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(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

半傘式水輪發(fā)電機(jī)推力軸承系統(tǒng)計(jì)算與分析

宋成宇，郭宏亮

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

半傘式水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承系統(tǒng)承載整個(gè)發(fā)電機(jī)組的軸向負(fù)荷。對(duì)推力軸承系統(tǒng)運(yùn)行特性的精確計(jì)算是半傘式水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。以某電站半傘式水輪發(fā)電機(jī)推力軸承為對(duì)象，對(duì)發(fā)電機(jī)推力系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力等運(yùn)行特性進(jìn)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(jì)提供參考。

半傘式水輪發(fā)電機(jī)；推力軸承系統(tǒng)；油膜；推力瓦

0 引言

半傘式水輪發(fā)電機(jī)由立軸、密閉自循環(huán)空氣冷卻三相凸極同步發(fā)電機(jī)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(dú)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(jī)組運(yùn)行的軸向推力，包括發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量和水輪機(jī)的水推力。因此推力軸承系統(tǒng)是半傘式水輪發(fā)電機(jī)的重要組成部分，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性直接決定半傘式水輪發(fā)電機(jī)是否穩(wěn)定可靠運(yùn)行。近年來(lái)，半傘式水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量逐年上升，機(jī)組的推力負(fù)荷也隨之增加，因此對(duì)推力軸承系統(tǒng)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格[1]?？梢哉f(shuō)推力軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)代表著半傘式水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平。

1 推力軸承系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算

半傘式水輪發(fā)電機(jī)推力軸承系統(tǒng)承擔(dān)機(jī)組軸向負(fù)荷，推力潤(rùn)滑計(jì)算是半傘式水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)推力軸承瓦計(jì)算尺寸如圖3所示。

根據(jù)推力潤(rùn)滑計(jì)算程序?qū)ν屏S承系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此算法是根據(jù)給定的水輪機(jī)水推力和半傘式水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量，選定推力瓦塊數(shù)、內(nèi)、外徑、長(zhǎng)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(yùn)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(jì)推力軸承系統(tǒng)，這些參數(shù)值需在工程經(jīng)驗(yàn)的取值范圍內(nèi)[2]。

圖1半傘式水輪發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)推力軸承瓦計(jì)算尺寸

推力軸承系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)確定方法如下

推力瓦單位壓力

式中，F(xiàn)—機(jī)組推力負(fù)荷(t)；m—推力瓦數(shù)量；A—單個(gè)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(jī)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線確定；λ—潤(rùn)滑油平均粘度(kg f·s/mm2)；α—推力瓦夾角(°)。

潤(rùn)滑油流過(guò)推力瓦面后的溫升

式中，φt—推力軸承計(jì)算系數(shù)，通過(guò)查詢實(shí)驗(yàn)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(lái)確定；γ—潤(rùn)滑油比重(kgf/mm3)；C—潤(rùn)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(guò)查詢實(shí)驗(yàn)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(gè)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(rùn)滑油流過(guò)瓦面后的溫升，并且潤(rùn)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(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致油膜厚度偏低、油溫過(guò)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(jī)機(jī)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(duì)機(jī)組的運(yùn)行也就越有利。但推力瓦平均周速過(guò)大將使推力軸承損耗加大，加重冷卻器負(fù)擔(dān)、降低機(jī)組效率、使得推力支承部件的熱變形加大，因此在建立動(dòng)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(shí)楔形油膜的斜度(潤(rùn)滑油進(jìn)出軸瓦時(shí)油膜的厚度)也會(huì)隨之減小。工程中通過(guò)理論分析計(jì)算及實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(duì)潤(rùn)滑油溫升等運(yùn)行特性值有直接的影響。

潤(rùn)滑油作為推力軸承系統(tǒng)運(yùn)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(rùn)滑油粘度、推力瓦平均周速、推力瓦單位壓力等多個(gè)因素共同決定，若油膜厚度設(shè)計(jì)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(jī)組運(yùn)行安全性，若油膜厚度設(shè)計(jì)值選取過(guò)大則又會(huì)造成軸承系統(tǒng)潤(rùn)滑性能的浪費(fèi)，因此選擇的油膜厚度應(yīng)在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)。依據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，油膜厚度應(yīng)大于0.04mm，同時(shí)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(rùn)滑計(jì)算還應(yīng)重點(diǎn)考慮潤(rùn)滑油溫升、推力軸承損耗這兩個(gè)參數(shù)值。潤(rùn)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(jī)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(rùn)滑油溫升控制在安全范圍內(nèi)，推力瓦采用埋置檢溫計(jì)法來(lái)測(cè)量溫度，此溫度值不超過(guò)55℃[3]。

推力軸承損耗值不但對(duì)半傘式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的效率有一定影響，而且影響潤(rùn)滑油油量和冷卻器功率，進(jìn)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(yùn)行參數(shù)分析

按照上訴計(jì)算方法計(jì)算某電站的推力軸承系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。此電站的半傘式水輪發(fā)電機(jī)及推力軸承系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電站半傘式水輪發(fā)電機(jī)及推力軸承主要參數(shù)

在機(jī)組額定參數(shù)確定后，根據(jù)上述計(jì)算方法，得到推力瓦不同結(jié)構(gòu)尺寸下的油膜運(yùn)行特性計(jì)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(shì)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(jī)推力軸承推力瓦結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表2。采用此方案得到的推力軸承性能計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)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(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

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

(1)推力軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)潤(rùn)滑計(jì)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(shí)，推力軸承系統(tǒng)的性能可滿足常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的需要。

(2)推力軸承潤(rùn)滑油溫升需滿足國(guó)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(duì)溫度值的限定也會(huì)不同。

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

[1] 白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：機(jī)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(rùn)滑性能分析[J]. 潤(rùn)滑與密封, 1995,1: 14-19.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 7894—2009 水輪發(fā)電機(jī)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(jī)與電器專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2017-06-03