溧陽(yáng)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力軸承設(shè)計(jì)

王艷武，王建剛

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 前言

發(fā)電電動(dòng)機(jī)的推力軸承通常具有適應(yīng)正反轉(zhuǎn)的特性。溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的推力軸承也不例外，需要適應(yīng)正、反兩種工況的運(yùn)行要求，那么就必須將支撐零件的中心正對(duì)扇形瓦的幾何中心，稱為正頂結(jié)構(gòu)，使推力軸承具備不同旋轉(zhuǎn)方向，在支撐結(jié)構(gòu)上具有相同的特性。這樣，會(huì)給推力軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)帶來油膜形成不穩(wěn)定的負(fù)面影響，原因是推力瓦中的動(dòng)壓油膜在不等壓狀態(tài)下運(yùn)行，最大壓力出現(xiàn)在偏心位置，若必須正頂，此時(shí)支撐點(diǎn)與最大壓力處產(chǎn)生一力矩，就強(qiáng)迫瓦面有翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，造成楔形動(dòng)壓油膜不穩(wěn)定的負(fù)面影響。解決這個(gè)問題的主要措施是降低推力瓦的單位壓力，可改善推力瓦的機(jī)械變形，從而降低動(dòng)壓油膜的最高壓力值。另外，提高軸承的周速，能使動(dòng)壓油膜的厚度增大，可保證形成穩(wěn)定的楔形油膜，使正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的推力軸承安全穩(wěn)定運(yùn)行。HEC以及一些其他設(shè)計(jì)單位的蓄能項(xiàng)目的成功運(yùn)行，印證了上述理論。

溧陽(yáng)抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)用60年來對(duì)大電機(jī)軸承設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)的歸納總結(jié)，對(duì)推力軸承與下導(dǎo)組合軸承及推力軸承單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)說明

溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的推力負(fù)荷815t，推力軸承位于轉(zhuǎn)子下部，并與下導(dǎo)軸承共用一個(gè)油槽，為組合軸承結(jié)構(gòu)，詳見圖1。

該推力軸承比懸式的推力軸承安裝和檢修稍有難度，但最大的優(yōu)點(diǎn)是使機(jī)組總體結(jié)構(gòu)緊湊，可降低廠房高度。該組合軸承可利用轉(zhuǎn)子支架設(shè)置臨時(shí)吊點(diǎn)，安裝和檢修時(shí)可方便起吊導(dǎo)瓦；另外在油槽壁上開設(shè)窗口作為安裝和檢修推力軸承的作業(yè)通道，可解決傘式機(jī)組的組合軸承安裝和檢修不便的問題。

根據(jù)與相似機(jī)組的比較，可見溧陽(yáng)推力瓦單位壓力設(shè)計(jì)值為 2.5MPa，最小油膜厚度計(jì)算值為 0.15mm等較合理的數(shù)據(jù)，唯獨(dú)軸承損耗較大，也是發(fā)電電動(dòng)機(jī)組合軸承的特點(diǎn)，所以對(duì)溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的組合軸承的設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)為保證形成穩(wěn)定的壓力油膜。

溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的下導(dǎo)軸承和推力軸承共用一個(gè)油槽，利用推力頭外圓柱面作為與導(dǎo)瓦的摩擦面，其特點(diǎn)是導(dǎo)軸承摩擦面直徑較大，導(dǎo)瓦數(shù)較多，周速高，加大了軸承損耗，所以在設(shè)計(jì)中采用了對(duì)導(dǎo)軸承加強(qiáng)冷卻的措施。

圖1 推力和下導(dǎo)組合軸承

溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的下導(dǎo)軸承采用哈電傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)，即正頂球面支柱支撐結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為球面與平面接觸，使瓦傾斜靈活，導(dǎo)瓦鎢金面直徑大于接觸面直徑，裝配后導(dǎo)瓦雙側(cè)自然存在楔形進(jìn)油間隙，可適應(yīng)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行工況。安裝間隙使用墊片調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了支撐位置不偏心，也不必在工地刮研導(dǎo)瓦，可保證導(dǎo)軸承安全穩(wěn)定運(yùn)行，此結(jié)構(gòu)為哈電傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的推力軸承支撐方式采用哈電傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示，彈性油箱的箱體采用韌性好的合金鍛鋼，將其加工成帶有波紋狀的圓筒，將數(shù)個(gè)圓筒與相關(guān)組件焊成全封閉的連通器，抽真空注油后形成彈性油箱支撐。該支撐借助連通器原理，通過油壓的傳遞，可自動(dòng)平衡由于加工。安裝和運(yùn)行產(chǎn)生的各瓦間的受力差異。單波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)是每塊扇形瓦對(duì)應(yīng)一個(gè)油箱，即將扇形瓦的幾何重心對(duì)準(zhǔn)單個(gè)油箱的圓心，直接放置在油箱頂部，可減少扇形瓦的機(jī)械變形，大幅提高了推力瓦的承載能力，并借助彈性油箱的易彎性，可使扇形瓦傾斜靈活，便于形成動(dòng)壓油膜。實(shí)踐證明，單波紋彈性油箱支撐可在0.3mm范圍內(nèi)自動(dòng)平衡各瓦間的受力差異。溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的單波紋彈性油箱圖紙要求各油箱間加工允許誤差不大于0.05mm，推力瓦各瓦間加工允許誤差不大于0.05mm，所以工地裝配后可不必進(jìn)行調(diào)整瓦受力的工序。

圖2 單波紋彈性油箱

溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的推力軸承瓦采用厚薄瓦的雙層瓦結(jié)構(gòu)，如圖3所示。雙層瓦之間采用鴿尾鍵連接，可單獨(dú)抽出薄瓦檢修，托瓦為厚瓦，外圓處設(shè)置限位措施，使正反轉(zhuǎn)時(shí)瓦均在正頂位置。雙層瓦結(jié)構(gòu)的最直觀的優(yōu)點(diǎn)是使推力瓦的機(jī)械變形和熱變形最小，可降低動(dòng)壓油膜最大壓力幅值，有利于穩(wěn)定油膜的形成。推力瓦的薄瓦厚度為60mm，鎢金層4mm，表面不需要刮研。為適應(yīng)推力瓦正反轉(zhuǎn)的需求，推力瓦兩側(cè)邊鎢金面都加工有進(jìn)油邊。

圖3 推力軸承瓦

溧陽(yáng)推力軸承的推力頭采用境板和推力頭一體的結(jié)構(gòu)，稱為鏡板推力頭，材質(zhì)選用適應(yīng)鏡板性能的材料，還要考慮推力頭外圓作為下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子的需要。鏡板推力頭的優(yōu)點(diǎn)是既減少了一個(gè)裝配的結(jié)合面，也減少了此面加工誤差引起的軸線擺度不好的現(xiàn)象，又降低了組合軸承的高度。推力頭直接與轉(zhuǎn)子支架下圓盤連接，裝配僅用把合螺栓，不需要銷釘，優(yōu)點(diǎn)是必要時(shí)可單獨(dú)將推力頭或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)合適的角度，來調(diào)整軸線的擺度。

溧陽(yáng)推力和下導(dǎo)組合軸承的特點(diǎn)是總損耗較大，是軸承的摩擦損耗和攪拌損耗的總和，兩個(gè)軸承在一個(gè)油槽內(nèi)，瓦的發(fā)熱會(huì)相互影響，散熱條件較差，必須有一個(gè)良好的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)，使兩個(gè)軸承都得到充分的熱交換，同時(shí)使兩個(gè)軸承的溫度穩(wěn)定在安全的運(yùn)行范圍內(nèi)。選擇外加泵外循環(huán)作為溧陽(yáng)組合軸承的潤(rùn)滑冷卻方式是必要的，因?yàn)榭蛇x擇足夠的潤(rùn)滑油循環(huán)壓力和較大的潤(rùn)滑油流量，并可將冷卻系統(tǒng)設(shè)置在有較大放置空間的機(jī)坑外,充分保證推力和下導(dǎo)組合軸承的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

溧陽(yáng)推力軸承油槽內(nèi)的循環(huán)油路采用瓦間隔板結(jié)構(gòu)，即在扇形瓦之間，瓦的高度方向適當(dāng)位置裝設(shè)一扇形薄板，稱為瓦間隔板，瓦間隔板至鏡板所形成的截面為冷油通道。再沿瓦間隔板高度位置，在油槽中部另設(shè)一隔板，稱中隔板。中隔板將油槽分成上下兩個(gè)腔，下腔為冷油腔，上腔為回油腔。通過數(shù)根油槽內(nèi)的導(dǎo)油管將熱油腔內(nèi)的油吸入油槽下部的集油環(huán)管內(nèi)，通過外循環(huán)油泵將冷卻后的冷油送回油槽，完成一次油的潤(rùn)滑冷卻循環(huán)。

3 結(jié)論

通過以上的分析和對(duì)該單波紋彈性油箱支承結(jié)構(gòu)在推力軸承試驗(yàn)臺(tái)的真機(jī)模擬試驗(yàn)的成功驗(yàn)證，可以得出溧陽(yáng)推力和下導(dǎo)組合軸承及推力軸承單波紋彈性油箱支承結(jié)構(gòu)合理，可以滿足溧陽(yáng)發(fā)電電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。此結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)在抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上首次嘗試采用，推力軸承采用彈性油箱支撐將為大型抽水蓄能機(jī)組安全運(yùn)行提供保證。