核電1000MW發電機壓力壩徑向軸承性能分析

張 宏，霍新新，劉 琪，吳軍令，武中德

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱150040）

0 前言

機組的穩定運行是至關重要的［1，2］，軸承是決定軸系穩定性優劣的關鍵部件，選擇一個合適的軸承型式和合理的結構參數對軸承的靜態特性和動態特性關系極大［3－7］。大型汽輪發電機和核電發電機普遍采用圓柱瓦、橢圓柱瓦和可傾瓦徑向軸承，已有數十年的發展和運行經驗。AP1000發電機徑向軸承采用下瓦壓力壩的圓柱瓦軸承。

下瓦壓力壩的圓柱瓦軸承在國內大型汽輪發電機和核電發電機上應用較少［8－10］。

汽輪發電機和核電發電機的轉子細長，發電機的工作轉速處在電機轉子的一階臨界轉速的二倍以上，軸系的穩定性顯得越來越重要。軸承的設計重點不僅僅在靜態性能上，更重要在動態性能上［11－15］。

軸承結構型式一般是根據給定條件，參照同類型機組中軸承結構型式和相應軸承的特性選定。大體上可以認為：圓柱軸承適用于較低的速度和較大的載荷，橢圓軸承適用于較高的速度和中等的載荷，橢圓度大的橢圓軸承和可傾瓦軸承適用于較高的速度。國內外汽輪發電機制造廠家對大型機組的軸承選型是比較慎重的，對于大型機組，國外多數廠家采用工藝復雜但穩定性好的瓦塊式軸承，國內廠家多采用制造簡單的圓或橢圓軸承。

1 軸承結構

1.1 軸承結構

核電1000MW發電機轉子由2個圓柱瓦軸承支撐，軸承直徑750mm，結構如圖1所示。上瓦開溝，下瓦承載，上瓦開溝可有效冷卻軸承并降低摩擦損耗。為了保證軸的靈活，避免由于軸的偏斜或同軸度偏差而產生的應力集中，軸承采用球面支撐。

壓力壩圓柱瓦僅是在圓柱瓦基礎上增加下瓦壓力壩。帶有下瓦中心壓力壩的圓柱瓦如圖1和圖2所示。

圖1 壓力壩圓柱瓦徑向軸承

圖2 模型網格展開圖

1.2 軸承參數

1.2.1 長徑比

選取長徑比時，應考慮使軸承的平均壓力有合適的值。目前趨向于取用較小的長徑比，以達到提高軸承穩定性和減小軸承尺寸的目的，還可使側泄流量增加，摩擦阻力減小，溫升下降，邊緣接觸現象減輕等。但若取值過小，會造成軸承承載能力迅速下降的不良后果。長徑比一般取0.6～0.8。AP1000發電機軸承寬度為768mm，直徑為750mm，其長徑比為1.024，參數見表1。

表1 軸承主要參數

軸承下瓦開壓力壩后，增加了軸承比壓，使潤滑油膜變薄，增加了油膜的剛性，增強了油膜的穩定性。

1.2.2 間隙比

間隙比取值要考慮軸承的承載能力和軸頸速度。相對間隙大時，軸承流量大，溫升低，但承載能力低。一般情況，比壓小的軸承，減小間隙可以提高軸承工作的平穩性。而比壓大的軸承，增加間隙可以提高軸承工作的平穩性。對于工作轉速3000r／min，圓軸承的間隙比取值范圍為0.0013～0.002。工作轉速1500r／min，圓軸承的間隙比取值范圍為0.0013～0.00175。而AP1000發電機軸承相對間隙取值0.002。

1.2.3 上、下瓦油溝

上、下瓦油溝通常情況是設計成淺的通溝，溝深1.5mm，有的機組為了提高軸承穩定性，甚至選用不開溝軸承，這會增加軸承的溫升。開溝寬度基本為軸承寬度的一半左右。

下瓦開有周向的中心槽，寬度40mm，為非通槽，構成壓力壩。

1.2.4 軸承比壓

在可能的情況下，如保證一定的油膜厚度，合適的溫升等，比壓宜取大些，以提高軸承運行的穩定性，減小軸承尺寸。一般軸承工作壓力為1.6～2.0MPa。

2 軸承特性

圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦徑向軸承的性能見表2。

表2 軸承性能

3 軸承特性分析

3.1 靜態特性分析

3.1.1 偏心率

由圖3可知，隨轉速的升高，圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦的偏心率變化幅度相近。壓力壩圓柱瓦的偏心率小于圓柱瓦的偏心率，其穩定性較好。

圖3 偏心率隨轉速變化

軸承轉子的偏心率和偏位角確定了軸承的靜平衡位置，靜平衡位置隨轉速的變化如圖4所示。在同一轉速下，圓柱瓦軸承的偏位角略大于壓力壩軸承。工作轉速為1500r／min時軸承轉子靜平衡位置見表3。

圖4 軸承平衡位置

表3 額定轉速軸承平衡位置

3.1.2 溫度

由圖5可知，在相同的進油溫度條件下，圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦的運行溫度均隨著轉速的增加而升高，壓力壩圓柱瓦的升幅較大，在額定轉速基本一致。最大油膜溫度，圓柱瓦隨著轉速的增加而升高，而壓力壩圓柱瓦在500r／min和2000r／min溫度較高，在1000～1500r／min溫度較低。壓力壩圓柱瓦最大油膜溫度高于圓柱瓦的最大油膜溫度。

圖5 溫度變化

3.1.3 壓力

由圖6和7可知，壓力壩軸承的壓力分布受壓力壩的影響，減小了下瓦面積，壓力壩軸承的最大油膜壓力大于圓柱瓦軸承。這是由于壓力壩的存在，減小了部分承載面積的緣故。

圖6 最大壓力分布

圖7 最大壓力隨轉速變化

3.1.4 油膜厚度

最小油膜厚度隨轉速變化如圖8所示，在相同的進油溫度條件下，圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦的油膜厚度均隨著轉速的增加而增大，壓力壩圓柱瓦的油膜厚度略小于圓柱瓦的油膜厚度。

圖8 最小油膜厚度隨轉速變化

3.1.5 流量

由圖9可知，流量隨轉速的升高而加大，壓力壩圓柱瓦的流量相比圓柱瓦降低7.5%。

圖9 流量隨轉速的變化

3.1.6 損耗

由圖10可知，圓柱瓦軸承的摩擦損耗大于壓力壩軸承的，轉速越高相差越大。

圖10 摩擦損耗

3.1.7 壓力壩特性

如果壓力壩寬度由40mm變為100mm，額定工況下，Kyy由4.9212×106變為7.1408×106，油膜厚度由0.1954mm變為0.1812mm，穩定性提高，但承載能力有所降低。

圓柱瓦徑向軸承的下瓦壓力壩尺寸較小，相比圓柱瓦徑向軸承，最大壓力提高9.3%，最小油膜厚度降低11%，本算例中軸承的油膜較厚，這些承載能力的降低對軸承的影響非常小。而縱向剛度Kyy提高15.7%，穩定性也有很大的提高。在軸承承載能力足夠大的情況下，較小尺寸的壓力壩，對承載能力的影響很小，卻能明顯提高軸承穩定性。

3.2 動態特性分析

圓柱瓦徑向軸承和壓力壩圓柱瓦徑向軸承的主剛度和阻尼隨轉速變化如圖11所示，交叉剛度和阻尼隨轉速變化如圖12所示。壓力壩圓柱瓦徑向軸承的主剛度大于圓柱瓦徑向軸承的主剛度，其穩定性好。

圖11 主剛度和阻尼隨轉速的變化

圖12 交叉剛度和阻尼隨轉速的變化

圓柱瓦軸承在額定工況，轉子質量1.0745×105小于臨界質量5.6721×105，判定為不失穩。而壓力壩圓柱瓦軸承在額定工況為穩定狀態。

圓柱瓦軸承的油膜渦動轉速為0.3513，而壓力壩圓柱瓦軸承是穩定的，也說明壓力壩軸承阻尼對油膜渦動的抑制作用越好，轉子就越穩定。壓力壩圓柱瓦軸承的穩定性好于圓柱瓦軸承。

4 結論

壓力壩圓柱瓦徑向軸承在相同外載荷條件下偏心率大于圓柱瓦軸承，并且隨轉速升高，偏心率的減小幅度也小于圓柱瓦軸承。因此，壓力壩圓柱瓦徑向軸承的穩定性高于圓柱瓦徑向軸承。

壓力壩圓柱瓦徑向軸承的下瓦壓力壩尺寸較小，相比圓柱瓦徑向軸承，最大壓力提高，最小油膜厚度降低，此承載能力的降低對軸承的影響非常小，而縱向剛度Kyy提高15.7%，穩定性提高。