抽水蓄能機(jī)組單波紋彈性油箱支撐雙向推力軸承特性研究及應(yīng)用

武中德，吳軍令，張 宏，王建剛，劉平安

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省哈爾濱市 150040；2. 哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江省哈爾濱市 150040；3. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

大型發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力軸承采用可傾式扇形瓦，推力瓦通常采用巴氏合金瓦。推力軸承由于采用中心支撐和雙向、高速運(yùn)行，其支撐中心偏離最佳支撐點(diǎn)，不利于楔形油膜的形成，如何保證這種軸承的承載能力，是雙向推力軸承研制的關(guān)鍵。

支撐系統(tǒng)是推力軸承的重要組成部分，對(duì)瓦間負(fù)荷分配有重要影響[1]。在大、中型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承上應(yīng)用彈性油箱支撐較多[2]，其安裝調(diào)整方便、機(jī)組運(yùn)行過程中能夠自動(dòng)平衡瓦間負(fù)荷，瓦的傾斜靈活以及可以較好地控制瓦變形等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

抽水蓄能機(jī)組雙向旋轉(zhuǎn)，其推力軸承采用中心支撐。彈性油箱支撐是否適用，在于其眾多優(yōu)點(diǎn)中的傾斜靈活性。采用單波紋彈性油箱支撐的雙向推力軸承的試驗(yàn)表明，其滿足雙向推力軸承的運(yùn)行要求[5-6]。

1 單波紋彈性油箱

支撐結(jié)構(gòu)是推力軸承的重要組成部分，它在瓦間負(fù)荷分配上有很大的影響。一般要求各瓦負(fù)荷分布偏差在±5%之內(nèi)。中小型單向推力軸承的支撐結(jié)構(gòu)一般都適用于雙向推力軸承。較小的抽水蓄能機(jī)組，推力負(fù)荷較小，采用支柱螺釘?shù)那蛎纥c(diǎn)支撐能夠保證推力軸承性能，大型抽水蓄能機(jī)組，推力負(fù)荷較大，瓦的變形亦較大，從控制瓦變形考慮，宜采用面支撐，如單波紋彈性油箱。

單波紋彈性油箱，應(yīng)用鍛鋼件加工成宮燈狀圓筒，將數(shù)個(gè)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。再抽真空并充壓力油，構(gòu)成彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)（見圖1）。每塊瓦對(duì)應(yīng)一個(gè)油箱，將厚薄瓦放置在彈性油箱頂面上。

單波紋彈性油箱與多波紋彈性油箱具有相同的優(yōu)點(diǎn)，獲得廣泛應(yīng)用。

圖1 彈性油箱焊接裝配圖Fig．1 Elastic oil tank

單波紋彈性油箱的設(shè)計(jì)、制造、安裝已非常成熟，在大型水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承上有較多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，運(yùn)行效果良好。大型抽水蓄能機(jī)組推力軸承也已逐步采用單波紋彈性油箱，例如敦化、溧陽、深圳、荒溝等抽水蓄能電站，其性能滿足發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力軸承承載要求。單波紋彈性油箱在抽水蓄能機(jī)組推力軸承上的主要應(yīng)用見表1。

大型抽水蓄能機(jī)組推力軸承每臺(tái)套一般采用12個(gè)彈性油箱，彈性油箱裝配如圖1所示，彈性油箱與各關(guān)聯(lián)零件的焊縫可承受15MPa油壓試驗(yàn)。彈性油箱打初壓合格后，進(jìn)行加載試驗(yàn)，檢驗(yàn)彈性油箱軸向變形設(shè)計(jì)值。

表1 單波紋彈性油箱承載對(duì)比Tab.1 Comparison of bearing capacity of single wave elastic oil tank

2 推力軸承瓦

推力瓦為雙層瓦結(jié)構(gòu)，摩擦面材料為巴氏軸承合金（見圖2）。推力瓦可互換。巴氏合金瓦的進(jìn)出油邊形狀相同，均為大倒角結(jié)構(gòu)，以利于軸承啟動(dòng)時(shí)潤滑油進(jìn)入瓦面。推力瓦的設(shè)計(jì)計(jì)算保證最佳的油膜壓力分布，以獲得最佳的油膜厚度分布。根據(jù)最大推力負(fù)荷進(jìn)行推力軸瓦的設(shè)計(jì)，可滿足所有運(yùn)行工況的要求。

推力瓦和鏡板是軸承直接起作用部分，它受載荷和軸向溫度梯度的作用而產(chǎn)生變形。軸承的設(shè)計(jì)必須要控制瓦變形以建立合適的油膜厚度，確定合適的動(dòng)壓油膜特征系數(shù)即油膜的最大壓力和平均壓力之比。

圖2 單波紋彈性油箱支撐推力軸承Fig．2 Single wave elastic oil tank supported bi-directional thrust bearing

3 推力軸承

3.1 載荷均勻性

試驗(yàn)推力軸承參數(shù)見表2，試驗(yàn)軸承與機(jī)組推力軸承尺寸相同，機(jī)組推力軸承12塊瓦，試驗(yàn)采用18塊瓦，單瓦載荷相同，平均相速度一致[5，6]。負(fù)荷測(cè)量值見表3，瓦的載荷均勻性控制在±3%之內(nèi)，優(yōu)于工程上通常能達(dá)到±5%的要求。單波紋彈性油箱在機(jī)組運(yùn)行過程中能夠自動(dòng)平衡瓦間負(fù)荷，且安裝調(diào)整方便。

表2 試驗(yàn)推力軸承參數(shù)Tab.2 Parameter of test thrust bearing

表3 各瓦負(fù)荷Tab.3 Load of segment

3.2 高壓油頂起

試驗(yàn)軸承主要參數(shù)見表4。

表4 試驗(yàn)推力軸承參數(shù)Tab.4 Parameter of test thrust bearing

對(duì)于大型抽水蓄能機(jī)組雙向推力軸承，對(duì)應(yīng)瓦的支撐中心的瓦面可設(shè)計(jì)成直徑90mm的油室，油室直徑和瓦面內(nèi)切圓直徑之比，取值范圍[0.15～0.25]。頂起時(shí)瓦面壓力分布和瓦變形見圖3。

圖3 頂起時(shí)瓦面壓力分布和瓦變形Fig．3 The pressure distribution on the pad surface and pad deformation when jacking

雖然試驗(yàn)軸承在試驗(yàn)時(shí)頂起高度較大，考慮到瓦間負(fù)荷均勻度3%，流量12L/min，其安全裕度較小。而流量36L/min，相比流量24L/min，頂起高度并無顯著增加。

對(duì)于彈性油箱支撐推力軸承，高壓油頂起供油量按照表5的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，24L/min可滿足要求。而對(duì)于各瓦負(fù)荷分布偏差大于±3%的，36L/min的高壓油頂起供油量比較合適。

表5 流量與頂起高度Tab.5 Flow and Jacking height

3.3 推力軸承

根據(jù)抽水蓄能機(jī)組的轉(zhuǎn)速和推力負(fù)荷，對(duì)其雙向推力軸承的結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)、比壓等可根據(jù)具體的熱彈流計(jì)算分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以保證軸承性能。單波紋彈性油箱支撐大型雙向推力軸承的油膜厚度、油膜壓力、瓦變形、瓦溫度及鏡板推力頭的變形和溫度分別見圖4～圖9。圖示的瓦徑向尺寸較大，瓦面的徑向變形較大，影響瓦面的油膜厚度和油膜壓力分布。

圖4 油膜厚度分布（μm）Fig．4 The distribution of oil film thickness

圖5 油膜壓力分布（MPa）Fig．5 The distribution of oil film pressure

圖6 瓦變形Fig．6 The pad distortion

圖7 瓦溫度（℃）Fig．7 The temperature distribution of pad

圖8 鏡板推力頭變形Fig．8 The distortion of thrust runner and thrust block

圖9 鏡板推力頭溫度分布Fig．9 The temperature distribution of thrust runner and thrust block

瓦面最大壓力與平均壓力之比代表了瓦面和鏡板面的綜合變形情況。深圳抽水蓄能電站推力軸承測(cè)量的最大瓦面壓力6.25MPa，單位壓力2.35MPa，比值為2.66；敦化抽水蓄能電站推力軸承測(cè)量的最大瓦面壓力6.6MPa，單位壓力2.46MPa，比值為2.68；比值在2～3之間，說明其瓦變形比較合理。

高速雙向大型推力軸承，水溫32℃時(shí)，推力軸承的瓦溫有超過80℃的[7]。為了保證水溫32℃時(shí)，瓦溫不超過75℃，彈性油箱支撐的推力瓦的單位壓力選取2.5～3MPa，小長寬比等措施，推力軸承1∶1的模擬試驗(yàn)結(jié)果見表6，達(dá)到了預(yù)期控制瓦溫的目標(biāo)。

表6 測(cè)量的油溫和瓦溫Tab.6 Measured oil and pad temperature

4 結(jié)束語

單波紋彈性油箱可自動(dòng)平衡瓦間負(fù)荷、瓦負(fù)荷均勻度偏差小。

單波紋彈性油箱支撐的雙向推力軸承，單位壓力可控制在2.5～3.0MPa，選取小長寬比，使瓦溫控制在較低的水平。

單波紋彈性油箱適用于大型抽水蓄能機(jī)組推力軸承。

[1] 武中德，張宏．大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承設(shè)計(jì)[C]．水電設(shè)備的研究與實(shí)踐，2009．WU Zhongde，ZHANG Hong．Design of thrust bearing for large hydro-generators[C]．Research and practice of hydroelectric equipment，2009．

[2] 武中德，張宏．水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承技術(shù)的發(fā)展[J]．電器工業(yè)，2007（1）: 32-36．WU Zhongde，ZHANG Hong ．Development of thrust bearing technology for hydro-generators[J]．China Electrical Equipment Industry，2007（1）: 32-36．

[3] 王燕，鐘蘇，呂桂萍．多波紋彈性油箱垂直度對(duì)剛強(qiáng)度的影響 [J]．上海大中型電機(jī)，2015（1）:46-49．WANG Yan，ZHONG Su，LV Guiping．The influence of the perpendicularity of the multi ripple elastic oil tank on the stiffness[J]．Shanghai Medium and Large Electrical Machines，2015（1）:46-49．

[4] 王治國．水輪發(fā)電機(jī)彈性油箱疲勞分析方法及應(yīng)用[J]．東方電氣評(píng)論，2011，25（12）:11-12．WANG Zhiguo．The fatigue analysis method and application for the hydro-generator elastic tank [J]．Dong fang Electric Review，2011，25（12）:11-12．

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[6] 張宏，武中德，吳軍令，范壽孝，張培良．蓄能機(jī)組雙向塑料瓦推力軸承試驗(yàn)研究[J]．大電機(jī)技術(shù)，2014（2）：19-21．ZHANG Hong，WU Zhongde，WU Junling，F(xiàn)AN Shouxiao，ZHANG Peiliang．Experimental investigations of bi-directional thrust bearing with teflon layer for pumped-storage hydrogenerating unit [J]．Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2014（2）：19-21．

[7] 肖先照．響水澗推力瓦溫偏高原因分析及處理[J]．上海大中型電機(jī)，2015（1）：53-55．XIAO Xianzhao．Analysis and treatment of high temperature of thrust bearing pads for xiang shui jian units[J]．Shanghai Medium and Large Electrical Machines，2015（1）：53-55．