亭子口電站小彈簧簇推力軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

何丹心

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，下距蒼溪縣城約15 km，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程。工程以防洪、城鄉(xiāng)供水及灌溉、發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、攔沙減淤等其他綜合利用效益。工程等級為一等，規(guī)模為大 （1）型，通航建筑物為2×500 t級，廠房內(nèi)裝設(shè)4臺單機(jī)額定容量為275 MW、額定轉(zhuǎn)速為100 r/min的水輪發(fā)電機(jī)組，水輪發(fā)電機(jī)的型號為SF275-60/14700，發(fā)電機(jī)采用了全空冷的立軸半傘式結(jié)構(gòu)。

1 推力軸承選型及主要技術(shù)參數(shù)

在大型水輪發(fā)電機(jī)組中，推力軸承是機(jī)組核心的組成部分之一，推力軸承的設(shè)計選型是否合理將直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，亭子口水利樞紐工程通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，選用了東芝水電設(shè)備 （杭州）有限公司生產(chǎn)的小彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)推力軸承發(fā)電機(jī)，該結(jié)構(gòu)軸承具有結(jié)構(gòu)簡單，能適應(yīng)推力瓦的熱變形和應(yīng)力變形，滿足推力瓦和鏡板間的油膜特性，具有油膜厚度均勻、油膜壓力峰值小、承載能力大、運(yùn)行平穩(wěn)和適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)；另外，其下導(dǎo)軸承和推力軸承共用一個油槽安裝在下支架上，機(jī)組的整體高度有所降低。

小彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)推力軸承的主要技術(shù)參數(shù)如下:推力負(fù)荷1730 t；額定轉(zhuǎn)速100 r/min；推力瓦內(nèi)外徑分別為φ2270、φ3400 mm，厚度130 mm，推力瓦角度22°，有效面積43052.621 cm2，平均面壓41.1 kg/cm2，平均周速度14.84 m/s；軸承最小油膜厚度0.05 mm；鏡板內(nèi)外徑φ2265、φ3405 mm，厚度150 mm；每塊瓦有彈簧50個，彈簧彈性系數(shù)1140 kg/mm；設(shè)計平均油溫45℃；油槽軸承總損耗234.7 kW。

2 推力軸承結(jié)構(gòu)及特征

2.1 軸承結(jié)構(gòu)

推力軸承裝于下機(jī)架中心體的推力油槽內(nèi)，采用巴氏合金瓦，由14塊扇形瓦組成，主要結(jié)構(gòu)部件有:推力頭、鏡板、小彈簧簇、推力軸承平臺、隔油板、集油室、擋油板、外置油冷器、高壓油頂起裝置等組成。亭子口水利樞紐電站機(jī)組的軸向負(fù)荷達(dá)17300 kN，綜合考慮軸承的面壓、周速及PV值的要求后，采用了14塊扇形巴氏合金瓦的布置方式，每塊瓦下面布置有50個共計700個小彈簧來支撐，這是該推力軸承最為突出的特點(diǎn)，小彈簧有一定的預(yù)緊量，這在出廠時已做好調(diào)整。機(jī)組運(yùn)行時油膜的形成，主要來源于這50個小彈簧布置，每個間隔區(qū)內(nèi)的小彈簧按瓦在周向的偏心要求布置，布置范圍達(dá)到每塊瓦圓周方向范圍的85%，使得整塊瓦的底部都受到彈簧的作用，保證了推力瓦受力均勻，瓦的熱變形和應(yīng)力變形都能通過小彈簧的彈性變形來調(diào)節(jié)。推力瓦的檢查無需吊到油槽外進(jìn)行，只需把專用的工具安裝在油槽上，就可以在油槽內(nèi)檢查推力瓦了。小彈簧的布置示意如圖1所示。

圖1 推力軸承小彈簧布置

推力軸承臺與下機(jī)架連接，軸承臺的水平由下機(jī)架支臂來安裝調(diào)節(jié)，小彈簧支撐面的水平則通過控制彈簧高度及彈性系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，簡化了電站安裝時調(diào)整的工作量。

推力軸承配有高壓油頂起系統(tǒng)，以便機(jī)組在開機(jī)或停機(jī)過程中向推力瓦面注入高壓油，形成潤滑油膜，防止鏡板與推力瓦間形成干摩擦而損壞鏡板或推力瓦；高壓油泵壓力為20 MPa，啟動瞬間壓力大18 MPa，正常運(yùn)行時壓力為8.5 MPa，以保證有0.05 mm的油膜厚度。

推力頭與轉(zhuǎn)子中心體及鏡板與推力頭均通過螺栓直接聯(lián)接，所有聯(lián)接螺栓都用液壓拉伸器按規(guī)定的伸長量進(jìn)行緊固，確保0.03 mm厚的塞尺無法塞入，此聯(lián)接方式安裝拆卸非常方便。

下導(dǎo)瓦布置在推力油槽內(nèi)，與推力軸承共用一個油槽，共20塊瓦均勻地分布在推力頭圓周上，軸瓦與滑轉(zhuǎn)子的間隙由調(diào)整螺栓進(jìn)行調(diào)整；推力油槽蓋板整體成型安裝在油槽上方，在180°方位開有2個軸瓦檢修窗，只要裝上專用的輪子，無需把油槽蓋吊起來只需轉(zhuǎn)動油槽蓋就能檢修所有的軸瓦，這減輕了機(jī)組檢修維護(hù)的工作量。

2.2 推力軸承的冷卻方式

推力軸承另一個獨(dú)具特點(diǎn)的就是軸承的冷卻系統(tǒng)，推力軸承的冷卻系統(tǒng)由鏡板泵外循環(huán)、集油室、隔油板、外置并列運(yùn)行的2個油冷卻器組成，集油室在鏡板側(cè)的表面材料為巴氏合金，方便現(xiàn)場安裝時進(jìn)行修刮，以達(dá)到集油室密封間隙 （單側(cè)）0.55 mm的要求。在油槽油溫45℃下，通過對推力瓦滑動面的摩擦損耗、瓦間的攪拌損耗、推力頭 （鏡板）內(nèi)外側(cè)的攪拌損耗、下導(dǎo)軸承的摩擦損耗、下導(dǎo)瓦間的攪拌損耗的計算，得出了推力油槽軸承的總損耗為234.7 kW，所有油冷器的循環(huán)油量Q為1000 L/min、功率為260 kW。鏡板的設(shè)計厚度為150 mm，在滿足推力軸承循環(huán)油量即1000 L/min條件下，充分考慮鏡板泵的工作壓力、鏡板泵泵孔數(shù)量對鏡板等效厚度、鏡板固定螺栓數(shù)量的影響下，合理的選擇泵孔的數(shù)量可提高泵的循環(huán)油流量和工作壓力。本工程在鏡板的徑向方位開了30個φ40 mm的泵孔，利用機(jī)組轉(zhuǎn)動時潤滑油旋轉(zhuǎn)的離心力作用形成泵的效應(yīng)，通過集油室獨(dú)特的流道，保證了推力軸承冷卻循環(huán)油所需的工作壓力和流量，確保了熱油在流經(jīng)冷卻器時能夠進(jìn)行充分的熱-冷能量交換，使油槽的油溫維持在設(shè)計的范圍內(nèi)。這種獨(dú)特的冷卻方式不需要單獨(dú)設(shè)置外循環(huán)油泵及其控制系統(tǒng)，具有安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、檢修維護(hù)簡單等特點(diǎn)。同時，為了使推力瓦的散熱效果更好，根據(jù)對推力瓦的強(qiáng)度及軸向負(fù)荷核算結(jié)果，在每塊推力瓦的徑向方位開了5個φ32 mm的散熱孔。

3 推力軸承的運(yùn)行情況

衡量發(fā)電機(jī)推力軸承工作良好的標(biāo)準(zhǔn)為:推力瓦瓦溫的平均溫度不小于60℃，推力瓦的最高瓦溫與最低瓦溫的溫差不小于8℃。亭子口水利樞紐電站從2013年08月投產(chǎn)至今，推力軸承運(yùn)行工況良好，瓦溫穩(wěn)定，最高瓦溫與最低瓦溫間的溫差在1～2℃內(nèi)。表1為負(fù)荷為200 MW時推力軸承軸瓦的溫度數(shù)據(jù)。

從表1可以看得出，亭子口水利樞紐電站推力軸承運(yùn)行穩(wěn)定，瓦溫均勻穩(wěn)定，性能和指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

表1 推力瓦溫度數(shù)據(jù) ℃

4 結(jié) 論

目前亭子口水利樞紐電站4臺機(jī)組已經(jīng)全部投產(chǎn)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、安全、可靠，工程中使用的小彈簧簇結(jié)構(gòu)的推力軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、無需受力調(diào)整及現(xiàn)場刮瓦、采用鏡板泵外循環(huán)加外置冷卻器組成的冷卻系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，其成功應(yīng)用對其他水電工程具有重要的參考借鑒意義。

［1］劉云.水輪發(fā)電機(jī)故障處理與檢修 ［M］.北京.中國水利水電出版社,2007.

［2］陳秀芝,等.水輪發(fā)電機(jī)機(jī)械檢修 ［M］.北京:中國電力出版社,2004.

［3］吳鵬.小彈簧簇多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)在大型推力軸承上的應(yīng)用 ［J］.水力發(fā)電，2013,39（4）: 61-63.