立軸式水輪發(fā)電機(jī)組推力支撐方式的選擇

張 杰 英

（呼倫貝爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼倫貝爾 021000）

0 前言

推力軸承是立軸式水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)著機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的所有軸向推力負(fù)荷，并通過推力軸承支撐結(jié)構(gòu)向周圍混凝土基礎(chǔ)傳遞。通常情況下，單機(jī)容量較小的機(jī)組因其推力負(fù)荷較小，可以選擇將推力軸承布置在機(jī)組頂部的上機(jī)架上，只需保證上機(jī)架具有足夠的剛度即可；而階式推力軸承主要應(yīng)用在多級抽水蓄能機(jī)組上，由于相對較長的水輪機(jī)軸需要在尾水管直錐管下面位置布置一個下導(dǎo)軸承，使部分推力負(fù)荷直接傳遞到廠房較下部的混凝土上；對于高水頭和中低水頭段的混流式、軸流式水電機(jī)組而言，采用發(fā)電機(jī)下機(jī)架支撐推力軸承的布置方案是比較普遍的，且在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性方面獲得了業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可[1]。

本文主要針對中低水頭段的水輪發(fā)電機(jī)組，通過與由發(fā)電機(jī)下機(jī)架支撐推力軸承的布置方案進(jìn)行綜合對比，進(jìn)一步說明將推力軸承支架置于水輪機(jī)頂蓋或支持蓋上的布置方案為機(jī)組設(shè)計及廠房建設(shè)所帶來的優(yōu)點(diǎn)和效益。

1 推力支撐方式

1.1 下機(jī)架支撐方式

混流式水電機(jī)組的推力軸承支撐方式通常采用的是下機(jī)架支撐，如圖1所示。這種方式是將推力軸承安裝在下機(jī)架上，轉(zhuǎn)動部分的重量G和水輪機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的軸向水推力Fa均通過下機(jī)架傳遞到混凝土基礎(chǔ)上，同時下機(jī)架還承受由徑向?qū)лS承傳遞的徑向力FR。

對于低水頭的軸流式水電機(jī)組而言，早期的設(shè)計較傾向于采用推力軸承支架的支撐方式來傳遞軸向推力負(fù)荷，如上世紀(jì)80年代的葛洲壩電站[2]。但是，隨著水電技術(shù)的發(fā)展，越來越多的業(yè)主為了增大水車室的操作空間，使整體布局更加合理，往往要求采用下機(jī)架的支撐方式進(jìn)行設(shè)計，具體布置如圖2所示。

1.2 推力軸承支架支撐方式

推力軸承支架主要布置在混流式水輪機(jī)的頂蓋上或軸流式水輪機(jī)的支持蓋上，推力軸承安裝在推力軸承支架頂部，如圖3和圖4所示。轉(zhuǎn)動部分重量G和軸向水推力Fa將通過推力軸承支架傳遞到水輪機(jī)頂蓋或支持蓋上，再由頂蓋向機(jī)坑周圍混凝土基礎(chǔ)傳遞。采用這種支撐方式的機(jī)組一般另設(shè)下導(dǎo)徑向支撐結(jié)構(gòu)或采用上導(dǎo)、水導(dǎo)兩導(dǎo)支撐方式而不設(shè)下導(dǎo)支撐的設(shè)計方法。

2 推力支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

無論是混流式還是軸流式水電機(jī)組，經(jīng)選型和初步設(shè)計后，一般情況下，推力支撐結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的最大軸向推力負(fù)荷基本上可以得到確定。因此，從技術(shù)角度講，具體采用哪種推力支撐方式，需要對推力支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的力學(xué)分析，并根據(jù)總體設(shè)計的合理性來評價結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 結(jié)構(gòu)受力分析

立軸式水輪發(fā)電機(jī)組的軸向推力負(fù)荷1F主要由轉(zhuǎn)動部分的重量G和水輪機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的軸向水推力Fa構(gòu)成，軸向推力負(fù)荷F可表示為

軸向推力負(fù)荷1F主要作用于推力支撐結(jié)構(gòu)上，并由推力支撐結(jié)構(gòu)向周圍混凝土基礎(chǔ)傳遞。

水輪機(jī)頂蓋或支持蓋作為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的重要部件，其過流面將承受來自流道內(nèi)的水壓力P產(chǎn)生的向上的作用力F2，F(xiàn)2可表示為

式(2)中S為過流面的面積。

F1和F2作為支撐部件的主要載荷，其大小直接影響到支撐部件的剛強(qiáng)度性能。因此，載荷的合理分配和支撐部件的優(yōu)化設(shè)計等因素在一定程度上均能保證機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖 5為不同電站作用在支撐部件上的 F1和F2的對比圖。其中，凱恩吉和桐子林電站的推力支撐方式為下機(jī)架支撐，樂灘、葛洲壩、大復(fù)興和山圖迪斯電站的推力支撐方式為推力軸承支架置于頂蓋或支持蓋上方的形式。

圖5 不同電站支撐部件的受力情況

2.2 下機(jī)架的剛強(qiáng)度分析

下機(jī)架的設(shè)計主要就是為了支撐整個機(jī)組的軸向推力負(fù)荷。為了保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，下機(jī)架必須具有足夠的軸向剛度和徑向剛度。因此，下機(jī)架通常被設(shè)計為箱式結(jié)構(gòu)，并通過對稱均布設(shè)計的支臂與基礎(chǔ)混凝土固結(jié)來傳遞載荷。圖6為某水電站下機(jī)架的有限元計算模型。計算結(jié)果表明，下機(jī)架的軸向變形除了與支臂數(shù)量、板厚配置有關(guān)外，對其軸向剛度影響最大的因素主要取決于下機(jī)架的設(shè)計高度，下機(jī)架高度與軸向變形的關(guān)系曲線如圖7所示。

由此可見，為了保證下機(jī)架的軸向變形在機(jī)組運(yùn)行要求的范圍之內(nèi)，合理控制下機(jī)架的軸向變形勢必會增加下機(jī)架的高度，從而導(dǎo)致整個軸系加長，并進(jìn)一步增加廠房的設(shè)計高度。

圖6 下機(jī)架有限元計算模型

圖7 下機(jī)架高度對結(jié)構(gòu)軸向剛度的影響

2.3 推力軸承支架支撐方式的聯(lián)合受力分析

推力軸承支架一般采用直錐型設(shè)計，通過法蘭與頂蓋或支持蓋連接，在設(shè)計時既要保證推力軸承支架本身的剛強(qiáng)度，還要考慮頂蓋或支持蓋的支撐剛度。因此，這種支撐方式需要對推力軸承支架、頂蓋、支持蓋及導(dǎo)流錐進(jìn)行聯(lián)合受力分析[3]。圖8為某軸流式水電機(jī)組推力軸承支撐結(jié)構(gòu)的有限元聯(lián)合受力計算模型，機(jī)組在正常運(yùn)行工況下的計算結(jié)果如表1所示，表1中負(fù)號表示變形方向向下。

圖8 推力軸承支架支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)合計算模型

表1 推力軸承支架支撐結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

由表1可知，推力軸承支架支撐結(jié)構(gòu)中各部件的應(yīng)力水平是很低的，不是設(shè)計的主要矛盾。從變形情況來看，盡管推力軸承支架的總體軸向變形是最大的，變形量達(dá)到3.75mm，但是其中大部分的變形來自于頂蓋和支持蓋軸向變形量的累加，而其自身的變形僅為1.01mm，因此，提高頂蓋、支持蓋的軸向剛度才是設(shè)計考慮的重點(diǎn)。

3 推力軸承支架支撐方式的優(yōu)點(diǎn)

3.1 降低軸向力

水輪機(jī)頂蓋和支持蓋是按照能夠抵抗過流面水壓力產(chǎn)生較小變形而設(shè)計的，如果變形過大將會影響導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的順利操作和主軸密封裝置的可靠性[4]。對于高水頭的混流式水輪機(jī)而言，在正常運(yùn)行工況下，水推力大約占頂蓋過流面水壓力產(chǎn)生的向上總力的 10%，對于低水頭混流式和軸流式水輪機(jī)來說，這個比較值可能會達(dá)到 80%左右[5]。因此，當(dāng)采用下機(jī)架支撐方式時，既要保證下機(jī)架的軸向支撐剛度，又要提高頂蓋和支持蓋的軸向剛度來抵御水壓力產(chǎn)生的變形，其后果是頂蓋和支持蓋的剛度要高于下機(jī)架的剛度。顯然，頂蓋和支持蓋完全可以支撐軸向推力負(fù)荷。

在選擇低水頭水輪機(jī)的推力支撐方式時，如果采用推力軸承支架支撐方式，考慮到轉(zhuǎn)動部分重量因素，總的軸向推力負(fù)荷往往要高于頂蓋、支持蓋及導(dǎo)流錐的過流面水壓力產(chǎn)生的向上的總力，由于兩種力的方向相反，可以形成相互抵消并達(dá)到降低總體軸向力的明顯效果，如圖9所示。

3.2 減小基礎(chǔ)負(fù)荷

無論是選擇哪種支撐方式，機(jī)組運(yùn)行時產(chǎn)生的軸向力和徑向力均由支撐結(jié)構(gòu)傳遞到混凝土基礎(chǔ)上。當(dāng)采用下機(jī)架來支撐推力負(fù)荷時，混凝土基礎(chǔ)不僅受到水推力和轉(zhuǎn)動部分重量所形成的向下的力，還要承擔(dān)來自頂蓋、支持蓋及導(dǎo)流錐等過流面水壓力形成的向上的作用力，從設(shè)計上增加了混凝土基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)。如果采用推力軸承支架的支撐方式，混凝土基礎(chǔ)上的負(fù)荷分布將會有所不同，所有的軸向負(fù)荷均通過頂蓋和固定導(dǎo)葉傳遞給混凝土，由于蝸殼的存在，這部分混凝土是很難加固的。因此，這些力由于獲得了部分平衡而使固定導(dǎo)葉上方的混凝土受力大幅降低， 可以達(dá)到減輕混凝土受力的目的。

3.3 縮短軸系

由于推力軸承支架置于頂蓋或支持蓋上，當(dāng)整個軸系具有兩個導(dǎo)軸承的情況下，可以使發(fā)電機(jī)不設(shè)置下機(jī)架，或者軸系具有三個導(dǎo)軸承時，由于下機(jī)架不承受軸向載荷，可以最大限度地降低下機(jī)架的高度尺寸，從而使整個軸系縮短，同時還可以保持機(jī)坑的入口高度，這一變化顯然會減小廠房的高度。如Tucurui一期工程（軸系設(shè)2個導(dǎo)軸承），將推力軸承置于頂蓋上的設(shè)計使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心線和發(fā)電機(jī)中心線間的距離減小28%，減小的高度相當(dāng)于轉(zhuǎn)輪直徑的46%，另一個例子是 Ralco電站（推力軸承安裝在下機(jī)架上）和Chicoasen電站（推力軸承支架置于頂蓋上）的對比，這兩臺機(jī)組具有相同的轉(zhuǎn)輪直徑、3個導(dǎo)軸承以及非常接近的水頭設(shè)計，在這種情況下，推力軸承支架的支撐方式使軸系高度的減小量達(dá)到 16%，相當(dāng)于轉(zhuǎn)輪直徑的35%[6]，如圖10所示。兩種不同推力支撐方式產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。

圖10 Chicoasen電站(左)和Ralco電站(右)

3.4 控制頂蓋變形的有利原則

對于低水頭水輪機(jī)而言，在機(jī)組正常運(yùn)行工況下，軸向推力負(fù)荷與頂蓋、支持蓋及導(dǎo)流錐等部件過流面受到的水壓力形成的合力是非常接近的，采用推力軸承支架支撐方式使軸向負(fù)荷抵消后，有利于控制頂蓋、支持蓋的軸向變形。

圖11為某水電站采用推力軸承支架和下機(jī)架兩種支持方式下頂蓋、支持蓋的變形情況，表2為兩種支撐方式下頂蓋、支持蓋軸向變形的對比結(jié)果。從表 2可以看出，將推力軸承支架置于支持蓋上的支撐方式的軸向變形方向向下，而采用下機(jī)架支撐方式的軸向變形方向向上，且頂蓋、支持蓋和導(dǎo)流錐的軸向變形均高于推力軸承支架支撐方式下軸向變形2倍以上。這一對比數(shù)據(jù)充分說明推力軸承支架置于頂蓋、支持蓋上的設(shè)計對支撐結(jié)構(gòu)的軸向變形具有很大影響，并且可以有效減輕固定導(dǎo)葉上方混凝土的受力。從推力軸承支架支撐方式的軸向變形圖可以看出，整個支撐結(jié)構(gòu)的最大軸向變形為-2.47mm，出現(xiàn)在推力軸承支架上，其自身的軸向變形為1.11mm，如果針對推力軸承支架進(jìn)行提高剛度設(shè)計來控制自身變形，便可以在尺寸相對較大的頂蓋、支持蓋結(jié)構(gòu)上進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)大部件的降成本設(shè)計。

表2 2種支撐方式頂蓋、支持蓋軸向變形對比結(jié)果

圖11 兩種支撐方式下頂蓋、支持蓋的軸向變形

對于采用下機(jī)架的推力支撐方式，來自軸向的推力負(fù)荷、過流面水壓力分別作用在下機(jī)架和頂蓋、支持蓋上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須同時滿足兩種受力結(jié)構(gòu)的支撐剛度要求，因此，勢必會造成鋼材重量的增加，不符合優(yōu)化設(shè)計原則。

4 結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)組的推力支撐對于機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。本文從軸向推力負(fù)荷和支撐剛度兩方面綜合考慮，論述了采用下機(jī)架和推力軸承支架兩種支撐方式的差異。分析表明，對于中低水頭段的混流式、軸流式水電機(jī)組而言，選擇推力軸承支架置于頂蓋或支持蓋上的支撐方式，不僅可以對支撐部件進(jìn)行合理優(yōu)化，還可以適當(dāng)降低廠房高度，實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 黃源芳, 劉光寧, 樊世英.原型水輪機(jī)運(yùn)行研究[M].北京: 中國電力出版社, 2010.

[2] 趙明生, 梁維燕, 等.葛洲壩水電站水輪發(fā)電機(jī)組研制概況[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990.

[3] 龐立軍, 鐘蘇.帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋軸向剛度主要影響因素分析[J].大電機(jī)技術(shù), 2010,(1)：54-57.

[4] J.A.A.Casagrande, M.Couston, JC.Diana.Operating experience of The Tucurui Francis turbines[C].Water Power and Dam Construction,February 1991.

[5] R.Blanc-Coquand, S.Lavigne，JL.Deniau.Experimental and Numerical Study of Pressure Fluctuations in High Head Pump-Turbine[C].IAHR 2000.

[6] JL.Deniau, F.Freynet, G.Vuillerod.Analyse des sollicitations dynamiques d'une turbinepompe de haute chute[C].SHF，1997.