塑料瓦推力軸承在770MW溪洛渡機組上應用

張東勝，武中德，王建剛，劉平安，劉長波

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塑料瓦推力軸承在770MW溪洛渡機組上應用

張東勝1，武中德2,3，王建剛3，劉平安3，劉長波4

（1. 中國長江三峽集團公司機電工程局，成都610000；2. 水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；3. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；4. 大連三環(huán)復合材料技術(shù)開發(fā)有限公司，大連 116103）

在巨型水輪發(fā)電機組中，推力軸承是最重要的組成部分之一，其他的設計是否合理將直接影響水輪發(fā)電機組的可靠運行。本文介紹了塑料瓦特點、小支柱推力軸承結(jié)構(gòu)、在溪洛渡770MW機組上應用情況等。機組運行情況表明，塑料瓦推力軸承可用于巨型水輪發(fā)電機組。

塑料瓦；推力軸承；巨型機組；應用

0 前言

彈性金屬塑料瓦推力軸承于1989年在哈爾濱大電機研究所研制成功，歷經(jīng)機組運行驗證和試驗臺試驗[1,2]，目前大中型水輪發(fā)電機組應用塑料瓦推力軸承已很廣泛[3,4]。2010年在哈爾濱大電機研究所的3000t推力軸承試驗臺上進行了塑料瓦推力軸承應用于巨型機組的試驗研究，采用彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)或小支柱支撐結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果表明，兩種支撐結(jié)構(gòu)的塑料瓦推力軸承均是可行且可靠的方案。

長江三峽集團公司和哈爾濱電機廠有限責任公司及大連三環(huán)復合材料技術(shù)開發(fā)有限公司進行塑料瓦推力軸承應用于溪洛渡770MW水輪發(fā)電機組的可行性研究，并于2012年開展設計、制造。2014年3月在溪洛渡3號機進行安裝、運行。

1 塑料瓦特點

1.1 塑料瓦主要性能指標

塑料瓦由金屬絲形成的多孔彈性墊為基體，與改性高性能聚四氟乙烯復合而成的自潤滑復合材料瓦面（如表1）。雖然各公司的復合層略有不同而表現(xiàn)的顏色有差異，但都是經(jīng)釬焊工藝將復合材料瓦面與不同幾何形狀的鋼基體牢固結(jié)合在一起，形成高性能彈性金屬塑料瓦[3]。

表1 塑料瓦主要性能指標

1.2 塑料瓦特點

塑料瓦具有以下主要特點：

（1）適用于不同支撐方式和不同潤滑油循環(huán)冷卻方式；

（2）摩擦系數(shù)小；

（3）具有極佳的耐磨損性能，使用壽命長；

（4）承載能力比巴氏合金軸瓦提高20％以上；

（5）適應油潤滑、脂潤滑，在油水混合潤滑條件下，仍可正常工作；

（6）有優(yōu)異的抗咬合性能，避免發(fā)生粘著磨損；

（7）具有優(yōu)異自潤滑性能，取消高壓油頂起仍可安全起、停機，簡化操作程序；

（8）具有順應性和獨特的自調(diào)性能，有效改善瓦面壓力分布以及瓦之間的受力狀況，運行可靠、安全裕度大；

（9）安裝、檢修不需刮研瓦面，縮短安裝檢修周期等。

1.3 塑料瓦摩擦磨損特性

塑料瓦面的主體材料為聚四氟乙烯塑料，具有摩擦系數(shù)最低、優(yōu)良的減摩和自潤滑特性等。但存在某些缺點，如：線膨脹系數(shù)大、尺寸穩(wěn)定性不好、機械性能較低、在干摩擦條件下的耐磨性較差等。在工程上，特別是用于水輪發(fā)電機組推力軸承等的關鍵部件。經(jīng)過改性，大幅度提高了機械物理性能和摩擦磨損性能。大連理工大學國家力學測試中心對國外同類產(chǎn)品進行了摩擦磨損性能對比測試，摩擦磨損性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

1.4 塑料瓦設計

彈性金屬塑料瓦推力軸承的一般運行條件為單位壓力不大于7.0MPa，平均線速度不大于40m/s，機組起動時軸承油槽內(nèi)油溫度不低于5℃，運行時熱油溫度不超過50℃。

在電站應用的塑料瓦，有純聚四氟乙稀材料和有添加劑的復合聚四氟乙稀材料兩種。其結(jié)構(gòu)大體相同，即在摩擦材料和金屬瓦基之間是一層繞簧狀的青銅絲，這種材料被稱為彈性金屬層，其作用是連接塑料材料和金屬瓦基并改善塑料層的物理性能。

因材料不同，在制造工藝上有一定的區(qū)別。有添加劑的塑料瓦面材料的加工是將塑料及添加劑粉末按配方要求混合，與彈性金屬層復合壓制成型，然后在真空燒結(jié)爐進行塑化燒結(jié)，最后與金屬瓦基進行釬焊及精加工。這種彈性金屬塑料瓦面為淺黃色或灰色。純聚四氟乙稀材料的塑料瓦，一般制造工藝是用聚四氟乙稀板料與彈性金屬層進行加熱成型，再與金屬瓦基進行釬焊及表面加工，這種彈性金屬塑料瓦面為白色。成品瓦的彈性金屬塑料復合層的壓縮模量可控制在800~3500MPa。如塑料瓦的單位壓力較大，壓縮模量相應選取較大值，這樣可使瓦面的熱彈變形控制在合理的范圍內(nèi)。

含有添加劑的聚四氟乙烯瓦面的耐磨性優(yōu)于純聚四氟乙烯瓦面。對于頻繁起動的調(diào)峰水輪發(fā)電機組，其推力軸承的瓦面材料選用含有添加劑的聚四氟乙烯為宜，可提高推力軸承的使用壽命。其他機組的推力軸承，兩種瓦面均可選用，其制造成本相差無幾。

由于彈性金屬塑料瓦推力軸承的許用單位壓力高，與巴氏合金瓦相比，可使用大小相同的瓦基，但瓦面可縮小一些。或者適當減小瓦基尺寸，以達到減小瓦面的目的。這樣，既能利用彈性金屬塑料瓦的優(yōu)良性能，又可降低成本。

彈性金屬塑料瓦推力軸承的型面根據(jù)瓦面材質(zhì)的不同而有所區(qū)別。試驗研究表明，白色瓦面的彈性金屬塑料復合層的壓縮模量相對較小，其型面的設計是否合理尤為重要。由于水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子重量在機組起動之前就由推力軸承承擔，相當于推力軸承存在預負荷，隨著兩次起動時間間隔的加大，彈性金屬塑料瓦推力軸承在起動時的靜摩擦系數(shù)增加，這主要是由于彈性金屬復合層的蠕變特性，使瓦面和鏡板面越來越趨于全面的接觸，接觸面之間的潤滑油逐漸減少。在機組起動時，瓦面不具備快速建立油膜的條件，很容易產(chǎn)生事故。而淺黃色或灰色瓦面的彈性金屬塑料復合層的壓縮模量相對較大，對型面的要求同樣重要。彈性金屬塑料瓦推力軸承的理想型面為曲面，由于其曲率非常小，機械加工比較困難，所以其型面一般設計成梯形。對于單向運行的塑料瓦推力軸承，進油邊的斜邊比出油邊的斜邊大，可根據(jù)塑料瓦推力軸承的結(jié)構(gòu)和工況，對其進行熱彈流潤滑性能分析，并進行較精確的設計。不論是白色瓦面，還是淺黃色或灰色瓦面，具有合理的型面對塑料瓦推力軸承有利。彈性金屬塑料瓦推力軸承要具有一定的型面，就是要在機組起動時，瓦面可以較快地建立油膜，并能適當調(diào)整瓦面形狀，充分發(fā)揮彈性金屬塑料瓦推力軸承所應具有的優(yōu)良性能。

彈性金屬塑料瓦推力軸承可采用單層瓦或雙層瓦結(jié)構(gòu)。彈性金屬塑料瓦的復合層是由一層聚四氟乙烯和一層青銅絲經(jīng)壓力成型而成，復合層釬焊到鋼瓦基上，瓦面復合層的厚度一般為8~9mm。

基于小支柱結(jié)構(gòu)的推力軸承特點，巴氏合金瓦運行時瓦面的徑向為凹變形，而塑料瓦面的徑向和周向均為凹變形，這是兩種瓦運行時的顯著差異[4,5]（如圖1所示）。

在推力軸承上應用彈性金屬塑料瓦，其瓦面形線設計很重要[6]。塑料瓦面形線設計，瓦面進、出油邊楔形坡口的寬度如圖2所示。

圖1 小支柱巴氏合金瓦和塑料瓦推力軸承

圖2 塑料瓦面形線設計

2 推力軸承結(jié)構(gòu)

2.1 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)是推力軸承的重要組成部分，它對在瓦間負荷分配有很大影響。采用可調(diào)支柱螺釘支撐結(jié)構(gòu)[7]，支柱螺釘使瓦上的負荷可調(diào)，也就增加了軸承座上支撐結(jié)構(gòu)的彈性。這樣可調(diào)的結(jié)果補償了不同軸向載荷下負荷分布的差異。支柱螺釘?shù)拈L度也保證了支柱和瓦之間的接觸區(qū)有相同的壓力分布，這種支撐結(jié)構(gòu)保證了瓦的傾斜支點的最佳位置。通過測量單瓦受力和調(diào)整支柱螺釘，實現(xiàn)各瓦受力均衡。

大型推力瓦必須控制瓦面的熱變形和彈性變形，小支柱雙層瓦可有效地控制瓦的熱、彈變形。安裝在推力瓦和托瓦之間的彈性小支柱是經(jīng)過特別設計的（如圖3所示）。小支柱可使托瓦的溫度遠低于推力瓦的溫度，所以很厚的托瓦幾乎沒有熱變形。盡管很薄的推力瓦有很大的溫度梯度，但又厚、剛度又大的托瓦可使推力瓦保持為平面。用補償推力瓦彈性變形，只保留推力瓦上溫度梯度引起的熱變形的方法選擇小支柱的不同直徑。進一步優(yōu)化小支柱的彈性，還可補償鏡板的大部分變形[8]。小支柱的優(yōu)化不但要考慮到額定轉(zhuǎn)速和負荷下穩(wěn)態(tài)變形，而且還要保證推力軸承在所有可能工況下安全運行。

圖3 支撐結(jié)構(gòu)

巴氏合金瓦的瓦面徑向變形為凹變形（圖1左）。隨著載荷的增加，這種凹變形加大，這主要是小支柱簇的變形加大，進而影響瓦的變形。這與鏡板面的下凸變形相對應，也就是小支柱結(jié)構(gòu)的推力軸承的綜合變形較小，承載能力大的原因。巴氏合金瓦的瓦面周向變形相對較小，塑料瓦的瓦面周向凹變形較大（圖1右），所以塑料瓦面都要進行瓦面的形狀設計。

小支柱的直徑可根據(jù)推力軸承的具體工況實現(xiàn)最優(yōu)性能的要求，進行具體地設計。工況不同，軸承參數(shù)差異、小支柱的直徑也就會不一樣。

2.2 連接板

采用彈性金屬塑料瓦，其與小支柱和托瓦的連接方式與巴氏合金瓦的相同。但瓦間隔板改為帶有連接板的隔板，如圖4所示。

圖4 瓦間隔板及連接板

瓦間隔板帶有連接板，一方面具有隔油擋板的作用，保持潤滑油循環(huán)路徑不變；另一方面保證頂轉(zhuǎn)子時，避免推力瓦被鏡板帶起，從而保證推力瓦位置準確。由于取消了高壓油頂起系統(tǒng)，小支柱結(jié)構(gòu)的推力軸承采用塑料瓦，必須安裝相應的可連接板。隔板安裝在推力瓦間，安裝時保證隔板與推力瓦的間隙要求。

3 推力軸承運行

3.1 推力軸承參數(shù)

推力軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 推力軸承運行

推力軸承瓦運行溫度見圖5。

在機組功率701MW時，油溫為24.2~32.5℃< [50℃]，推力瓦溫度44.7~47.5℃< [60℃]（RTD），推力瓦間溫度差2.8K。

同樣工況下，溪洛渡巴氏合金瓦的運行溫度為62℃。

圖5 推力軸承運行瓦溫

4 結(jié)論

溪洛渡3號發(fā)電機推力軸承采用小支柱雙層瓦支承結(jié)構(gòu)的塑料瓦、外循環(huán)潤滑冷卻方式。小支柱雙層瓦結(jié)構(gòu)的彈性金屬塑料瓦使托瓦的溫度梯度減小，因此控制了瓦的熱變形。小支柱和塑料瓦復合層的彈性可抵消或降低瓦的剩余機械變形以及鏡板變形的影響，進一步改善油膜形狀。

機組運行證明，溪洛渡彈性金屬塑料瓦推力軸承設計是合適的，并且運行穩(wěn)定性能良好。彈性金屬塑料瓦推力軸承可推廣應用于巨型水輪發(fā)電機組。

[1] Daniel Schafer, Shen Liangwei, Axel Fuerst, Qu Dazhuang. Investigations into a 6000 tons Thrust Bearing with Teflon or Babbitt Layer for the Three Gorges Units[A]. Shenyang China, ICEMS, 2001: 184-189

[2] 吳軍令. 巖灘水輪發(fā)電機推力軸承彈性金屬塑料瓦運行試驗[J]. 大電機技術(shù), 1994(4): 1-4.

[3] 武中德, 張宏. 水輪發(fā)電機組推力軸承技術(shù)的發(fā)展[J]. 電器工業(yè), 2007, 1: 32-36.

[4] 武中德, 張宏, 王黎欽, 曲大莊. 大型水輪發(fā)電機彈性金屬塑料瓦推力軸承技術(shù)[J]. 潤滑與密封. 2002(2): 59-62.

[5] 武中德, 張宏, 任忠海, 王黎欽, 曲大莊, 齊毓霖. 小支柱簇雙層瓦推力軸承熱彈流潤滑性能分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報. 2003, 35(1): 81-84.

[6] 劉平安, 武中德. 水輪發(fā)電機彈性金屬塑料瓦推力軸承瓦面形狀[J]. 大電機技術(shù), 2008(2): 5-6.

[7] 武中德, 張宏, 梁廣泰, 吳軍令, 張仁江. 三峽水輪發(fā)電機推力軸承[J]. 中國三峽建設, 2003(9): 7-8.

[8] 劉平安, 武中德. 水輪發(fā)電機鏡板推力頭熱彈變形分析[J]. 大電機技術(shù), 2008(2): 5-6.

Applying of Thrust Bearing with Teflon Layer on Xiluodu 770MW Unit

ZHANG Dongsheng1, WU Zhongde2,3, WANG Jiangang3, LIU Pingan3, LIU Changbo4

（1. China Three Gorges Corporation, Chengdu 610000, China; 2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China; 3. Harbin Electric Machinery Co. Ltd, Harbin 150040, China; 4. Dalian Sanhuan Composite Material Technology Development Co. Ltd, Dalian 116103 China）

The thrust bearing is one of the most important parts for large hydro-generators and strongly impacts on the reliability of the units of power station. This paper presents the features of thrust bearing with Teflon layer; thrust bearing with pins structure, applying of thrust bearing with Teflon layer on Xiluodu 770MW unit and so on. Thrust bearing with Teflon layer is available for large hydro-generator.

teflon-layer; thrust bearing; large hydro-generator; applying

TM312

A

1000-3983(2014)04-0001-04

2014-04-24

國家科技支撐計劃(2007BAA05B04)1000MW水電機組推力軸承研究。

張東勝（1965-），1986年畢業(yè)于河海大學，現(xiàn)主要從事機電工程管理工作，高級工程師。

審稿人：劉公直