白鶴灘發(fā)電機(jī)推力軸承設(shè)計(jì)研究

武中德，張 宏，吳軍令，王建剛，劉平安

（1.哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江省哈爾濱市 150040；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

1 前言

隨著水輪發(fā)電機(jī)組容量的增加，推力軸承的重要性也越發(fā)顯得突出。推力軸承的發(fā)展過程中出現(xiàn)了多種支撐型式，如彈性油箱、小彈簧、橡膠墊、小支柱等，這些典型的推力軸承結(jié)構(gòu)，即保證了水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的運(yùn)行性能，同時(shí)也促進(jìn)了推力軸承的發(fā)展。

巨型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承采用可調(diào)支柱螺桿支撐的帶有小支柱的雙層巴氏合金瓦[1，2]，也有采用小彈簧支撐的巴氏合金瓦。這些都為1000MW級(jí)水輪發(fā)電機(jī)推力軸承設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的研究一般采用理論分析，必要的情況下采用與試驗(yàn)研究相結(jié)合的辦法。

本文針對(duì)白鶴灘1000MW級(jí)水輪發(fā)電機(jī)推力軸承進(jìn)行了熱彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑性能有限元分析[3，4，5]及優(yōu)化設(shè)計(jì)，在3000t推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)白鶴灘推力軸承進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 推力軸承設(shè)計(jì)方案

根據(jù)白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)推力軸承的載荷和轉(zhuǎn)速，借鑒三峽、向家壩、溪洛渡等巨型機(jī)組推力軸承的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)推力軸承采用相同的推力軸承結(jié)構(gòu)方案，以及外循環(huán)冷卻方式。推力軸承和下導(dǎo)軸承組合的方式，共用一個(gè)油槽。

2.1 推力軸承瓦

推力軸承為雙層巴氏合金瓦，推力瓦和托瓦間有一組小支柱，瓦的支撐采用可調(diào)球面支柱螺桿支撐，并有高壓油頂起系統(tǒng)，外循環(huán)冷卻方式。

推力軸承瓦為雙層瓦結(jié)構(gòu)，它由薄瓦、托瓦組成（見圖1），推力瓦可互換。

2.2 支撐型式

推力軸承的支撐結(jié)構(gòu)影響瓦間負(fù)荷分配。瓦的支撐采用可調(diào)球面支柱螺桿支撐，即可保證瓦的擺動(dòng)靈活性，又可通過支柱螺桿內(nèi)的測(cè)力傳感器微調(diào)各瓦的受力，以保證瓦的高程。瓦的受力偏差≤5%。

2.3 推力軸承潤(rùn)滑冷卻方式

外循環(huán)冷卻方式，采用導(dǎo)瓦泵，這是粘滯泵的一種。下導(dǎo)軸承的瓦既是導(dǎo)瓦，又是油泵，導(dǎo)瓦泵構(gòu)成外循環(huán)的動(dòng)力。

導(dǎo)瓦泵的壓頭較低，經(jīng)分析計(jì)算，白鶴灘推力軸承采用導(dǎo)瓦泵外循環(huán)符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

導(dǎo)瓦泵在巨型機(jī)組和蓄能機(jī)組上均有較多的應(yīng)用。

圖1 小支柱雙層巴氏合金瓦Figure 1 Double layer Babbitte pad with pins

3 推力軸承優(yōu)化

推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化一是控制瓦的長(zhǎng)寬比，較小的長(zhǎng)寬比，可以獲得較低的瓦溫。為了使瓦邊的變形進(jìn)一步趨向合理，優(yōu)化了小支柱的直徑，這樣可以使推力軸承的性能得到有效提高。

在三峽右岸推力軸承的小支柱的基礎(chǔ)上，針對(duì)推力軸承推力瓦和托瓦間的小支柱進(jìn)行了優(yōu)化，推力軸承每塊瓦上的34個(gè)小支柱5個(gè)規(guī)格的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化為4個(gè)規(guī)格。小支柱的直徑及其分布以及支點(diǎn)位置優(yōu)化后，推力軸承的油膜厚度提高，油膜溫度降低。

4 推力軸承試驗(yàn)

試驗(yàn)在3000t推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上采用先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備，在真實(shí)的運(yùn)行條件下進(jìn)行，還可在真機(jī)應(yīng)用之前驗(yàn)證推力軸承設(shè)計(jì)。

為了對(duì)水電機(jī)組推力軸承進(jìn)行試驗(yàn)研究，早在20世紀(jì)80年代初期便建造了推力軸承試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)建成后曾成功地為巖灘水電站26.98MN推力軸承進(jìn)行了巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦的真機(jī)試驗(yàn)，以及三峽水電站54.1MN推力軸承進(jìn)行了巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦的真機(jī)試驗(yàn)。這些工作，為百萬機(jī)組推力軸承的試驗(yàn)研究積累了經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)3000t推力軸承試驗(yàn)臺(tái)的規(guī)格，試驗(yàn)?zāi)Ｐ?∶1的真機(jī)全尺寸圖吉利軸承，瓦塊數(shù)減一半，推力負(fù)荷也相應(yīng)減半，但保證相同的平均線速度。

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)的主要數(shù)據(jù)顯示了軸承試驗(yàn)臺(tái)的巨大尺寸和能力。試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行部分改進(jìn)還可進(jìn)行高速試驗(yàn)，使試驗(yàn)臺(tái)既可進(jìn)行高速試驗(yàn)，又可進(jìn)行低速試驗(yàn)。

試驗(yàn)臺(tái)包括試驗(yàn)軸承和靜壓加載設(shè)備，每一塊靜壓軸承瓦上都有一液壓加載油缸，兩臺(tái)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)在其轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)可反轉(zhuǎn)。

4.2 測(cè)量和數(shù)據(jù)采集方法

在鏡板上安裝壓力傳感器和位移傳感器，這樣鏡板轉(zhuǎn)一圈就可獲得全部試驗(yàn)瓦的油膜壓力和油膜厚度。溫度傳感器安裝在一塊瓦和鏡板的不同位置，獲得測(cè)點(diǎn)溫度，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)處理得到其溫度分布。通過外循環(huán)油和冷卻水，用量熱法確定推力軸承損耗。在支柱螺桿內(nèi)安裝測(cè)力傳感器，監(jiān)測(cè)各瓦的受力，調(diào)整瓦的高程，以保證瓦的高程。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用VXI和PXI技術(shù)。

4.3 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

巴氏合金瓦推力軸承，額定工況下，油溫24.6～30.8℃＜[50℃]，推力瓦溫度67.8～69.8℃＜[80℃]（RTD），推力瓦間溫度差2.0K＜[5K]，瓦面溫度72.3℃＜[90℃]。

塑料瓦推力軸承，額定工況下，油溫29.7～39.1℃＜[50℃]，推力瓦溫度50.1～52.8℃＜[60℃]（RTD），推力瓦間溫度差2.7K＜[5K]，瓦面溫度68.7℃＜[90℃]。

5 計(jì)算與試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比分析

5.1 計(jì)算模型

根據(jù)試驗(yàn)推力軸承的參數(shù)和鏡板、推力頭的結(jié)構(gòu)，建立推力軸承熱彈變形計(jì)算模型。包括油膜、推力瓦、小支柱、托瓦、鏡板、推力頭等。

5.2 軸承性能

高壓油頂起時(shí)的瓦變形見圖3～圖9。

圖2 高壓油頂起時(shí)瓦的變形Figure 2 The deformation of pad during jacking

推力軸承的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表1，測(cè)量的結(jié)果驗(yàn)證了推力軸承的性能。

表1 試驗(yàn)推力軸承計(jì)算和測(cè)量結(jié)果Tab.1 Calculated and measured result of test thrust bearing

5.3 瓦面變形和鏡板面變形

推力軸承瓦面的徑向變形為凹變形（見圖7），其與鏡板的徑向凸變形（見圖9）相對(duì)應(yīng)。

圖3 瓦的油膜厚度分布Figure 3 The oil film thickness distribution of pad

圖4 瓦的油膜壓力分布Figure 4 The oil pressure distribution of pad

圖5 瓦的油膜溫度分布Figure 5 The oil film temperature distribution of pad

圖6 瓦的溫度分布Figure 6 The temperature distribution of pad

圖7 瓦變形Figure 7 The deformation of pad

圖8 鏡板、推力頭的溫度分布Figure 8 The temperature of Thrust runner and thrust block

圖9 鏡板、推力頭的熱彈變形Figure 9 The deformation of Thrust runner and thrust block

推力軸承瓦面的徑向凹變形與鏡板面的徑向凸變形相對(duì)應(yīng)，其綜合變形相對(duì)減小，油膜厚度的大小偏差減低，軸承的承載能力提高。

6 結(jié)束語

白鶴灘推力軸承的參數(shù)優(yōu)化，提高了其性能。

在3000t推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了軸承性能。

白鶴灘機(jī)組采用小支柱支撐結(jié)構(gòu)的雙層巴氏合金瓦，導(dǎo)瓦泵外循環(huán)冷卻方式，滿足安全可靠的運(yùn)行要求。