朱忠英，施明星

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

對于轉(zhuǎn)速較高的立式水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計一般選用懸式結(jié)構(gòu)。懸式結(jié)構(gòu)，即推力軸承位于轉(zhuǎn)子上方，布置在上機(jī)架上，通過推力頭將整個機(jī)組轉(zhuǎn)動部分懸掛起來，并承受來自水力機(jī)械的軸向推力[1]。懸式機(jī)組推力頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸式機(jī)組推力頭結(jié)構(gòu)Fig．1 Thrust block structure of suspended type unit

不管是常規(guī)懸式機(jī)組還是大容量抽水蓄能機(jī)組，推力頭的結(jié)構(gòu)與作用基本一致。然而二者在推力頭與軸身的配合緊量設(shè)計方面卻有些不同。常規(guī)機(jī)組推力頭軸孔配合一般都采用基孔制過渡配合，既可以有輕微間隙，亦可有輕微過盈的配合[2]。而懸式抽水蓄能機(jī)組推力頭軸孔配合一般采用有緊量的過盈配合。那人們不禁要問，為什么推力頭的結(jié)構(gòu)與作用一致，而推力頭與軸身的配合卻采用不同的設(shè)計緊量？這也是本文主要探討的問題。

1 蓄能機(jī)組推力頭與軸身過盈配合原因分析

在回答上述問題之前，首先要對推力頭的受力情況有一個比較清楚的認(rèn)識。推力頭與軸身采用過盈配合時，配合緊量可以用來傳遞軸向力、扭矩力；推力頭受到徑向作用力時，推力頭與軸身之間可以保持相對靜止。下面逐條分析蓄能機(jī)組是否需要過盈配合帶來的這些作用。

1.1 推力頭承受軸向力

推力頭承受的軸向力主要包括機(jī)組轉(zhuǎn)動部件重量和水推力的作用。對于常規(guī)機(jī)組而言，由于推力頭與軸身之間一般存在間隙，推力頭承受的軸向力全部通過卡環(huán)傳遞給軸頭。蓄能機(jī)組推力頭與軸身間保持過盈配合，推力頭承受的一部分軸向力由推力頭與軸身緊量產(chǎn)生的摩擦力承受，一部分通過卡環(huán)傳遞給軸頭。一般抽水蓄能機(jī)組容量大推力負(fù)荷大，過盈量的設(shè)計一定程度上可以減輕軸頭的受力。不過考慮到過盈配合緊量受加工質(zhì)量、溫度變化、冷縮均勻性等多種因素影響，傳遞受力的穩(wěn)定性不高。且通過對已投運懸式蓄能機(jī)組的統(tǒng)計，推力頭與軸身間過盈量一般不大，所能夠分擔(dān)的機(jī)組推力負(fù)荷有限，見表1。并且通過優(yōu)化軸頭結(jié)構(gòu)與卡環(huán)尺寸，軸頭完全可以獨立承受機(jī)組的推力負(fù)荷，因此用來傳遞機(jī)組軸向力不是蓄能機(jī)組推力頭與軸身間保持過盈配合的必要條件。

表1 蓄能電站相關(guān)計算Tab.1 Calculation of some pumped storage power stations

1.2 推力頭承受扭矩力

推力頭承受的扭矩力主要包括機(jī)組推力軸承瓦和上導(dǎo)瓦（如有）潤滑摩擦力產(chǎn)生的扭矩。推力頭與軸身之間一般設(shè)置有平鍵，推力頭承受的扭矩力可以通過平鍵傳遞給軸身。由于平鍵的存在，推力頭與軸身之間靠過盈緊量來傳遞扭矩的設(shè)計也顯得不是那么必要。有學(xué)者指出，考慮到平鍵與鍵槽之間存在裝配間隙，蓄能機(jī)組雙向旋轉(zhuǎn)會造成推力頭鍵槽的交變受力，而平鍵只能適應(yīng)單向傳扭，因此有必要保留推力頭與軸身之間的過盈量來傳遞扭矩。但筆者更加認(rèn)同文獻(xiàn)[2]作者的觀點：推力頭與上導(dǎo)瓦和推力軸承瓦的摩擦為潤滑摩擦，摩擦系數(shù)極小，產(chǎn)生的摩擦力矩可以被推力頭與卡環(huán)之間的干摩擦力矩平衡，不會造成鍵槽的交變受力。因此，傳遞扭矩也不是蓄能機(jī)組的推力頭與軸身間保持過盈配合的主要原因。這一點可以從已投運某電站抽水蓄能機(jī)組推力頭結(jié)構(gòu)來側(cè)面說明，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該蓄能機(jī)組推力頭與軸身間采用軸向銷來傳遞扭矩，但其推力頭與軸身之間仍然保留了過盈量（0.10～0.13mm）。

1.3 推力頭承受徑向力

對于推力軸承兼做上導(dǎo)軸承軸領(lǐng)的機(jī)組，推力頭將承受機(jī)組機(jī)械不平衡力和偏心磁拉力在上導(dǎo)軸承的分力。如果機(jī)組推力頭與軸身之間存在間隙，安裝時可能造成推力頭與軸身不同心現(xiàn)象的存在，如圖3所示。二者如果不同心會加大機(jī)組運行時的擺度值[3]。機(jī)組運行時，間隙的存在也會使機(jī)組在機(jī)械不平衡力與磁拉力的作用下擺度不穩(wěn)定。因此，減少這種影響才是對安全穩(wěn)定運行有更高要求的蓄能機(jī)組推力頭與軸身間保持過盈配合的主要考慮。常規(guī)懸式機(jī)組因容量較小，機(jī)組的機(jī)械不平衡力與磁拉力相比蓄能機(jī)組而言也偏低，從安裝檢修方便的角度考慮，只要保證推力頭與軸身之間的間隙合適，機(jī)組也可以保證穩(wěn)定運行。

圖2 某電站抽水蓄能機(jī)組推力頭結(jié)構(gòu)Fig．2 Thrust block structure of a pumped storage power station

綜上分析，常規(guī)機(jī)組與蓄能機(jī)組推力頭與軸身緊量的設(shè)計原則本質(zhì)上并無區(qū)別，只是從機(jī)組安裝檢修的方便性與機(jī)組運行的安全穩(wěn)定性進(jìn)行合理取舍的不同設(shè)置而已。

抽水蓄能機(jī)組作為電力系統(tǒng)的快速反應(yīng)部隊。機(jī)組安全穩(wěn)定運行是其第一要求，因此，蓄能機(jī)組保持推力頭與軸身之間的過盈量是有必要的。但過盈量的設(shè)計目前并沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。蓄能機(jī)組推力頭與軸身之間的過盈量不宜過大，這是因為安裝時，過盈配合的推力頭與軸身需采用熱套的方法安裝。過盈量越大，不僅所需的加熱設(shè)備容量越大，還會因推力頭加熱的均勻性較難保證，使推力頭冷卻收縮不均勻，造成軸線調(diào)整過程中盤車數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定[4]。甚至有些機(jī)組，盤車時數(shù)據(jù)合格，但頂落一次轉(zhuǎn)子或運行一段時間后機(jī)組軸線會發(fā)生較大變化。因此，推力頭過盈量的選取應(yīng)該按照最小過盈量設(shè)計，從而減少過盈配合帶來的這些副作用。

圖3 推力頭與軸身間隙配合偏差示意圖Fig．3 Schematic diagram for deviation of clearance fit between thrust block and shaft body

2 蓄能機(jī)組推力頭與軸身配合緊量設(shè)計

蓄能機(jī)組推力頭與軸身之間的最小過盈量δmin的設(shè)計可以從推力頭的結(jié)構(gòu)來確定。在不考慮過盈緊量傳遞軸向力的情況下，推力頭與軸身之間的過盈量最小值δmin產(chǎn)生的軸向力應(yīng)能承受機(jī)組推力頭和鏡板的重量之和。這樣的設(shè)計能夠使推力頭始終保持與卡環(huán)的緊密接觸，在機(jī)組頂落轉(zhuǎn)子過程中，能夠有效防止由于載荷的變化造成機(jī)組軸線變化。因此，推力頭與軸身之間最小過盈量可根據(jù)以下公式來選取。

式中Fmin—— 推力頭與軸身軸向脫出時施加的最小軸向力，N；

G——推力頭和鏡板的重量之和，kg；

g——常量，一般取9.8N/kg。

因此要求：

式中p——推力頭與軸身結(jié)合面壓力值，MPa；

df——推力頭與軸身結(jié)合面直徑，mm；

lf——推力頭與軸身結(jié)合面長度，mm；

μ——推力頭與軸身結(jié)合面摩擦系數(shù)。

推力頭與軸身結(jié)合面二者之間的壓力p與過盈量δ的關(guān)系，可將推力頭和軸身簡化為厚壁圓筒彈性過盈配合的問題來推導(dǎo)[5]。

式中δ——推力頭與軸身裝配過盈量，mm；

Ea——推力頭材料彈性模量，MPa；

Ei——主軸材料彈性模量，MPa；

Ca——推力頭的剛性系數(shù)，可按下式計算：

Ci——軸身的剛性系數(shù)，可按下式計算：

da——推力頭外圓直徑（與軸身結(jié)合段），mm；

di——軸身內(nèi)圓直徑（與推力頭結(jié)合段），mm；

v——泊松比，一般取值0.3。

3 蓄能機(jī)組推力頭安裝注意事項

如前所述，常規(guī)機(jī)組推力頭與軸身之間一般存在間隙，安裝時可以采用冷壓安裝亦可熱套安裝，但推力頭與軸系的位置度靠加工精度保證，不受推力頭熱漲收縮影響。

蓄能機(jī)組由于推力頭與軸身之間配合緊量的存在，推力頭安裝時需熱套。推力頭的熱漲收縮會對機(jī)組軸線調(diào)整帶來不便。因此其推力頭熱套安裝時應(yīng)注意以下事項：

（1）推力頭熱套安裝時需準(zhǔn)確測量推力頭的熱漲量；

（2）推力頭熱套安裝時注意加熱的均勻性；

（3）推力頭熱套后需保證轉(zhuǎn)子在自由狀態(tài)下冷卻；

（4）推力頭在冷卻過程中需保證其與卡環(huán)及卡環(huán)與軸頭之間接觸良好；

（5）對于轉(zhuǎn)子落在推力軸承上冷卻的推力頭，需在冷卻后頂落一次轉(zhuǎn)子使推力頭應(yīng)力釋放后再盤車。

4 結(jié)束語

對于懸式抽水蓄能機(jī)組而言，推力頭與軸身之間過盈量的設(shè)計，雖然給安裝調(diào)整軸線帶來了麻煩，但從保證機(jī)組安全穩(wěn)定運行的角度來說是必要的。只要對推力頭與軸身之間過盈量做到準(zhǔn)確設(shè)計，就能有效的發(fā)揮過盈聯(lián)接的作用，并將其帶來的不良影響降到最低。

[1] 白延年．水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計與計算[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社1982．BAI Yannian．Design and calculation of hydroelectric generator[M]．China Machine Press，1982．

[2] 田磊磊，呂省三．關(guān)于推力頭軸孔配合標(biāo)準(zhǔn)的討論[J]．上海大中型電機(jī)，2004（3）:28～31．TIAN Leilei，LV Shengsan．Discussion on the matching standard of thrust block and shaft body[J]．Shanghai Medium and Large Electrical Machines，2004（3）:28～31．

[3] 于剛，姜敏，姜明杰．推力頭外圓與內(nèi)孔不同心度對水輪發(fā)電機(jī)組軸線測量的影響[J]．制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2001（4）:57～59．YU Gang，JIANG Min，JIANG Mingjie．The influence of non-concentricity of the thrust block on axis measurement of the hydraulic turbine generator unit [J]．Refrigeration Air Conditioning & Electric Power Machinery，2001（4）:57～59．

[4] 李崇威．抽水蓄能機(jī)組軸線結(jié)構(gòu)對軸線調(diào)整的影響[J]．水電站機(jī)電技術(shù)，2015（S1）:14～18．Li Chongwei．Influence of axis structure of pumped storage unit on axis alignment[J]．Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station，2015（S1）:14～18．

[5] 成大先．機(jī)械設(shè)計手冊（第五版）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．CHENG Daxian．Handbook of mechanical design（fifth edition）[M]．Bingjing:Chemical Industry Press，2007．