陳泓宇，楊小龍，程振宇，黃運福

（1.清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠市 511853；（2.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640）

無預壓小彈簧簇支撐推力軸承在清遠蓄能電站的應用

陳泓宇1，楊小龍2，程振宇1，黃運福1

（1.清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠市 511853；（2.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640）

推力軸承是水輪發(fā)電機的核心部件之一，承受水輪發(fā)電電動機組所有轉(zhuǎn)動部件的重量和水推力構(gòu)成的組合載荷，本文介紹和分析了清遠抽水蓄能機組無預壓小彈簧簇支撐推力軸承的應用情況，采用的無預壓小彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)是東芝技術(shù)特點，電站現(xiàn)場安裝不需要調(diào)整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。

抽水蓄能機組；推力軸承；無預壓小彈簧簇支撐；高轉(zhuǎn)速大容量；應用情況

1 概述

推力軸承是抽水蓄能發(fā)電機組最核心的組成部件之一，其工作狀況直接影響機組的安全可靠運行。目前抽水蓄能機組推力軸承常見的支撐結(jié)構(gòu)主要有彈性油箱（廣蓄一期）、彈性盤（廣蓄二期）、彈性柱（惠蓄）、彈簧簇（清蓄）四種結(jié)構(gòu)。彈簧簇支撐推力軸承結(jié)構(gòu)應用類型基本有三種：第一種，預壓縮型螺旋彈簧簇見圖1，如天荒坪抽水蓄能電站；第二種，預壓縮型碟簧簇見圖2，如仙游抽水蓄能電站；第三種，無預壓縮型彈簧簇見圖3，如西龍池抽水蓄能電站、清遠抽水蓄能電站。本文將重點介紹和分析清遠抽水蓄能機組無預壓彈簧簇支撐推力軸承的應用情況。

清遠抽水蓄能電站位于清遠市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，與廣州直線距離約75km。清遠抽水蓄能電站共裝設4臺單機容量為320MW的發(fā)電電動機機組，為目前國內(nèi)已投運的單機容量最大的抽水蓄能電站。電站主要承擔南方電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、緊急事故備用等任務。

2 抽水抽蓄機組推力軸承較常規(guī)機組特點

推力軸承通常被喻為水輪發(fā)電機組的心臟，高轉(zhuǎn)速、高推力負荷的抽水蓄能發(fā)電電動機推力軸承設備比起常規(guī)機組除了一些共同的設計特點外更具有其特殊性。

2.1 推力瓦支撐對稱布置

常規(guī)立式水輪發(fā)電機組是單方向旋轉(zhuǎn)，機組運行時為了便于推力瓦與鏡板之間形成楔形的油膜，推力瓦的支撐布置采用偏心布置，軸向偏心率大于0.50，通常為0.54～0.60。而抽水蓄能機組是雙向旋轉(zhuǎn)（順時針和逆時針），推力瓦的支撐布置需要采用中心對稱支撐布置軸向偏心率為0.50。

2.2 推力軸承PV值大損耗大

抽水蓄能機組PV值比常規(guī)立式機組大很多。比如，清遠抽水蓄能機組的推力瓦平均周速49.48m/s、推力瓦平均面壓4.02MPa，發(fā)電電動機推力軸承的PV值達198.91MPa.m/s，三峽單機容量700MW機組的PV值才90.9MPa.m/s。

2.3 機組工況轉(zhuǎn)換多、啟動頻繁

常規(guī)機組是單一的旋轉(zhuǎn)方向，而抽水蓄能機組設計有發(fā)電、抽水等7種運行工況，在機組頻繁轉(zhuǎn)換工況的過程中，推力軸承瓦要承受著推力鏡板的正向和反向旋轉(zhuǎn)沖擊。

3 其他彈簧簇推力軸承結(jié)構(gòu)

3.1 天荒坪抽水蓄能電站彈簧簇推力軸承

天荒坪抽水蓄能電站電動發(fā)電機是 GE公司設計和制造的，其推力軸承采用有預壓彈簧簇彈性支撐結(jié)構(gòu)。10塊雙層結(jié)構(gòu)推力軸瓦的上層是鑲有2.5mm巴氏合金的銅瓦，厚度38mm，下層為厚50mm的鋼托瓦，推力瓦下面密集放置46個帶有上下夾板和預壓螺桿的彈簧簇。彈簧剛度4035N/mm，預壓力770kg，壓縮量為1.91mm， 最大推力作用下推力軸承壓縮量約為1.3mm。天荒坪抽水蓄能電站已經(jīng)投產(chǎn)20多年，推力瓦溫一般不超過60oC，溫差小于3oC，能夠滿足機組長期安全穩(wěn)定運行的要求，但是每次大修還是時有發(fā)現(xiàn)少數(shù)彈簧簇有損傷甚至斷裂的狀況。

3.2 仙游抽水蓄能電站碟簧簇推力軸承

仙游抽水蓄能電站電動發(fā)電機是東方電機設計和制造的，其推力軸承采用有預壓碟簧簇推力支撐結(jié)構(gòu)。12塊雙層結(jié)構(gòu)推力軸瓦的上層是鑲有巴氏合金的鋼瓦，厚度50mm，下層為厚70mm的鋼托瓦，每塊軸瓦下面密集放置66個帶有上下夾板和預壓螺桿的碟簧簇。彈簧剛度7000N/mm，預壓力5000kg，見圖2。仙游抽水蓄能電站發(fā)電機2013年投產(chǎn)以來，在各個工況，油膜厚度均大于0.04mm，推力瓦溫RTD小于75℃，能夠滿足機組長期安全穩(wěn)定運行的要求。

4 清遠抽水蓄能電站推力軸承

4.1 推力軸承結(jié)構(gòu)

清遠抽水蓄能的推力軸承設置在下機架處，它由推力頭、鏡板、推力軸承座、推力彈簧底座、推力彈簧、推力瓦、鏡板和相關(guān)附件組成。其中，推力頭與下端軸是一個整體，在廠內(nèi)整體加工而成；鏡板與推力頭通過螺栓把合在一起；推力瓦、彈簧和彈簧底座通過止動板連在一起，形成一個相對的整體彈性結(jié)構(gòu)；彈簧底座與推力軸承座無螺栓把合，但通過2顆φ60mm銷釘進行定位。整個推力軸承固定在下機架上，下導軸承安裝在推力軸承上方，與推力軸承共用推力頭，采用的是支柱螺栓式分塊瓦軸承結(jié)構(gòu)形式。

圖4為推力軸承結(jié)構(gòu)圖。

推力軸承設有12塊巴氏合金推力瓦，推瓦長寬比L/B≈1，瓦上層鑲有4mm厚的巴氏合金的軸瓦，瓦厚120mm。由于單個推力瓦面積大，承受的PV值也較大，所產(chǎn)生的熱量較多，為此，推力瓦均設置6個散熱通孔。瓦內(nèi)外徑側(cè)四角均進行了倒角，以減少瓦面冷卻潤滑油的循環(huán)阻力，適應機組雙向旋轉(zhuǎn)需要。

推力瓦的小彈簧有分繞制和機械加工兩種，而清遠抽水蓄能電站采用分繞制推力彈簧工藝。每塊推力瓦下有34個帶有無預壓螺旋彈簧簇，每個彈簧的高度為51.41mm，直徑為φ65mm，額定受力2T以上；推力瓦的最大負荷可達1009.5T。彈簧簇采用中心對稱布置方式，保證每塊瓦推力彈簧合力中心和推力瓦受力中心位置基本一致（具體布置形式如圖5所示）。推力彈簧兩側(cè)裝設的止動塊，以及推力瓦兩側(cè)的間隔塊，可使推力彈簧始終與推力瓦處于最佳組合狀態(tài)。

對于推力瓦與推力瓦間隔塊之間間隙，要控制在0.50～0.70mm，以保證推力瓦在運行中能夠靈活擺動形成潤滑油膜，擋塊同時起到承受推力瓦周向力作用。推力瓦外徑側(cè)在底座與推力瓦間設置了2塊止浮板（如圖6所示），以防止推力瓦在徑向和軸向發(fā)生竄動，但要確保推力瓦能自由上下浮動。

整個軸承浸在潤滑油中，依靠推力鏡板旋轉(zhuǎn)的粘帶作用，在瓦面和鏡板之間形成動壓油膜。

4.2 推力軸承解析

清遠抽水蓄能電站推力瓦的油膜，運用三維熱彈流計算分析軟件分析。在發(fā)電工況額定運行時，重點對油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力分布特性進行了解析。其中，水泵工況反向旋轉(zhuǎn)解析特性相似。見圖7。

從解析圖8可以看出，油膜厚度呈現(xiàn)出良好的連續(xù)、均勻、動態(tài)的楔形收斂過程，最小油膜厚度達到40μm以上，而在瓦面的周向中心位置最小油膜厚度達到8μm，瓦面的大部分溫度在60℃左右，最高油膜溫度出現(xiàn)在推力瓦出油邊的局部區(qū)域，總體推力瓦油膜溫升不大，對推力瓦和推力鏡板造成的熱凸變形值是在一定的范圍。油膜壓力的瓦體變形是按推力瓦周向緩慢加深，在瓦周向60%左右達到最大后又開始周向變淺徑向縮小直至瓦出油側(cè)，推力瓦體熱凸變形和同于油膜壓力而產(chǎn)生的彈性變形可以相互抵消部分變形，說明采用彈簧簇支撐方式的推力瓦具有良好的適應瓦面綜合變形特性。

4.3 推力軸承油循環(huán)

清遠抽水蓄能電站推力瓦和下導瓦共用一個油槽，采用機坑外油冷卻循環(huán)系統(tǒng)。循環(huán)冷卻油從油槽內(nèi)擋圈注入，經(jīng)推力軸承底座后，順著彈簧和推力瓦的散熱通孔流至油槽外側(cè)。為避免冷油直接流至油槽外，軸承臺座上設置封油板。這樣可比較充分地將推力瓦、彈簧簇和下導瓦在運行時所產(chǎn)生的熱量帶走。另外，增加了一個輔助油槽，以保證在油泵啟停的時候，油槽冷卻水中斷后，假設油槽與外界不發(fā)生熱交換即所有損耗均被油槽吸收，按油槽總油量12000L，當冷卻水中斷15min后，在最惡劣的假設之下，油溫從額定的45℃增大到61℃；推力瓦的溫度從額定時的69.2℃增大到79.9℃，可以保證“冷卻器的冷卻水中斷時，機組在額定轉(zhuǎn)速下帶額定負荷無損運行15min，并安全停機”的合同要求。推力承軸油循環(huán)系統(tǒng)見圖9。

4.4 推力軸承安裝與檢修

清遠抽水蓄能電站無預壓縮型彈簧簇支撐方式一個特點就是安裝與檢修比較方便。推力軸承上使用的每一個彈簧都需要經(jīng)過特別嚴格的監(jiān)測和探傷，無論彈性系數(shù)還是外形尺寸，必須經(jīng)過專用程序嚴格按瓦按機組挑選分組。無預壓縮型小隙調(diào)整完成。推力瓦及其固定連接附件工廠內(nèi)預裝調(diào)整編號，推力彈簧現(xiàn)場按分組方案布置，可以縮短現(xiàn)場安裝工期。據(jù)廠家資料，由于彈簧簇的壓縮量達到2.69mm（54.1-51.41=2.69mm），機組空載/額定負載/最大推力負載時的水輪機轉(zhuǎn)輪中心與導水機構(gòu)中心的高程差達到1.3～1.5mm，安裝的時候下機架的高程與最終軸承使用時彈簧高度對應，安裝時將下機架高程調(diào)整高出1.07mm（52.48-51.41=1.07mm，機架撓度等計算之外），也就是彈簧座的高度是按運行時的高度來設計的。

推力軸承的檢修是使用特殊的轉(zhuǎn)動和運輸工具來完成，下機架油槽壁在180o對稱位置開出2個檢修窗口。推力軸承支撐臺設計為上下分開兩部分，檢修推力瓦是頂起轉(zhuǎn)子提起推力鏡板，在旋轉(zhuǎn)軸承臺底部打入高壓油利用特殊工具轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸承臺，選擇需要檢修的推力瓦將推力瓦由檢修窗口抽出檢查，推力瓦檢修后的安裝程序與抽出程序相反即可。推力瓦和下導瓦共用一個油槽，采用機坑外循環(huán)油冷卻系統(tǒng)增大油槽內(nèi)部空間方便檢修。

4.5 推力軸承運行情況

清遠抽水蓄能電站2015年10月～2016年7月，1、2、3號機組先后投放商業(yè)運行，幾臺機組推力軸承瓦溫監(jiān)測的數(shù)據(jù)基本一致，推力軸承運行正常，瓦溫穩(wěn)定，性能指標達到了設計與目標值。以3號機組發(fā)電工況與抽水工況RTD瓦溫運行穩(wěn)定后監(jiān)控數(shù)據(jù)為例，抽水工況，最高瓦溫63.3℃，而發(fā)電工況最高瓦溫59.3℃，大部分RTD傳感器裝在軸瓦中部，其溫差小于3℃，抽水工況進出油溫差11℃左右，而發(fā)電工況進出油溫差6.7℃，說明抽水工況推力軸承瓦溫較發(fā)電工況略高，抽水工況運行時，轉(zhuǎn)輪向上的軸向水推力相對要小，隨著揚程的逐步增大，機組總體向下的軸向水推力可能較之發(fā)電工況明顯會大很多且無明顯波動，這也就是造成水泵工況推力瓦溫相對發(fā)電工況要高的主要成因。但推力軸承瓦溫最大值均小于64℃，小于要求值75℃，可以滿足機組運行性能的要求，可以長期、安全穩(wěn)定運行，見圖10和圖11。

5 結(jié)束言

推力軸承是高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量抽水蓄能機組設計的難點，從幾個電站運行經(jīng)驗表明，彈簧簇結(jié)構(gòu)形式的推力軸承是比較可靠的。清遠抽水蓄能電站的推力軸承運行情況表明可以滿足機組長期、安全穩(wěn)定運行要求，其采用的無預壓小彈簇支撐結(jié)構(gòu)有較大應用推廣價值，其特點歸納如下：

（1）彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)為多點支撐，主承載區(qū)油膜較厚，承載區(qū)域較大，整體支撐剛度強，運行平穩(wěn)。

（2）小彈簧的彈性變形能自動調(diào)節(jié)推力瓦在油膜壓力作用下產(chǎn)生的凹變形，各軸瓦溫差小于3℃，說明瓦壓力分布均勻，壓力峰值小，承載能力大。

（3）在較寬的推力負荷范圍下，各工況下，進出油油膜溫差小于11℃，出油側(cè)RTD溫度小于63℃，油膜溫度變化幅度小，油膜厚度變化幅度小。

（4）電站現(xiàn)場安裝不需要調(diào)整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。相對于其他兩種預壓結(jié)構(gòu)，無預壓小彈簧簇有以下優(yōu)點：①小彈簧一次加工成型，無須二次組裝，制造周期短；②結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便；③彈簧高度精度高，受力均勻。

[1]DL/T 293—2011抽水蓄能可逆式水泵水輪機運行規(guī)程[S]． 北京：中國電力出版社，2011．DL/T 293—2011 Code of operation of reversible pump-turbine of pumped storage[S]． Beijing： China electric power press， 2011．

[2]梅祖彥．抽水蓄能技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000．MEI Yanzu． Technology of pumped storage[M]． Beijing： China Machine Press， 2000．

[3]何少潤．天荒坪抽水蓄能電站彈簧簇支撐式推力軸承剖析[J]．水電站機電技術(shù)，1999， 4．HE Shaorun． The analysis of spring cluser spported thrust bearing in Tianhuangping punped storage station[J]． Electromechanical technology of hydropower station， 1999， 4．

[4]胡建文．推力軸承小彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)[J]． 大電機技術(shù)， 1997，6．HU Jianwen． The small springs cluser supported structure of thrust bearing[J]． Large electric machine and hydraulic turbine， 1997， 6．

[5]吳鵬．小彈簧簇多點支撐結(jié)構(gòu)在大型推力軸承上的應用[J]． 水力發(fā)電，2013，04．WU Peng． The application of small spring cluser and multiply supporting structure for thrust bearing[J]． Water Power，2013，04．

2016-07-11

2016-07-25

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。E-mail：542120791@qq．com

楊小龍，男，工程師，主要研究方向：電站生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

程振宇，男，學士，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。

黃運福，男，學士，主要研究方向：電站機電設備安裝管理工作。

Small Springs Cluser Without Preloading Supported Thrust Bearings Used in Qingyuan Pumped Storage Powerplant

CHEN Hongyu1，YANG Xiaolong2，CHENG Zhengyu1，HUANG Yunfu1
（Qingyuan Pumped Storage Power Co. Ltd，Qingyuan 511853，China； Power generation company of China Southern Power grid Co.Ltd， Guangzhou 510640， China）

The thrust bearing is one of the core components of turbine generator， turbine generator motor set under combined loads all rotating parts and the weight of the water thrust structure，this paper introduces and analyzes the Qingyuan pumped storage units without the application of preloading springs support the thrust bearing， no preloading supporting structure of small bomb cluster is Toshiba mining technology the power station installation does not need to adjust the spring force， and the tile surface， convenient installation.

pumped storage unit； thrust bearing； no preloaded small spring cluster support； high speed large capacity； application

TV743

A學科代碼：570．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．015