湖南鎮(zhèn)電站5號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承改造技術(shù)

徐劍峰，閆曉輝，陳長(zhǎng)游，李冬翠，朱榮華，黃億良

(1．中國(guó)華電集團(tuán)有限公司衢州烏溪江分公司，浙江 衢州 324000；2．浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

湖南鎮(zhèn)電站是位于烏溪江流域兩級(jí)開發(fā)的第一級(jí)電站，距浙江省衢州市區(qū)約37 km。電站共有2座廠房，5臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其5號(hào)發(fā)電機(jī)于1996年12月投產(chǎn)運(yùn)行，2009年4月機(jī)組增容改造引起推力負(fù)荷增加。至本次改造前推力軸承已服役20多年，彈性油箱金屬材料疲勞老化，其軸向變形和壓縮變形誤差值超標(biāo)，軸瓦溫度偏差較大，修復(fù)處理困難且成本較高，因此亟需對(duì)推力軸承相關(guān)部件進(jìn)行更新改造。

2 相關(guān)參數(shù)

湖南鎮(zhèn)電站5號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承改造前負(fù)荷為880 t，推力瓦塊數(shù)為10塊，推力軸承采用三波紋彈性油箱支撐方式。改造后的推力軸承額定容量120 MW，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速373 r/min。推力瓦材質(zhì)為彈性金屬塑料瓦，仍然采用多波彈性油箱支撐方式，并保持瓦塊數(shù)10塊不變，冷卻方式為外加泵外循環(huán)；推力負(fù)荷按1 200 t進(jìn)行推力軸承的改造設(shè)計(jì)。

3 推力軸承

5號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承主要由推力瓦及彈性油箱支撐組成。彈性油箱具有自動(dòng)平衡負(fù)荷功能，性能優(yōu)越，因此通常用于推力負(fù)荷較大的機(jī)組，詳見圖1。

圖1 改造后的推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 彈性金屬塑料推力瓦

5號(hào)發(fā)電機(jī)推力瓦尺寸外徑φ2 750 mm、內(nèi)徑φ1 600 mm、薄瓦厚度60 mm，設(shè)計(jì)面壓4.6 MPa。

薄瓦PTFE(聚四氟乙烯)層硬度較低，一般為4～5 HB，在較大壓力的作用下，容易產(chǎn)生變形；在推力鏡板和瓦面之間容易發(fā)生泄壓，因此無法設(shè)置高壓油頂起裝置。

不設(shè)高頂裝置，既簡(jiǎn)化了軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，又減少了檢修維護(hù)的工作量。PTFE瓦不但靜摩擦系數(shù)小，而且耐磨損性能優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組較長(zhǎng)期停機(jī)后，不需頂轉(zhuǎn)子直接開機(jī)。

3.2 托瓦

5號(hào)發(fā)電機(jī)由推力瓦(薄瓦)和托瓦組成雙層瓦結(jié)構(gòu)，詳見圖2。通過鴿尾鍵將薄瓦固定在托瓦上，防止運(yùn)行工況或頂轉(zhuǎn)子工況下薄瓦向上脫開；同時(shí)在瓦外徑側(cè)設(shè)置擋塊固定，阻止薄瓦的徑向移動(dòng)。托瓦上表面設(shè)置若干條周向溝槽，利用潤(rùn)滑油的周向旋轉(zhuǎn)，流過溝槽對(duì)薄瓦進(jìn)行冷卻。

圖2 雙層瓦結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，推力鏡板相對(duì)推力瓦高速滑動(dòng)，瓦面的潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生的損耗無法快速地從推力瓦側(cè)發(fā)散，從而使油膜的溫度升高，導(dǎo)致塑料瓦面呈凹形。塑料層具有較低的導(dǎo)熱性，在瓦面層產(chǎn)生很大的溫度梯度，而薄瓦瓦坯的溫度幾乎均勻一致，溫度梯度很小，潤(rùn)滑油通過托瓦上的周向油溝帶走塑料層傳遞到瓦坯的少量熱量，進(jìn)一步減小瓦坯的溫度，從而減小薄瓦的熱變形。

托瓦通常由厚鋼板制成，為薄瓦提供足夠的支撐剛度，其上下表面油溫溫差較小，自身熱變形小，從而減小了薄瓦的變形。

大量項(xiàng)目的推力軸承有限元分析結(jié)果表明，雙層瓦設(shè)計(jì)可以改善油膜的形狀，使油膜壓力分布更趨流暢圓弧形，從而大幅提高推力軸承運(yùn)行的安全裕度；而且薄瓦輕量化設(shè)計(jì)，拆卸方便，檢修更容易。

3.3 彈性油箱

彈性油箱直徑φ400 mm，通過加工精度保證彈性油箱的彈性模量，嚴(yán)格要求所有油箱高度偏差在520±0.04范圍內(nèi)。

彈性油箱支撐由多只彈性油箱串聯(lián)組成，用鋼管焊接成一個(gè)整體，詳見圖3。內(nèi)腔抽真空后充入汽輪機(jī)油，并用絲堵封堵。彈性油箱負(fù)荷不均勻時(shí)，利用連通器原理，壓力油向低負(fù)荷油箱快速流動(dòng)，自動(dòng)平衡每個(gè)彈性油箱所承擔(dān)的負(fù)荷，并確保推力瓦的荷載不平衡率不大于5%。

圖3 彈性油箱結(jié)構(gòu)示意圖

彈性油箱廠內(nèi)裝配后整體發(fā)貨，現(xiàn)場(chǎng)不需要再做調(diào)整，整體安裝方便。機(jī)組運(yùn)行時(shí)能夠自動(dòng)平衡瓦間負(fù)荷，而且推力瓦傾斜靈活，可以很好地控制瓦變形等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但彈性油箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工用時(shí)長(zhǎng)，加工精度要求高，裝配工期及耐壓試驗(yàn)用時(shí)周期長(zhǎng)，因此制作成本大；而且彈性油箱有漏油風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生漏油，會(huì)造成瓦溫明顯升高，因此日常巡檢需特別注意。

4 推力軸承潤(rùn)滑方式

5號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承采用外加泵外循環(huán)冷卻方式，該冷卻方式應(yīng)用廣泛。該系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)、油泵和供電電源的可靠性要求較高，而且油泵和電機(jī)需定期進(jìn)行檢查維護(hù)；全套設(shè)備需要在一定周期內(nèi)更換，從而防止冷卻系統(tǒng)突然故障，影響推力軸承甚至機(jī)組的運(yùn)行安全。

5 改造效果

5號(hào)發(fā)電機(jī)更換的推力軸承各項(xiàng)檢測(cè)尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)組軸線質(zhì)量得到大幅改善，水導(dǎo)盤

車擺度明顯下降。推力軸承水導(dǎo)盤車擺度從最大的0.89 mm下降為0.18 mm；推力軸承盤車擺度由最大的0.91 mm下降為0.10 mm。

改造后推力軸瓦溫度低于改造前，并滿足合同規(guī)定的低于46 ℃的要求，且留有較大裕度，詳見表1。

表1 改造后推力軸瓦溫度

6 結(jié) 論

湖南鎮(zhèn)電站5號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承改造采用PTFE薄瓦和托瓦，配合彈性油箱支撐，是當(dāng)前大型機(jī)組的主流設(shè)計(jì)方案之一；其結(jié)構(gòu)具有自動(dòng)平衡推力瓦間負(fù)荷、過濾水力振動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

改造后推力軸承的運(yùn)行記錄表明，經(jīng)受住了夏季高溫的考驗(yàn)，推力瓦溫滿足合同要求且有較大裕度，瓦溫偏差不高于5 ℃。

因此，湖南鎮(zhèn)電站5號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承此次更新改造是成功的。