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(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

半傘式水輪發(fā)電機推力軸承系統(tǒng)計算與分析

宋成宇，郭宏亮

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

半傘式水輪發(fā)電機的推力軸承系統(tǒng)承載整個發(fā)電機組的軸向負(fù)荷。對推力軸承系統(tǒng)運行特性的精確計算是半傘式水輪發(fā)電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。以某電站半傘式水輪發(fā)電機推力軸承為對象，對發(fā)電機推力系統(tǒng)主要運行參數(shù)進行了計算，對油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力等運行特性進行了分析。所得結(jié)論可為同類型推力軸承系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

半傘式水輪發(fā)電機；推力軸承系統(tǒng)；油膜；推力瓦

0 引言

半傘式水輪發(fā)電機由立軸、密閉自循環(huán)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機組成。其軸承系統(tǒng)包括上導(dǎo)軸承，推力軸承和下導(dǎo)軸承，通常在轉(zhuǎn)子下方設(shè)置獨立的推力油槽。內(nèi)循環(huán)推力軸承系統(tǒng)由推力頭、鏡板、彈性金屬塑料瓦、彈性油箱支撐、抽屜式冷卻器等部件組成。該系統(tǒng)承受發(fā)電機組運行的軸向推力，包括發(fā)電機的轉(zhuǎn)動部分重量和水輪機的水推力。因此推力軸承系統(tǒng)是半傘式水輪發(fā)電機的重要組成部分，該系統(tǒng)設(shè)計的合理性直接決定半傘式水輪發(fā)電機是否穩(wěn)定可靠運行。近年來，半傘式水輪發(fā)電機單機容量逐年上升，機組的推力負(fù)荷也隨之增加，因此對推力軸承系統(tǒng)的要求也越來越嚴(yán)格[1]?？梢哉f推力軸承系統(tǒng)的設(shè)計代表著半傘式水輪發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展水平。

1 推力軸承系統(tǒng)運行參數(shù)計算

半傘式水輪發(fā)電機推力軸承系統(tǒng)承擔(dān)機組軸向負(fù)荷，推力潤滑計算是半傘式水輪發(fā)電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。推力軸承系統(tǒng)中推力油槽如圖1所示。內(nèi)循環(huán)推力軸承系統(tǒng)如圖2所示，半傘式水輪發(fā)電機推力軸承瓦計算尺寸如圖3所示。

根據(jù)推力潤滑計算程序?qū)ν屏S承系統(tǒng)進行設(shè)計，此算法是根據(jù)給定的水輪機水推力和半傘式水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分重量，選定推力瓦塊數(shù)、內(nèi)、外徑、長寬比、推力載荷支承半徑等結(jié)構(gòu)尺寸，并依據(jù)摩擦學(xué)及流體學(xué)相關(guān)理論，求解出推力軸承系統(tǒng)的主要運行參數(shù)值，包括推力瓦單位壓力、平均周速、偏心率、出口邊最小油膜厚度及最小瓦間距。為合理的設(shè)計推力軸承系統(tǒng)，這些參數(shù)值需在工程經(jīng)驗的取值范圍內(nèi)[2]。

圖1半傘式水輪發(fā)電機軸承系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2半傘式水輪發(fā)電機推力軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3半傘式水輪發(fā)電機推力軸承瓦計算尺寸

推力軸承系統(tǒng)主要運行參數(shù)確定方法如下

推力瓦單位壓力

式中，F(xiàn)—機組推力負(fù)荷(t)；m—推力瓦數(shù)量；A—單個推力瓦面積 (cm2)。

推力瓦平均周速

式中,D—推力瓦平均直徑(cm)；nN—機組額定轉(zhuǎn)速(r/min)。

推力瓦支承直徑

式中，β—推力瓦內(nèi)外徑比值；D2—推力瓦外徑(cm)。

推力瓦周向偏心率

e=(0.04～0.1)l(cm)

式中，l—推力瓦周向長度 (cm)。

推力瓦出口邊最小油膜厚度

式中，φp—推力軸承負(fù)載系數(shù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合曲線確定；λ—潤滑油平均粘度(kg f·s/mm2)；α—推力瓦夾角(°)。

潤滑油流過推力瓦面后的溫升

式中，φt—推力軸承計算系數(shù)，通過查詢實驗數(shù)據(jù)擬合曲線并綜合考慮推力軸承負(fù)載系數(shù)、摩阻系數(shù)、循環(huán)系數(shù)來確定；γ—潤滑油比重(kgf/mm3)；C—潤滑油比熱容 (kcal/(kgf·℃))。

推力軸承總損耗

式中，φμ—推力軸承摩阻系數(shù)，通過查詢實驗數(shù)據(jù)擬合曲線獲得。

從上述分析可知，推力瓦單位壓力由推力負(fù)荷、 推力瓦數(shù)量及單個推力瓦扇形面積決定，而推力瓦的單位壓力直接關(guān)系到油膜厚度和潤滑油流過瓦面后的溫升，并且潤滑油溫升與推力瓦的單位壓力近似成正比關(guān)系，油膜厚度與推力瓦單位壓力成反比關(guān)系，因此在推力負(fù)荷一定的情況下，推力瓦面積選取過小時會導(dǎo)致油膜厚度偏低、油溫過高；推力瓦平均周速主要取決于推力瓦平均直徑和半傘式水輪發(fā)電機機組額定轉(zhuǎn)速，從公式中可以看出，推力瓦平均周速越大則油膜的厚度越大，對機組的運行也就越有利。但推力瓦平均周速過大將使推力軸承損耗加大，加重冷卻器負(fù)擔(dān)、降低機組效率、使得推力支承部件的熱變形加大，因此在建立動態(tài)油膜的基礎(chǔ)上應(yīng)該適當(dāng)降低推力瓦平均周速。

推力軸承瓦采用偏心支承形式，偏心率取值越小，則軸瓦的承載能力越容易滿足，但與此同時楔形油膜的斜度(潤滑油進出軸瓦時油膜的厚度)也會隨之減小。工程中通過理論分析計算及實驗數(shù)據(jù)獲得不同偏心率下推力軸承系統(tǒng)的各種系數(shù)分布曲線，選取不同偏心率并確定進出油邊的油膜厚度比，在分布曲線上確定相應(yīng)的負(fù)載系數(shù)、摩阻系數(shù)及循環(huán)系數(shù)等。偏心率對潤滑油溫升等運行特性值有直接的影響。

潤滑油作為推力軸承系統(tǒng)運行介質(zhì)，推力瓦與鏡板之間的油膜厚度直接影響到推力軸承系統(tǒng)的承載能力。而油膜厚度是由推力瓦外形尺寸、潤滑油粘度、推力瓦平均周速、推力瓦單位壓力等多個因素共同決定，若油膜厚度設(shè)計的偏小，則將降低油膜承載能力使得鏡板與推力瓦之間容易發(fā)生剛性摩擦，從而降低機組運行安全性，若油膜厚度設(shè)計值選取過大則又會造成軸承系統(tǒng)潤滑性能的浪費，因此選擇的油膜厚度應(yīng)在一個合理的區(qū)間內(nèi)。依據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗，為保證機組安全運行，油膜厚度應(yīng)大于0.04mm，同時為了使充分利用推力系統(tǒng)的承載能力，油膜厚度盡量不大于0.1mm。

除以上因素外，推力潤滑計算還應(yīng)重點考慮潤滑油溫升、推力軸承損耗這兩個參數(shù)值。潤滑油的溫升與推力瓦瓦面的溫度關(guān)聯(lián)密切，半傘式水輪發(fā)電機推力瓦若采用彈性金屬塑料瓦，瓦面材質(zhì)耐高溫能力不如烏金瓦，因此需要將潤滑油溫升控制在安全范圍內(nèi)，推力瓦采用埋置檢溫計法來測量溫度，此溫度值不超過55℃[3]。

推力軸承損耗值不但對半傘式水輪發(fā)電機機組的效率有一定影響，而且影響潤滑油油量和冷卻器功率，進而影響油槽尺寸和冷卻器的形式及尺寸。

2 推力軸承系統(tǒng)運行參數(shù)分析

按照上訴計算方法計算某電站的推力軸承系統(tǒng)運行參數(shù)。此電站的半傘式水輪發(fā)電機及推力軸承系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 電站半傘式水輪發(fā)電機及推力軸承主要參數(shù)

在機組額定參數(shù)確定后，根據(jù)上述計算方法，得到推力瓦不同結(jié)構(gòu)尺寸下的油膜運行特性計算結(jié)果，如圖4、圖5、圖6所示。由圖中可知，油膜厚度與油膜壓力及油膜溫度之間的分布趨勢是相互關(guān)聯(lián)的，并且確定最佳的塑料推力瓦尺寸。

圖4推力軸承油膜厚度分布圖

圖5推力軸承油膜壓力分布圖

圖6推力軸承油膜溫度分布圖

得到該半傘式水輪發(fā)電機推力軸承推力瓦結(jié)構(gòu)尺寸見表2。采用此方案得到的推力軸承性能計算結(jié)果，見表3。從表中可以看出，所選參數(shù)是合理的。

表2 推力瓦結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

表3 推力軸承性能計算結(jié)果

3 結(jié)語

本文以某電站半傘式水輪發(fā)電機推力支承系統(tǒng)為研究對象，應(yīng)用傳統(tǒng)解析算法和有限元方法對推力支承系統(tǒng)運行特性進行詳細(xì)分析和精確計算，得到以下結(jié)論。

(1)推力軸承系統(tǒng)設(shè)計合理與否的主要考核特性是推力瓦單位壓力及油膜厚度，通過對潤滑計算理論的分析總結(jié)，工程上認(rèn)為當(dāng)推力瓦單位壓力應(yīng)小于4MPa,油膜厚度需大于0.04mm時，推力軸承系統(tǒng)的性能可滿足常規(guī)水輪發(fā)電機組運行的需要。

(2)推力軸承潤滑油溫升需滿足國家標(biāo)準(zhǔn)或合同的要求，而且要考慮瓦面材質(zhì)的不同，對溫度值的限定也會不同。

運用以上方法分析計算云南某電站半傘式水輪發(fā)電機組推力軸承系統(tǒng)運行參數(shù)，得到的各項性能參數(shù)良好，滿足機組運行的需要。本文得到的結(jié)論，對半傘式水輪發(fā)電機組的研究具有指導(dǎo)意義。

[1] 白延年.水輪發(fā)電機設(shè)計與計算[M].北京：機械工業(yè)出版社, 1982.

[2] 趙紅梅,董毓新,馬震岳. 彈性金屬塑料瓦推力軸承潤滑性能分析[J]. 潤滑與密封, 1995,1: 14-19.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 7894—2009 水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件[M]: 3-7.

CalculationandAnalysisonThrustBearingSystemofHalf-UmbrellaHydroGenerator

SongChengyuandGuoHongliang

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The thrust bearing system of half-umbrella hydro generator bears the axial load of whole generator unit. The accurate calculation of operating characteristics of the system is one of the key techniques in design of half-umbrella hydro generator. Taking a thrust bearing of half-umbrella hydro generator in a Yunnan power station as a study object, the main operation parameters of the system were calculated, and the operation characteristics such as oil film thickness, oil film temperature and oil film pressure were analyzed. The obtained result can provide a reference for design of similar thrust bearing system.

Half-umbrella hydro generator；thrust bearing system；oil film；thrust pad

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.07

TM301.3

A

1008-7281(2017)06-0025-004

宋成宇女1984年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機與電器專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機設(shè)計工作.

2017-06-03