摘要：弹性金属塑料轴瓦是以氟塑料为表面摩擦层，弹性铜丝层与塑料镶嵌，再与钢瓦体钎焊成复合结构体的轴瓦。由于其优越的摩擦性能，不仅降低了轴瓦的损耗，提高了设备运行可靠性，而且简化了轴承结构和运行条件，节省了大量劳动力和维修费用，已经应用在立式水轮发电机的推力轴承和分瓣的导轴承中，获得了良好的运行效果。基于此，本文主要对弹性金属塑料在立式水轮发电机水导轴承中的应用进行分析探讨。
关键词：弹性金属塑料；立式水轮发电机；水导轴承；应用研究
1、前言
立式水轮发电机水导轴承是水电机组的关键部件之一，其多为筒式轴瓦结构，小型为二瓣，大型有三瓣、四瓣组合成圆筒形。由于它结构简单、安装方便、稳定性好，所以在中、小型水轮发电机组中应用比较普遍。但是，因水导轴承的特殊位置和结构，有时出现油中渗进水，偶有泥沙侵入等现象，使用中也经常出现烧瓦事故。如果能将弹性金属塑料瓦应用在水导轴承中，探索一条新思路解决这一生产难题，对提高水轮机组的运行可靠性具有重要意义。
2、热效应对弹塑瓦的变形影响
分析以往立式水轮发电机水导弹塑瓦轴承研制的失败过程，发现都有一个共同的现象值得重视：在冷起动后的一段时间内运行状况良好，但是，经过20～30min之后，开始出现轴的摆度变小，瓦温急剧升高，润滑油脂环出现障碍，油流被阻，渐渐轴的摆度开始增大，瓦温继续升高。此时，如果不及时停机，必然导致烧瓦。拆瓦检查时可见到轴径上部有一定宽度的光滑兰黑色氧化带，触之烫手，无任何划伤附着物。而弹塑轴瓦则有焦棕色磨损痕，油沟被糊状磨损物堵塞。产生这种现象的原因是起动一段时间后，摩擦热使温度升高，弹塑瓦热变形破坏了油膜，形成无油膜摩擦，产生过热而导致烧瓦。
本文用模拟试验方法分析其热变形规律。弹性金属塑料瓦是以氟塑料为表面摩擦层，弹性铜丝层与塑料镶嵌，再与钢瓦基体钎焊成层状复合结构的轴瓦。瓦面氟塑料层为各向同性材料，受热后要产生沿径向，轴向和周详的热膨胀变形，均可用公式(1)计算
Δl=al(t2-t1)(1)
式中：Δl为计算方向的热膨胀量，(mm)；l为计算方向的瓦面的尺寸，(mm)，对于径向为塑料层的厚度；对于轴向为轴承的轴向宽度；对于周向为瓦面沿圆周方向的展开长度；a为热膨胀系数，(1/℃)；t1为轴瓦冷态温度，℃，t1=20℃；t2为轴瓦热态温度，℃，t2=75℃其中径向和周向热膨胀量是影响接触间隙的主要因素。对于图2所示的两瓣瓦水导轴承，已知纯聚四氟乙烯塑料、铜和钢的热胀系数分别为：12.5×10-5，1.71×10-5，1.15×10-5，塑料层的厚度为3mm。按轴瓦冷态20℃，热态75℃计算，其温差为55℃，每块瓦的塑料层径向热胀值仅为0.0206mm，且沿圆周方向均分布，这是不会对接触油膜产生影响的，但是，每块瓦塑料层沿圆周方向上的热胀值却很大。例如，轴径560mm的筒式轴瓦，塑料层的圆周方向热胀值为12.09mm，而钢基体的圆周方向热胀值只有1.112mm，二者相差了10.8倍。弹性铜丝层能吸收和缓解这种胀差，但同时由于对塑料瓦面层的束缚作用，又使瓦面变形。从模拟试验中发现，对于固定宽度的弹塑瓦，当瓦面沿圆周方向展开长度L值小于400mm时，弹塑瓦面常出现2个边缘翘起的变形特征，本文称为边缘效应，如图3a所示。图中虚线表示热态时瓦面变形情况。而当瓦面长度L大于500mm时，弹塑瓦面的变形表现为两头翘起和中间凸起的形状，本文称为波浪效应，如图3b所示。这种边缘效应和波浪效应的变形量h在L小于800mm的试验长度内最大变形达0.1～0.25mm。另外，试验还发现，当使用改性聚四氟乙烯做瓦面材料时，比同样形状下的纯聚四氟乙烯塑料的热效应变形量要小许多，在L小于800mm的试验长度内，h的最大变形为0.08～0.12mm。根据这一试验结果，对筒式弹塑瓦的周向变形进行了计算模拟，便产生了如图4的热效应结果，图中虚线表示热态时的瓦面形状。可见，由于热膨胀变形出现的波浪效应，不仅减小了轴和瓦的配合间隙，而且将影响油楔的形成。这种工作状态是导致上述烧瓦现象的重要原因。
图1 弹塑瓦样块热膨胀变形试验示意图
3、弹塑瓦面结构改进及工况试验
3.1分段月牙楔螺旋承重面弹塑瓦设计
针对弹塑瓦面热效应的特点，首先将瓦面圆周按一定长度分段，设置油沟槽。每段设置导入面、月牙楔面、承重面、出油面。这些曲面均按轴转动方向成45°～65°螺旋角。这种螺旋有利于油循环。使承重面在圆周方向上是相互重叠连续的。提出采用分段月牙楔螺旋承重瓦面结构的弹塑瓦。采用螺旋承重面，延长了润滑油在轴瓦中停留时间，将改善轴瓦和轴之间的润滑状态，减小摩擦生热，从而减小轴瓦的热变形量；采用多段月牙楔，预先将每块瓦的2个边缘加工出月牙状的结构，当轴瓦受热后就不会翘起h高度，保持合理的配合间隙。另外，大于热变形量的月牙楔还可以预先造成动压油楔，有利于形成液体动压润滑状态。图2中Ra是月牙楔面半径，该半径的大小根据承重半径Rb和转速及油的粘度系数、塑料热胀效应曲线及螺旋升角进行计算。计算的结果应使轴瓦在热态运行时有合理的油膜间隙。为了减少热变形的影响，尽量选择改性氟塑料制作塑料摩擦层，预期效果会更好。
图2 分段月牙楔螺旋承重瓦面结构示意图
3.2新结构弹塑瓦工况运行试验
利用上述设计为四川南桠河电厂(功率44MW，转速600r/min)制作的立式水轮发电机水导轴承，轴径560mm，高400mm由两瓣组成的弹性金属塑料轴瓦，瓦面材料为改性聚四氟乙烯塑料，连同上、下导和推力瓦全部是弹性金属塑料轴瓦。经装机调试盘车后进行工况测试和运行。
3.2.1空载试验
空载运行1h以后，水导弹塑瓦的油温、瓦温基本稳定。
3.2.2甩负荷试验
早8时带负荷，10时进行甩负荷试验。水导瓦的温度没有发生变化。仅仅是水导轴的摆度由0.173mm突然增加到最大0.317mm，数秒后又恢复到0.150mm。
3.2.3满负荷72h运行试验
自早8时开机，机组进入满负荷72h连续运行试验。水导弹塑瓦的油温、瓦温和水导轴摆度基本稳定。水导轴摆度变化自早8时开机连续测量到晚16时，开机后摆度逐渐增大到0.23mm，然后下降到0.2mm以后趋于稳定。根据实测图比例测量后轴的摆动波幅仅仅是0.031mm，基本属于轴的椭圆度范围，这种摆幅与原巴氏合金运行时基本相同，证明了轴承的运行是稳定的。
3.2.4长期工况运行
试运行成功以后，该机正式投入运行。自2009年1月至12月接近1年的工作时间里，水轮机水导轴承的瓦温、油温一直稳定在32℃～36℃，这比原巴氏水导轴瓦所测值平均低了12～17℃。
4、结论
(1)借助模拟试验分析，以往瓦面结构的弹塑瓦在水导轴承中应用时出现烧瓦的主要原因是，热变形引起弹塑瓦产生边缘效应或波浪效应，使轴瓦配合间隙减小，油楔难以形成所致。
(2)工况试验表明，本文提出的多段月牙楔螺旋承重面弹塑瓦瓦面设计技术是合理的、可行的，不仅解决了瓦面热膨胀变形引起的烧瓦问题，而且满足了承载能力要求，改善了发电机的工作状态。
(3)首次全弹塑瓦在立式水轮发电机组中运行成功，给水轮发电机组轴承的设计提供了宝贵的经验，使水轮发电机组轴承全弹塑瓦改造成为可能。
参考文献
[1]孙立.水轮发电机组振动故障分析探讨[J].电力技术发展，2014，18（6）：51.
[2]黄锐，肖志怀，蔡维由，等.水轮发电机组振动故障的模糊诊断法[J].云南水力发电，2010，21（6）：76.
论文作者:赵秋晨
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/13
标签：轴瓦论文; 轴承论文; 水轮发电机论文; 热膨胀论文; 月牙论文; 圆周论文; 塑料论文; 《电力设备》2018年第17期论文;