（哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所 黑龙江省哈尔滨市 150040）
摘要：发电机的推力轴承系统承载着整个发电机组的轴向负荷。推力轴承系统运行特性的精确计算是水轮发电机设计的关键技术之一。本文一某水电站为例，研究了水轮发电机推力轴承系统设计要点。
关键词：水轮发电机；推力轴承；系统设计
前言
某水电站扩建工程是利用原有水库，在岩滩水电站大坝右岸修建引水发电系统，安装2台300MW混流式水轮发电机组。扩建后电站总装机容量达到1810MW。
1工程推力轴承的结构
1.1招标阶段对瓦及支撑的相关规定
1.1.1推力轴承应能承受水轮发电机组所有转动部分的重量，包括水轮机最大水推力在内的最大组合荷载。买方要求推力轴承推力瓦采用弹性金属塑料瓦，瓦面不调整，采用内循环冷却。
1.1.2瓦的支撑形式：卖方可根据自己的经验，采用经买方批准的、并经实践证明是可行的弹性支撑。推力瓦应具有互换性，应采取措施防止推力瓦变形和损害，设计上应能使推力瓦承受均匀荷载。镜板和主轴在工厂经校直后的精度，应能保证将所有推力负荷均匀分配在所有推力瓦上。
1.2对瓦及支撑的相关设计
水轮发电机推力轴承的运行工况：推力轴承能承受水轮发电机组所有转动部分的重量，包括水轮机最大水推力在内的最大荷载。推力轴承能承受所有规定的转速范围内的工况。推力轴承瓦放置在下机架中心体上部油槽内，为自润滑、分块式、油浸、弹性金属塑料瓦，在运行中轴向力通过旋转部分的镜板和静止部分的轴瓦之间形成的油膜传递到下机架。推力轴承瓦采用招标书规定的弹性金属塑料瓦，具有优良的润滑性能。弹性金属塑料瓦为全加工状态交货，在工地安装时瓦面不需要处理。正常运行工况下轴瓦的检测温度不超过55℃。瓦的支撑采用弹性橡胶垫支撑结构，该结构为福伊特专利产品，该公司具有丰富的设计制造经验。弹性橡胶垫支撑结构属于面支撑形式，与点支撑结构方式相比，可以改善推力瓦的变形；由于弹性橡胶垫的弹性，能使推力瓦承受均匀荷载。推力轴承瓦数量为16块，瓦数量与下机架支臂数8为二倍数关系，每块瓦具有相同的支撑刚度，推力轴承瓦在圆周方向上均布。推力轴承瓦为锻钢材料瓦基，瓦工作表面为弹性金属丝和氟塑料复合层，与瓦基可靠结合，氟塑料工作表面具有极低的摩擦系数，保证低速状态时的可靠润滑。推力瓦采用弹性橡胶垫的支撑结构，每个弹性橡胶垫由一层金属基层和一层硬度很高的航天特殊材料复合而成，总高度为10mm，橡胶垫的工作方式和钢弹簧的一样，但其轴向刚度非常高，比金属小弹簧要大。这种弹性支撑允许机组在运行时有1mm的伸缩量，并允许轴瓦在圆周方向上和半径方向上倾斜，高度调节上也允许有0.1mm的公差。
2推力轴承系统运行参数计算
水轮发电机推力轴承系统承担机组轴向负荷，推力润滑计算是水轮发电机设计的关键技术之一。根据推力润滑计算程序对推力轴承系统进行设计，此算法是根据给定的水轮机水推力和水轮发电机转动部分重量，选定推力瓦块数、内、外径、长宽比、推力载荷支承半径等结构尺寸，并依据摩擦学及流体学相关理论，求解出推力轴承系统的主要运行参数值，包括推力瓦单位压力、平均周速、偏心率、出口边最小油膜厚度及最小瓦间距。为合理的设计推力轴承系统，这些参数值需在工程经验的取值范围内。推力瓦单位压力由推力负荷、推力瓦数量及单个推力瓦扇形面积决定，而推力瓦的单位压力直接关系到油膜厚度和润滑油流过瓦面后的温升，并且润滑油温升与推力瓦的单位压力近似成正比关系，油膜厚度与推力瓦单位压力成反比关系，因此在推力负荷一定的情况下，推力瓦面积选取过小时会导致油膜厚度偏低、油温过高；推力瓦平均周速主要取决于推力瓦平均直径和水轮发电机机组额定转速，从公式中可以看出，推力瓦平均周速越大则油膜的厚度越大，对机组的运行也就越有利。但推力瓦平均周速过大将使推力轴承损耗加大，加重冷却器负担、降低机组效率、使得推力支承部件的热变形加大，因此在建立动态油膜的基础上应该适当降低推力瓦平均周速。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆推力轴承瓦采用偏心支承形式，偏心率取值越小，则轴瓦的承载能力越容易满足，但与此同时楔形油膜的斜度(润滑油进出轴瓦时油膜的厚度)也会随之减小。工程中通过理论分析计算及实验数据获得不同偏心率下推力轴承系统的各种系数分布曲线，选取不同偏心率并确定进出油边的油膜厚度比，在分布曲线上确定相应的负载系数、摩阻系数及循环系数等.
3支撑型式的选择
3.1弹性金属塑料瓦与碟形弹簧组、弹性油箱支撑组合的比较弹性金属塑料瓦分别与两种支撑型式组合通过实验进行比较。
3.1.1轴承性能的模拟结果
瓦的尺寸、载荷、比压：弹性油箱支撑同碟形弹簧组支撑相同。
瓦表面温度：两种结构的模拟结果非常相似,弹性油箱支撑与碟形弹簧组支撑相比无明显优势。
压力分布：两种结构的模拟结果相似，碟形弹簧组支撑的压力分布优于弹性油箱支撑。
油膜厚度：两种结构的模拟结果相似，碟形弹簧组支撑的最小油膜厚度略大于弹性油箱支撑，油膜厚度梯度好于弹性油箱支撑。
表面变形：两种结构的模拟结果相似，碟形弹簧组支撑的表面变形略小于弹性油箱支撑，表面变形梯度好于弹性油箱支撑。
3.1.2油膜刚度及支撑刚度比较
碟形弹簧组支撑结构有较大刚度比，支撑刚度较小，有利于瓦的倾斜，有利于各瓦间负荷的平衡，同弹性油箱支撑相比有优势。
综上所述，现有边界条件下，碟形弹簧组支撑性能与弹性油箱支撑性能相似，在压力分布、油膜厚度、表面变形及支撑刚度方面优于弹性油箱支撑，碟形弹簧组支撑与弹性金属塑料瓦的组合是可行的。
3.2碟形弹簧组与弹性橡胶垫支撑的比较
3.2.1弹性橡胶垫的支撑结构为一种在钢板上硫化处理过的特种橡胶，一般做成六边形，总高度为10mm，橡胶弹簧的工作方式和钢性弹簧的一样，但其轴向刚度非常高。福伊特西门子在这种弹性支撑结构上拥有30年的丰富经验。这种弹性支撑允许机组在运行时有1mm的伸缩量，并允许轴瓦在圆周方向上和半径方向上倾斜，高度调节上也允许有0.1mm的公差。这种弹性支撑可以补偿瓦的机械变形及热变形。弹性支撑垫配置在一定的区域以实现最佳的偏心支点位置，布置灵活。安装检修简单。由于是橡胶，存在老化现象，寿命较短。弹性垫支撑的应用实例：混流转轮直径大于3500mm；轴承直径大于3500mm；轴向载荷大于15000kN。
3.2.2碟形弹簧组支撑结构为一组碟形弹簧相叠起来，组装在一个元件中，可通过选用不同的碟簧及数量配合而得到不同承载力的碟形弹簧组元件。碟形弹簧组支撑结构对于单个元件的失效不敏感，一个碟簧元件损坏不会影响整个瓦下面的碟形弹簧组的正常工作。与弹性橡胶垫相比，碟形弹簧组弹性支撑具有更好的弹性，更高的承载能力，碟形弹簧组的压缩量大于弹性橡胶垫，根据不同的尺寸而有不同。并允许轴瓦在圆周方向上和半径方向上倾斜，载荷平衡性好。可配置在一定的区域以实现最佳的偏心支点位置，布置灵活。安装简单，检修时可将其取出检查。
结束语
水轮发电机组投运后,推力轴承瓦温运行正常，各块瓦温差很小，外观感觉平稳，是一次成功的优化和应用实践。
参考文献
[1]宋洪占，张砚明.立式水轮发电机导轴承滑转子泵的设计与计算[J].通用机械,2012,2：78-86.
[2]梁锐，郭庆华，徐宏伟.三峡水轮发电机磁极线圈制造技术的介绍.防爆电机，2015.5.
论文作者:王亮
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：推力论文; 弹性论文; 轴承论文; 油膜论文; 弹簧论文; 水轮发电机论文; 油箱论文; 《电力设备》2018年第17期论文;