淺析大型水輪發(fā)電機推力軸承設計

胡佳琪（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

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淺析大型水輪發(fā)電機推力軸承設計

胡佳琪
（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘 要：本文以大型水輪發(fā)電機推力軸承設計問題作為研究的切入點，簡析了大型推力軸承在實際運轉(zhuǎn)過程中所面臨的基本問題并提出了解決思路，從軸承設計角度分別對影響軸承物理特征的構(gòu)成要素、幾何參數(shù)的選擇、軸承的物理特性及熱彈流分析等方面進行了分析論述，以期為科學地進行大型水輪發(fā)電機推力軸承設計做出有益的探討。

關鍵詞：推力軸承；參數(shù)；熱彈變形

1 前言

承載著水輪發(fā)電機組軸向水推力及轉(zhuǎn)子重量的推力軸承是發(fā)電機組件中最為重要的部分之一，其性能的優(yōu)劣，直接關系到水力發(fā)電的運行安全及發(fā)電機組的出力和效率。在實際發(fā)電運轉(zhuǎn)過程中，隨著水輪發(fā)電機組中單機負荷運轉(zhuǎn)容量的不斷增大，使得機組的推力負荷也隨之增加，對推力軸承的運轉(zhuǎn)負荷要求也越來越高。

2 問題及解決思路

推力軸承若長時間的超負荷運轉(zhuǎn)，會導致瓦片面積與比壓增長及軸承油膜溫度的不斷上升，由此可能引發(fā)以下兩種問題：

（1）油膜粘度下降，油膜變薄，軸承的承載負荷能力下降，嚴重時隨著軸瓦片與聯(lián)動轉(zhuǎn)動部件表面的不斷磨損與擦傷，將導致機組停擺甚至事故的發(fā)生。

（2）鏡板推力頭與軸瓦之間的溫差隨著潤滑油溫度的逐漸升高而增大，由此引發(fā)的熱彈變形也逐漸增大，嚴重時同樣會導致機組停擺甚至是事故的發(fā)生。

為了避免上述問題的發(fā)生，設計過程中應準確預測軸承的使用性能，對軸承及其組成部件與潤滑油進行整體的熱彈性流體動力分析。同時，可利用ANSYS等專業(yè)軟件，建立推力軸承熱彈流動力潤滑性能的模擬分析與計算，通過精準模擬，以數(shù)據(jù)為依據(jù)對推力軸承進行設計。通過模擬計算多種結(jié)構(gòu)情形下推力軸承瓦及鏡板推力頭的三維熱彈變形，結(jié)合潤滑油實際受熱與運轉(zhuǎn)使用的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對大型機組推力軸承的熱彈流分析。

3 構(gòu)成要素及參數(shù)選擇

3.1 構(gòu)成要素

在實際運行過程中，所有對軸承運轉(zhuǎn)造成影響的實際因素均屬軸承物理特性的構(gòu)成因素，在設計過程中，應注意以下幾方面：

（1）熱彈變形

推力軸承瓦與鏡板和推力頭的熱彈變形決定了油膜的實際形狀，是對大型推力軸承運轉(zhuǎn)性能起到?jīng)Q定作用的關鍵因素。

（2）潤滑劑

由于潤滑劑的原有粘度在推力軸承的實際運轉(zhuǎn)過程中所承受的壓力較小，由此所帶來的影響可忽略的同時，應著重考慮其隨溫度而變化即在溫升情況下對軸承所帶來的影響。其流動狀態(tài)也是構(gòu)成要素之一，在運轉(zhuǎn)過程中潤滑劑的流速較低也較為穩(wěn)定，一般為層流狀態(tài)。

（3）熱油攜帶

相鄰的瓦片在機組運行過程中，前一塊瓦片表面的油膜因溫升所形成的熱油會隨鏡板進入下一塊瓦面，從而使油溫進行了累積，溫升不斷增大。

（4）熱量交換

軸承會隨著機身運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生大量熱能，其中的大部分通過潤滑劑實現(xiàn)散熱，剩余部分則經(jīng)熱傳導與熱對流而傳入推力軸承瓦與鏡板推力頭等位置。

（5）瓦面及鏡板

作為要素之一的瓦面及鏡板表面的粗糙度與平面度也應進行嚴格的控制，從而避免其對軸承的實際使用性能造成影響。

3.2 參數(shù)選擇

在實際的設計過程中，軸承幾何參數(shù)的選擇同樣應以實際運轉(zhuǎn)過程中的載荷及運轉(zhuǎn)速度為基礎而進行考慮。

（1）瓦片內(nèi)徑

應根據(jù)機組大軸的直徑、擋油管的安裝位置及實際運行空間進行確定及使用。

（2）線速度

線速度對機組運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦與攪拌能耗影響較大，因此，在能夠建立完整的軸承動壓油膜的基礎上，應通過減小線速度以實現(xiàn)降低功耗及熱變形的目的。

（3）填充系數(shù)

瓦片總長與平均直徑下的周長比值稱之為填充系數(shù)。若系數(shù)選取較大則間距變小，實際運轉(zhuǎn)過程中將增大相鄰瓦片間熱油的流向量，即前一塊瓦片流出的熱油會有較大比例流向下一塊運行的瓦片，使得瓦片的油溫升高，影響軸承的實際載荷能力；若系數(shù)選取較小則間距變大，亦即相當于縮小了軸瓦面積，加大了單位壓力，使得軸承運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生更大的磨損。由此可見填充系數(shù)的選取對軸承設計而言的重要性，大型水輪發(fā)電機組軸承填充系數(shù)的選取一般為0.8左右。

（4）瓦片張角與塊數(shù)

圖1 鏡板工作面的熱彈變形示意圖

在負荷強度較大的重載軸承中，應選取較小的瓦片張角與較多的瓦片塊數(shù)，有效降低單片瓦的載荷量，進而有效控制瓦片的變形。

4 軸承特性

當瓦片為平面結(jié)構(gòu)時，油膜的承載壓力較為平緩，峰值壓力與平均壓力之比一般為2.5∶1左右較為適宜。在油膜壓力及油膜溫度的聯(lián)合作用下，瓦面與鏡板面在出現(xiàn)變形的情況下將對油膜厚度的分布造成一定的影響。油膜峰值壓力與平均壓力比值越大，油膜的厚度會相應地變小，對于載荷量很大的大型推力軸承，瓦面與鏡板面的綜合變形將超過最小油膜厚度的承載力及量級，從而有可能導致軸承磨損與燒瓦事故的發(fā)生。

載荷運轉(zhuǎn)情況下的鏡板，會出現(xiàn)低點在瓦片間、高點在瓦片上的周向變形，徑向變形在外徑側(cè)上翹；溫度載荷作用下的鏡板，則由于恒溫不產(chǎn)生周向變形，而徑向變形為下凸。因而鏡板面綜合變形為外徑側(cè)上翹，徑向下凸，周向呈波浪形，如圖1所示。

大型水輪發(fā)電機組的推力軸承，在設計過程中通常采用可傾斜式的扇形瓦片結(jié)構(gòu)，在材質(zhì)上以采用巴氏合金瓦與彈性金屬塑料瓦較為常見。

對于材質(zhì)為巴氏合金瓦的推力軸承，熱彈變形將產(chǎn)生一定的凸變形。而普通雙層瓦推力軸承則將推力瓦與托瓦直接疊放，不考慮托瓦表面的周向油溝問題。實際運轉(zhuǎn)過程中，推力瓦片間不均衡的溫度分布將對托瓦的瓦間溫度分布產(chǎn)生較大影響。當托瓦的瓦片較厚時，溫差及溫度的分布不均不會引發(fā)較大的熱變形及瓦面變形。因此，普通雙層巴氏合金推力軸承瓦的變形是不易調(diào)整的，而單層巴氏合金推力軸承瓦的變形與前者而言，其基本作用是十分類似的。對于結(jié)構(gòu)為小支柱的巴氏合金瓦推力軸承，實際運轉(zhuǎn)過程中會因彈性瓦面的材質(zhì)出現(xiàn)徑向凹變形，在這一過程中，由于小支柱的作用，推力瓦片與托瓦片實現(xiàn)了分離，循環(huán)熱油可在托瓦與推力瓦的瓦片間實現(xiàn)自由流動，而推力瓦片間溫度不均衡的熱油分布對托瓦片幾乎不造成任何影響，此期間托瓦溫度沿著軸向、徑向及周向?qū)崿F(xiàn)均衡分布，最終實現(xiàn)托瓦幾乎不發(fā)生熱變形。而托瓦片在小支柱力量的作用下，主要發(fā)生彈性變形。

材質(zhì)為塑料的瓦片會出現(xiàn)程度較大的凹變形，其原因由復合層壓縮量較小所致。塑料瓦復合層的應力及應變關系為非現(xiàn)行的，受溫度的影響較大，應力與應變關系隨復合層厚度及成型的工藝流程不同而存在差異。在低負荷條件下，其應力—應變關系基本呈線性的，但隨著負荷增加，其關系發(fā)生變化，整體呈現(xiàn)為非線性的。

5 熱彈流分析

大型推力軸承的運行特點通常體現(xiàn)為瓦面油膜的油溫不均衡、受壓不均衡以及瓦、鏡板與推力頭所產(chǎn)生的熱彈變形。因此，油膜的溫度、壓力及厚度是決定并體現(xiàn)推力軸承性能優(yōu)劣的關鍵考核指標，而上述指標又取決于機組運行的載荷、轉(zhuǎn)速、油的粘度、瓦片的尺寸、幾何形狀及鏡板面的平面度等因素。在實際設計過程中，利用計算機軟件系統(tǒng)，通過聯(lián)立求解潤滑油膜的動壓、油膜厚度、潤滑油粘度—溫度、熱能量等方程，同時結(jié)合瓦與鏡板、推力頭的熱傳導、熱彈變形等方程，利用迭代的方法計算出推力軸承的性能參數(shù)，實現(xiàn)對推力軸承潤滑及其他相關特征指標的測算與描述。

為了準確的預測軸承性能，應對推力軸承瓦與鏡板推力頭及潤滑油的油膜進行精確、全面的熱彈流計算分析。還應利用通用結(jié)構(gòu)分析計算有限元程序，使計算結(jié)果的準確性受軸承結(jié)構(gòu)次元的影響較小，甚至是不受影響。具體來說，推力瓦片通常為扇形、單層或雙層，不同結(jié)構(gòu)的瓦片其計算具有一定的通用性；而鏡板推力頭的結(jié)構(gòu)則存在較大差異，不同電站機組的鏡板推力頭的標準與結(jié)構(gòu)大多具備自身特色，不盡相同。因此，鏡板推力頭的計算分析應根據(jù)實際情況采用不同的計算模型，而目前業(yè)內(nèi)較為流行與推崇的計算通用軟件為ANSYS、ADINA等。

結(jié)語

為實現(xiàn)大型水輪發(fā)電機的平穩(wěn)高效運轉(zhuǎn)，在推力軸承的設計過程中，需要認真研究軸承在實際運轉(zhuǎn)過程中可能會遇到的問題。通過對軸承運轉(zhuǎn)造成影響的物理特性的分析，結(jié)合軸承設計過程中的物理參數(shù)選擇、熱彈流分析及軸承特性等方面的考量及選取，實現(xiàn)設計的科學合理，進而在實際水力發(fā)電作業(yè)過程中更好地發(fā)揮其功能與作用。

參考文獻

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中圖分類號：TH133

文獻標識碼：A