核電1000MW發(fā)電機壓力壩徑向軸承性能分析

張 宏，霍新新，劉 琪，吳軍令，武中德

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱150040）

0 前言

機組的穩(wěn)定運行是至關(guān)重要的［1，2］，軸承是決定軸系穩(wěn)定性優(yōu)劣的關(guān)鍵部件，選擇一個合適的軸承型式和合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承的靜態(tài)特性和動態(tài)特性關(guān)系極大［3－7］。大型汽輪發(fā)電機和核電發(fā)電機普遍采用圓柱瓦、橢圓柱瓦和可傾瓦徑向軸承，已有數(shù)十年的發(fā)展和運行經(jīng)驗。AP1000發(fā)電機徑向軸承采用下瓦壓力壩的圓柱瓦軸承。

下瓦壓力壩的圓柱瓦軸承在國內(nèi)大型汽輪發(fā)電機和核電發(fā)電機上應(yīng)用較少［8－10］。

汽輪發(fā)電機和核電發(fā)電機的轉(zhuǎn)子細(xì)長，發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)速處在電機轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速的二倍以上，軸系的穩(wěn)定性顯得越來越重要。軸承的設(shè)計重點不僅僅在靜態(tài)性能上，更重要在動態(tài)性能上［11－15］。

軸承結(jié)構(gòu)型式一般是根據(jù)給定條件，參照同類型機組中軸承結(jié)構(gòu)型式和相應(yīng)軸承的特性選定。大體上可以認(rèn)為：圓柱軸承適用于較低的速度和較大的載荷，橢圓軸承適用于較高的速度和中等的載荷，橢圓度大的橢圓軸承和可傾瓦軸承適用于較高的速度。國內(nèi)外汽輪發(fā)電機制造廠家對大型機組的軸承選型是比較慎重的，對于大型機組，國外多數(shù)廠家采用工藝復(fù)雜但穩(wěn)定性好的瓦塊式軸承，國內(nèi)廠家多采用制造簡單的圓或橢圓軸承。

1 軸承結(jié)構(gòu)

1.1 軸承結(jié)構(gòu)

核電1000MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子由2個圓柱瓦軸承支撐，軸承直徑750mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上瓦開溝，下瓦承載，上瓦開溝可有效冷卻軸承并降低摩擦損耗。為了保證軸的靈活，避免由于軸的偏斜或同軸度偏差而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，軸承采用球面支撐。

壓力壩圓柱瓦僅是在圓柱瓦基礎(chǔ)上增加下瓦壓力壩。帶有下瓦中心壓力壩的圓柱瓦如圖1和圖2所示。

圖1 壓力壩圓柱瓦徑向軸承

圖2 模型網(wǎng)格展開圖

1.2 軸承參數(shù)

1.2.1 長徑比

選取長徑比時，應(yīng)考慮使軸承的平均壓力有合適的值。目前趨向于取用較小的長徑比，以達(dá)到提高軸承穩(wěn)定性和減小軸承尺寸的目的，還可使側(cè)泄流量增加，摩擦阻力減小，溫升下降，邊緣接觸現(xiàn)象減輕等。但若取值過小，會造成軸承承載能力迅速下降的不良后果。長徑比一般取0.6～0.8。AP1000發(fā)電機軸承寬度為768mm，直徑為750mm，其長徑比為1.024，參數(shù)見表1。

表1 軸承主要參數(shù)

軸承下瓦開壓力壩后，增加了軸承比壓，使?jié)櫥湍ぷ儽?，增加了油膜的剛性，增強了油膜的穩(wěn)定性。

1.2.2 間隙比

間隙比取值要考慮軸承的承載能力和軸頸速度。相對間隙大時，軸承流量大，溫升低，但承載能力低。一般情況，比壓小的軸承，減小間隙可以提高軸承工作的平穩(wěn)性。而比壓大的軸承，增加間隙可以提高軸承工作的平穩(wěn)性。對于工作轉(zhuǎn)速3000r／min，圓軸承的間隙比取值范圍為0.0013～0.002。工作轉(zhuǎn)速1500r／min，圓軸承的間隙比取值范圍為0.0013～0.00175。而AP1000發(fā)電機軸承相對間隙取值0.002。

1.2.3 上、下瓦油溝

上、下瓦油溝通常情況是設(shè)計成淺的通溝，溝深1.5mm，有的機組為了提高軸承穩(wěn)定性，甚至選用不開溝軸承，這會增加軸承的溫升。開溝寬度基本為軸承寬度的一半左右。

下瓦開有周向的中心槽，寬度40mm，為非通槽，構(gòu)成壓力壩。

1.2.4 軸承比壓

在可能的情況下，如保證一定的油膜厚度，合適的溫升等，比壓宜取大些，以提高軸承運行的穩(wěn)定性，減小軸承尺寸。一般軸承工作壓力為1.6～2.0MPa。

2 軸承特性

圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦徑向軸承的性能見表2。

表2 軸承性能

3 軸承特性分析

3.1 靜態(tài)特性分析

3.1.1 偏心率

由圖3可知，隨轉(zhuǎn)速的升高，圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦的偏心率變化幅度相近。壓力壩圓柱瓦的偏心率小于圓柱瓦的偏心率，其穩(wěn)定性較好。

圖3 偏心率隨轉(zhuǎn)速變化

軸承轉(zhuǎn)子的偏心率和偏位角確定了軸承的靜平衡位置，靜平衡位置隨轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示。在同一轉(zhuǎn)速下，圓柱瓦軸承的偏位角略大于壓力壩軸承。工作轉(zhuǎn)速為1500r／min時軸承轉(zhuǎn)子靜平衡位置見表3。

圖4 軸承平衡位置

表3 額定轉(zhuǎn)速軸承平衡位置

3.1.2 溫度

由圖5可知，在相同的進(jìn)油溫度條件下，圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦的運行溫度均隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高，壓力壩圓柱瓦的升幅較大，在額定轉(zhuǎn)速基本一致。最大油膜溫度，圓柱瓦隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高，而壓力壩圓柱瓦在500r／min和2000r／min溫度較高，在1000～1500r／min溫度較低。壓力壩圓柱瓦最大油膜溫度高于圓柱瓦的最大油膜溫度。

圖5 溫度變化

3.1.3 壓力

由圖6和7可知，壓力壩軸承的壓力分布受壓力壩的影響，減小了下瓦面積，壓力壩軸承的最大油膜壓力大于圓柱瓦軸承。這是由于壓力壩的存在，減小了部分承載面積的緣故。

圖6 最大壓力分布

圖7 最大壓力隨轉(zhuǎn)速變化

3.1.4 油膜厚度

最小油膜厚度隨轉(zhuǎn)速變化如圖8所示，在相同的進(jìn)油溫度條件下，圓柱瓦與壓力壩圓柱瓦的油膜厚度均隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，壓力壩圓柱瓦的油膜厚度略小于圓柱瓦的油膜厚度。

圖8 最小油膜厚度隨轉(zhuǎn)速變化

3.1.5 流量

由圖9可知，流量隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，壓力壩圓柱瓦的流量相比圓柱瓦降低7.5%。

圖9 流量隨轉(zhuǎn)速的變化

3.1.6 損耗

由圖10可知，圓柱瓦軸承的摩擦損耗大于壓力壩軸承的，轉(zhuǎn)速越高相差越大。

圖10 摩擦損耗

3.1.7 壓力壩特性

如果壓力壩寬度由40mm變?yōu)?00mm，額定工況下，Kyy由4.9212×106變?yōu)?.1408×106，油膜厚度由0.1954mm變?yōu)?.1812mm，穩(wěn)定性提高，但承載能力有所降低。

圓柱瓦徑向軸承的下瓦壓力壩尺寸較小，相比圓柱瓦徑向軸承，最大壓力提高9.3%，最小油膜厚度降低11%，本算例中軸承的油膜較厚，這些承載能力的降低對軸承的影響非常小。而縱向剛度Kyy提高15.7%，穩(wěn)定性也有很大的提高。在軸承承載能力足夠大的情況下，較小尺寸的壓力壩，對承載能力的影響很小，卻能明顯提高軸承穩(wěn)定性。

3.2 動態(tài)特性分析

圓柱瓦徑向軸承和壓力壩圓柱瓦徑向軸承的主剛度和阻尼隨轉(zhuǎn)速變化如圖11所示，交叉剛度和阻尼隨轉(zhuǎn)速變化如圖12所示。壓力壩圓柱瓦徑向軸承的主剛度大于圓柱瓦徑向軸承的主剛度，其穩(wěn)定性好。

圖11 主剛度和阻尼隨轉(zhuǎn)速的變化

圖12 交叉剛度和阻尼隨轉(zhuǎn)速的變化

圓柱瓦軸承在額定工況，轉(zhuǎn)子質(zhì)量1.0745×105小于臨界質(zhì)量5.6721×105，判定為不失穩(wěn)。而壓力壩圓柱瓦軸承在額定工況為穩(wěn)定狀態(tài)。

圓柱瓦軸承的油膜渦動轉(zhuǎn)速為0.3513，而壓力壩圓柱瓦軸承是穩(wěn)定的，也說明壓力壩軸承阻尼對油膜渦動的抑制作用越好，轉(zhuǎn)子就越穩(wěn)定。壓力壩圓柱瓦軸承的穩(wěn)定性好于圓柱瓦軸承。

4 結(jié)論

壓力壩圓柱瓦徑向軸承在相同外載荷條件下偏心率大于圓柱瓦軸承，并且隨轉(zhuǎn)速升高，偏心率的減小幅度也小于圓柱瓦軸承。因此，壓力壩圓柱瓦徑向軸承的穩(wěn)定性高于圓柱瓦徑向軸承。

壓力壩圓柱瓦徑向軸承的下瓦壓力壩尺寸較小，相比圓柱瓦徑向軸承，最大壓力提高，最小油膜厚度降低，此承載能力的降低對軸承的影響非常小，而縱向剛度Kyy提高15.7%，穩(wěn)定性提高。