懸式抽水蓄能機組推力頭與軸身配合緊量研究

朱忠英，施明星

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

對于轉速較高的立式水輪發電機組設計一般選用懸式結構。懸式結構，即推力軸承位于轉子上方，布置在上機架上，通過推力頭將整個機組轉動部分懸掛起來，并承受來自水力機械的軸向推力[1]。懸式機組推力頭結構如圖1所示。

圖1 懸式機組推力頭結構Fig．1 Thrust block structure of suspended type unit

不管是常規懸式機組還是大容量抽水蓄能機組，推力頭的結構與作用基本一致。然而二者在推力頭與軸身的配合緊量設計方面卻有些不同。常規機組推力頭軸孔配合一般都采用基孔制過渡配合，既可以有輕微間隙，亦可有輕微過盈的配合[2]。而懸式抽水蓄能機組推力頭軸孔配合一般采用有緊量的過盈配合。那人們不禁要問，為什么推力頭的結構與作用一致，而推力頭與軸身的配合卻采用不同的設計緊量？這也是本文主要探討的問題。

1 蓄能機組推力頭與軸身過盈配合原因分析

在回答上述問題之前，首先要對推力頭的受力情況有一個比較清楚的認識。推力頭與軸身采用過盈配合時，配合緊量可以用來傳遞軸向力、扭矩力；推力頭受到徑向作用力時，推力頭與軸身之間可以保持相對靜止。下面逐條分析蓄能機組是否需要過盈配合帶來的這些作用。

1.1 推力頭承受軸向力

推力頭承受的軸向力主要包括機組轉動部件重量和水推力的作用。對于常規機組而言，由于推力頭與軸身之間一般存在間隙，推力頭承受的軸向力全部通過卡環傳遞給軸頭。蓄能機組推力頭與軸身間保持過盈配合，推力頭承受的一部分軸向力由推力頭與軸身緊量產生的摩擦力承受，一部分通過卡環傳遞給軸頭。一般抽水蓄能機組容量大推力負荷大，過盈量的設計一定程度上可以減輕軸頭的受力。不過考慮到過盈配合緊量受加工質量、溫度變化、冷縮均勻性等多種因素影響，傳遞受力的穩定性不高。且通過對已投運懸式蓄能機組的統計，推力頭與軸身間過盈量一般不大，所能夠分擔的機組推力負荷有限，見表1。并且通過優化軸頭結構與卡環尺寸，軸頭完全可以獨立承受機組的推力負荷，因此用來傳遞機組軸向力不是蓄能機組推力頭與軸身間保持過盈配合的必要條件。

表1 蓄能電站相關計算Tab.1 Calculation of some pumped storage power stations

1.2 推力頭承受扭矩力

推力頭承受的扭矩力主要包括機組推力軸承瓦和上導瓦（如有）潤滑摩擦力產生的扭矩。推力頭與軸身之間一般設置有平鍵，推力頭承受的扭矩力可以通過平鍵傳遞給軸身。由于平鍵的存在，推力頭與軸身之間靠過盈緊量來傳遞扭矩的設計也顯得不是那么必要。有學者指出，考慮到平鍵與鍵槽之間存在裝配間隙，蓄能機組雙向旋轉會造成推力頭鍵槽的交變受力，而平鍵只能適應單向傳扭，因此有必要保留推力頭與軸身之間的過盈量來傳遞扭矩。但筆者更加認同文獻[2]作者的觀點：推力頭與上導瓦和推力軸承瓦的摩擦為潤滑摩擦，摩擦系數極小，產生的摩擦力矩可以被推力頭與卡環之間的干摩擦力矩平衡，不會造成鍵槽的交變受力。因此，傳遞扭矩也不是蓄能機組的推力頭與軸身間保持過盈配合的主要原因。這一點可以從已投運某電站抽水蓄能機組推力頭結構來側面說明，其結構如圖2所示。該蓄能機組推力頭與軸身間采用軸向銷來傳遞扭矩，但其推力頭與軸身之間仍然保留了過盈量（0.10～0.13mm）。

1.3 推力頭承受徑向力

對于推力軸承兼做上導軸承軸領的機組，推力頭將承受機組機械不平衡力和偏心磁拉力在上導軸承的分力。如果機組推力頭與軸身之間存在間隙，安裝時可能造成推力頭與軸身不同心現象的存在，如圖3所示。二者如果不同心會加大機組運行時的擺度值[3]。機組運行時，間隙的存在也會使機組在機械不平衡力與磁拉力的作用下擺度不穩定。因此，減少這種影響才是對安全穩定運行有更高要求的蓄能機組推力頭與軸身間保持過盈配合的主要考慮。常規懸式機組因容量較小，機組的機械不平衡力與磁拉力相比蓄能機組而言也偏低，從安裝檢修方便的角度考慮，只要保證推力頭與軸身之間的間隙合適，機組也可以保證穩定運行。

圖2 某電站抽水蓄能機組推力頭結構Fig．2 Thrust block structure of a pumped storage power station

綜上分析，常規機組與蓄能機組推力頭與軸身緊量的設計原則本質上并無區別，只是從機組安裝檢修的方便性與機組運行的安全穩定性進行合理取舍的不同設置而已。

抽水蓄能機組作為電力系統的快速反應部隊。機組安全穩定運行是其第一要求，因此，蓄能機組保持推力頭與軸身之間的過盈量是有必要的。但過盈量的設計目前并沒有相關標準。蓄能機組推力頭與軸身之間的過盈量不宜過大，這是因為安裝時，過盈配合的推力頭與軸身需采用熱套的方法安裝。過盈量越大，不僅所需的加熱設備容量越大，還會因推力頭加熱的均勻性較難保證，使推力頭冷卻收縮不均勻，造成軸線調整過程中盤車數據的不穩定[4]。甚至有些機組，盤車時數據合格，但頂落一次轉子或運行一段時間后機組軸線會發生較大變化。因此，推力頭過盈量的選取應該按照最小過盈量設計，從而減少過盈配合帶來的這些副作用。

圖3 推力頭與軸身間隙配合偏差示意圖Fig．3 Schematic diagram for deviation of clearance fit between thrust block and shaft body

2 蓄能機組推力頭與軸身配合緊量設計

蓄能機組推力頭與軸身之間的最小過盈量δmin的設計可以從推力頭的結構來確定。在不考慮過盈緊量傳遞軸向力的情況下，推力頭與軸身之間的過盈量最小值δmin產生的軸向力應能承受機組推力頭和鏡板的重量之和。這樣的設計能夠使推力頭始終保持與卡環的緊密接觸，在機組頂落轉子過程中，能夠有效防止由于載荷的變化造成機組軸線變化。因此，推力頭與軸身之間最小過盈量可根據以下公式來選取。

式中Fmin—— 推力頭與軸身軸向脫出時施加的最小軸向力，N；

G——推力頭和鏡板的重量之和，kg；

g——常量，一般取9.8N/kg。

因此要求：

式中p——推力頭與軸身結合面壓力值，MPa；

df——推力頭與軸身結合面直徑，mm；

lf——推力頭與軸身結合面長度，mm；

μ——推力頭與軸身結合面摩擦系數。

推力頭與軸身結合面二者之間的壓力p與過盈量δ的關系，可將推力頭和軸身簡化為厚壁圓筒彈性過盈配合的問題來推導[5]。

式中δ——推力頭與軸身裝配過盈量，mm；

Ea——推力頭材料彈性模量，MPa；

Ei——主軸材料彈性模量，MPa；

Ca——推力頭的剛性系數，可按下式計算：

Ci——軸身的剛性系數，可按下式計算：

da——推力頭外圓直徑（與軸身結合段），mm；

di——軸身內圓直徑（與推力頭結合段），mm；

v——泊松比，一般取值0.3。

3 蓄能機組推力頭安裝注意事項

如前所述，常規機組推力頭與軸身之間一般存在間隙，安裝時可以采用冷壓安裝亦可熱套安裝，但推力頭與軸系的位置度靠加工精度保證，不受推力頭熱漲收縮影響。

蓄能機組由于推力頭與軸身之間配合緊量的存在，推力頭安裝時需熱套。推力頭的熱漲收縮會對機組軸線調整帶來不便。因此其推力頭熱套安裝時應注意以下事項：

（1）推力頭熱套安裝時需準確測量推力頭的熱漲量；

（2）推力頭熱套安裝時注意加熱的均勻性；

（3）推力頭熱套后需保證轉子在自由狀態下冷卻；

（4）推力頭在冷卻過程中需保證其與卡環及卡環與軸頭之間接觸良好；

（5）對于轉子落在推力軸承上冷卻的推力頭，需在冷卻后頂落一次轉子使推力頭應力釋放后再盤車。

4 結束語

對于懸式抽水蓄能機組而言，推力頭與軸身之間過盈量的設計，雖然給安裝調整軸線帶來了麻煩，但從保證機組安全穩定運行的角度來說是必要的。只要對推力頭與軸身之間過盈量做到準確設計，就能有效的發揮過盈聯接的作用，并將其帶來的不良影響降到最低。

[1] 白延年．水輪發電機設計與計算[M]．北京：機械工業出版社1982．BAI Yannian．Design and calculation of hydroelectric generator[M]．China Machine Press，1982．

[2] 田磊磊，呂省三．關于推力頭軸孔配合標準的討論[J]．上海大中型電機，2004（3）:28～31．TIAN Leilei，LV Shengsan．Discussion on the matching standard of thrust block and shaft body[J]．Shanghai Medium and Large Electrical Machines，2004（3）:28～31．

[3] 于剛，姜敏，姜明杰．推力頭外圓與內孔不同心度對水輪發電機組軸線測量的影響[J]．制冷空調與電力機械，2001（4）:57～59．YU Gang，JIANG Min，JIANG Mingjie．The influence of non-concentricity of the thrust block on axis measurement of the hydraulic turbine generator unit [J]．Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery，2001（4）:57～59．

[4] 李崇威．抽水蓄能機組軸線結構對軸線調整的影響[J]．水電站機電技術，2015（S1）:14～18．Li Chongwei．Influence of axis structure of pumped storage unit on axis alignment[J]．Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station，2015（S1）:14～18．

[5] 成大先．機械設計手冊（第五版）[M]．北京：化學工業出版社，2007．CHENG Daxian．Handbook of mechanical design（fifth edition）[M]．Bingjing:Chemical Industry Press，2007．