多次試驗，并對試驗時的作用載荷、螺栓預緊力等法蘭位移瞬間的相關系列數據進行了測量和記錄。通過測力計測得的油壓千斤頂的載荷，以及根據螺栓預緊力矩計算的聯軸螺栓的軸力等，可算出摩擦系數。

作業時需要對螺栓預緊力進行控制，計算使用了緊固完畢時的數據。每次試驗后，及下一次試驗開始前，都需要重新確認螺栓預緊應力。

通過對不同試驗條件下的試驗結果進行分類和對比分析，可以得出如下結論：

（1）按同等條件實施試驗時，可以得到相當的結果。據此可以認為，試驗方法的可靠性得到了確保。

（2）摩擦系數試驗結果如下：

無摩擦劑時：0.20～0.30；

加摩擦劑時：0.35～0.40。

（3）無摩擦劑時，螺栓預緊應力變化對摩擦系數無明顯影響，但表面粗糙度為Ra1.6時，較Ra3.2時，摩擦系數有增大，增幅在15%左右，因此在無摩擦劑時，提高表面光潔度，能獲得較高的摩擦系數，但表面加工的難度增大。

（4）噴涂摩擦劑后，從試驗結果可以看出，將螺栓的預緊應力從0.4 σs增大到0.5 σs，摩擦系數提高了15%左右；預緊應力從0.5 σs增大到0.6 σs摩擦系數沒有明顯變化，在此，如扣除因多次試驗摩擦面變粗糙導致的摩擦系數下降因素，摩擦系數應該是稍有增加的。

（5）每次試驗拆解法蘭后，不加工法蘭面，僅用油石修整后便再次試驗時，無論是無摩擦劑還是噴涂摩擦劑，都會使表面粗糙度變得較之前粗糙，如圖3所示，但試驗結果顯示出如下差異：

無摩擦劑的摩擦面的摩擦系數有逐次減小趨勢，且每次減小了約5%左右，但在多次試驗后，法蘭面重新加工至Ra3.2，再進行試驗，摩擦系數又有所增加。由此表明，無摩擦劑摩擦面的摩擦系數，隨光潔度提高而增大，對表面光潔度質量要求高，在實際應用中，表面通過長時間運行及反復拆解檢修，法蘭面可能會變得較新機組粗糙，摩擦系數也會有減小的趨勢；

噴涂摩擦劑的法蘭面，在連續使用多次后，摩擦面也會變得更粗糙，但重新噴涂摩擦劑聯軸后，摩擦系數卻基本沒有變化。因此說明其重復使用的性能相比無摩擦劑方式穩定。

圖3 摩擦系數試驗法蘭面

4.3 螺栓預緊應力及面壓評價

使用摩擦劑時，需要使摩擦劑嵌入法蘭面來獲得較高的摩擦系數，因此需要一定的螺栓預緊應力，預緊應力一般建議在0.4～0.6 σs范圍內（σs：螺栓材料的屈服強度），根據綜合結構參數的設計計算選取，可確保面壓滿足要求。

4.4 有效作用面積范圍研究

以下試驗對法蘭面有效作用面積的范圍進行了研究。

采用噴涂摩擦劑的方式實施摩擦傳扭的法蘭面，載荷試驗后表面粗糙度變粗的范圍基本涉及法蘭面整個區域（圖3）。我們通過在法蘭止口根部加工凹槽，使法蘭摩擦面接觸面積相應減小的方式，再進行試驗時，測定的操作力和摩擦系數，與法蘭止口不加工凹槽比較，基本沒有差異，可見摩擦力的有效作用面積主要在螺栓附近的范圍，距離螺栓較遠的位置，由于螺栓壓緊力作用的影響逐漸減小，法蘭面壓也呈現減小的趨勢，因此較遠處的法蘭面積適當減小，對摩擦力矩的大小影響很小。

實際應用中，可以適當減小法蘭面精加工的范圍，確保有效作用面的加工精度。

5 大型機組摩擦聯軸應用研究

為了評價和確認大型機組的大尺寸法蘭面實施粉末摩擦劑噴涂后，所形成的增摩擦涂膜對聯接法蘭面形位公差（主要是傾斜度）產生的影響，實施了以下模擬大型機組轉輪與主軸聯軸法蘭的傾斜度測試模擬試驗。

（1）試驗裝置

試驗裝置詳見圖4所示，裝置根據某單機容量為250 MW的轉輪、主軸法蘭尺寸，按1:1制作測試模型，法蘭直徑為2.2 m；聯接螺栓的預緊作業采用液壓拉伸器實施，螺栓的預緊應力與原型機組設計值基本相同。

（2）試驗方法

在法蘭面不噴涂摩擦劑和噴涂摩擦劑兩種情況下，按相同的預緊力分別預緊螺栓，將法蘭把緊，之后分別測定螺栓分布位置及2個螺栓中間位置對應的內、外側法蘭的厚度，根據對噴涂摩擦劑前、后測定數據的對比分析，確認摩擦劑噴涂作業方法應用于大型機組的可行性。法蘭面螺栓緊固后，測點位置如圖5所示。

經過多次測試試驗，并對兩種摩擦聯軸方式的法蘭面傾斜度測量結果進行分類匯總和對比分析，結果顯示，法蘭面無摩擦劑時和噴涂摩擦劑時，其傾斜度沒有明顯的差異，其結果均小于0.01mm/m，滿足GB/T8564-2003標準要求(0.02 mm/m)。

圖5 法蘭面測點位置

6 結語

無摩擦劑摩擦聯軸方式在中小水輪機有較廣泛的應用業績。

噴涂摩擦劑與無摩擦劑摩擦聯軸方式相比，在法蘭面摩擦系數、法蘭面加工要求和工藝、現場組裝作業性、重復使用性等方面，均表現出更優秀的特性。

采用噴涂摩擦劑的摩擦聯軸方式，摩擦系數可達到0.4以上，但考慮到使用環境和條件的差異，以及充分確保設計安全等因素，建議計算時摩擦系數取0.30，以保證有足夠的安全裕量。

通過試驗研究，東芝水電進一步明確了使用摩擦劑的摩擦聯軸方式的作業方法，形成了企業規范，同時在探究200 MW以上大型機組上應用的可行性方面，也得到了驗證。本研究成果已在南歐江五級機組上實際使用獲得成功，值得今后進一步推廣應用。

[1]上官永紅.水輪機主軸摩擦扭矩傳動及結構設計[J].機電技術,2007(2).

[2]郭 靖,李華斌.水輪機主軸摩擦傳扭設計與增摩擦材料噴涂研究[J].東方電機,2006(3).

[3]哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[M].北京：機械工業出版社.

[4]程良駿.水輪機[M].北京：機械工業出版社,1981.

[5]劉大愷.水輪機[M].北京：水利水電出版社,1997.

[6]GB／T 15468-2006水輪機基本技術條件[S].

[7]GB／T 8564-2003水輪發電機組安裝技術規范[S].

[8]GB／T 6967-2009工程結構用中、高強度不銹鋼鑄件[S].

[9]JB／T 1270-2014水輪機、水輪發電機大軸鍛件技術條件[S].

[10]GB／T 2480-2008普通磨料碳化硅[S].

[11]GB／T 2900.45-2006電工術語水電站水力機械設備[S].

[12]GB 1720-1979漆膜附著力測定法[S].

[13]QB／T 1588.4-1993輕工機械涂漆通用技術條件[S].

[14]機械設計手冊:第2冊[M].北京：機械工業出版社.

[15]機械設計手冊:第1冊[M].北京：機械工業出版社.

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A

1672-5387（2017）08-0003-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.002

2017-03-22

陳維勤（1970-），女，高級工程師，從事水力機械設計制造技術工作。