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　　第41卷第 1期 2015年 1月 水 力发 电 大型水轮发 电机组推力轴承 结构型式及特点 江晓林 ，卢进玉，陆 明，宾 斌 (中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002) 一 … 一 誊 蓦一囊 囊 蠹曩囊量 蔓： 摘 要：在众多大型水电站实际运行中’各种结构型式的推力轴承显示出了其各自的特点主要总结了以平衡块、 。 曩 曩糍叠 ∥搿 强 嘲一 液压弹性油箱、弹簧簇、刚性支柱簇0橡胶弹性垫为支承方式的推力轴承的结构型式及特点，并简要介绍了各种推 力轴承的运行情况，供大推力负荷推力轴承的设计、选型和运行参考。 关键词 ：水 电站 ；推力轴承 ；结构型式；特点 JIANGXiaolin，LUJinyu，LUMing，BINBin AbstractEachkindofthrustbearingshowsitsowncharacteristicsin actualoperationofmanylargehydropowerstations． Thestructuresandcharacteristicsofdifferenttypesofthrustbeatingwithheavythrustloadaresummarized，includingthe thrustbearingwithbalancingplate，thethrustbearingwithelasticoilsump，thethurstbearingwithmultipledistributioncoil springs，thehturstbearingwithpinsandthethurstbearingwithurbberspringplate．Theoperationofthesethurstbearings 舡ealsoanalyzedtoprovideareferenceforhtedesign，selectionandoperationofthurstbearing． KeyWords：hydropowerstation；hturstbearing；s咖ctllretype；ehar 凼 _曩- 中 号： ≥ 当前我 国正在研 究 和设计单 机容量 1000MW O 概 述 的水轮发 电机组 ，因此大型水轮发 电机组推力轴承 立式水轮发 电机组 的推力轴承承载着转动部件 的结构 、特 点及其运行性 能值得总结和分析 。 质量 和水轮机轴 向水推力 ，是水轮发 电机组 的关键 1推力轴承的结构及特点 部件之 一 ．其工作性 能直接关系到机组 的安全和稳 定运行 。随着三峡 、溪洛渡 、 向家坝 、龙滩 、拉西 1．1 平衡块支承式推力轴承 瓦等水 电站 的多 台大 型混 流 式 水 轮 发 电机 组 的陆续 平衡块支承结构 由上平衡块 、下平衡块 、垫块 投产发 电 。我 国已经在大型水轮发 电机组设计 、制 以及 支 顶螺 栓 组 成 ，上 下平 衡 块互相 搭 接 组 成一个 造和运行管理方面积 累 了较丰 富 的经验 。 目前 ，我 整体系统 ，上 、下平衡块接触面和下平衡块与支 承 国应用于大型水轮发 电机组上 的推力轴承主要有平 垫板接触均为 圆弧面 (或刃 口)与平 面 的线接 触 ， 衡块 、液压 弹性油箱 、弹簧簇 、刚性支柱簇 、橡胶 当承载推力载荷 时 ，上 、下平衡块利用杠杆平衡 的 弹性垫等支承结构 。推力瓦有 巴氏合金瓦和弹性金 机械 原理互相动作 ，连续 自动调整每块推力瓦 的受 属塑料瓦 。其 中，具有代表性 的有葛洲坝 电站轴流 力 ．如 图 l所示 。此结构推力轴承轴 瓦载荷均衡性 转浆式水轮发 电机组推力轴承设计载荷超过 3800t。 已经有 30多年 运行 经 验 ：三峡 电站 混 流式 水 轮 发 电 收稿 日期 ：2014—04—21 机组推力轴 承载荷超过 4000t，多 台机组 已安全运 作者简介 ：江 晓林 (1982一)，男 ，内蒙古宁城人 ，工程师 ，从 行 10多年 。 事水 电站技术管理工作． WaterPowerVo1．41No． 圃 油箱 目前有 四波纹 、三波纹和单波纹结构等 ，其 中 多波纹结构较单波纹结构性 能好 。托盘 的设计有效 减 小 了托 瓦 的变形 ．保 障 了大型水轮发 电机组 推力 轴承 的安全运行 。亦有可采用无支柱螺栓结构 ．即 将推力瓦 (托 瓦 )直接 置于弹性油箱上方 ，可适 当 减 小推力轴 承整体 高度 ，并 改善推力瓦机械变形 。 但 因无可调节 的支柱螺钉 ，推力轴 承现场 安装 及受 垫块 力调整受到一定 限制 。对于大型水 轮发 电机组 ，液 压弹性油箱支承推力轴 承 的弹性油箱尺寸较大 ，且 油箱 需预充 一定压力 的液压油 。因此为确保弹性油 箱在长期运行期 间的安全可靠性 ，在结构设计 、加 图 1 平衡块 支承式 推力轴承结构示意 工制造 、安装工艺等各方面均有较严格 的工艺要求 。 和推力瓦 的倾斜灵活性均较好 。但 由于轴 瓦 间载荷 液 压 弹性 油 箱 支 承 推 力轴 承 在 葛 洲 坝 水 电站 均匀调节靠上 、下平衡块持续 的相对运动来 实现 ， 170、125MW 机组 有 成 功应 用 经验 。19台 125MW 经长时 间运行后 ，机械部件 的线接触部位将 不可避 机组于 1983年开始 陆续投产发 电，其 中 12台机组 免 的产生磨损并逐渐变为面接触 。随之 ，推力轴承 推力轴承位有支柱螺钉结构 ，9台机组 推力轴 承为 对瓦 问载荷 的均匀调节灵敏度逐渐变差 。 无支柱螺钉 结构 ，设计载荷均为 3300t。推力轴承 此结构推力轴承在葛洲 坝 电站两 台 170Mw 机 原设计为钨金瓦 ，因发生数次烧瓦于 1992年开始 陆 组 曾有应用 机组于 1981年投产 ，推力轴承设计载 续更换为塑料瓦 ，至今运行情况 良好 。 荷 3800t。原设计推力瓦为钨金 瓦 ，因推力 瓦单位 1。3 弹簧簇支承式推力轴承结构 面积压力设计值偏 高 、钨金 瓦偏 心距设计不合理等 如 图 3所示弹簧簇支承推力轴 承采用双层 瓦结 多重 因素导致数次烧 瓦事故 ，于 1991年将钨金 瓦更 构 ．一簇 具有一定 刚性 、高度相等 的支承弹簧簇布 换为弹性金属塑料 瓦 。原设计平衡梁支承结构经 20 置在推力 瓦 (薄瓦)和托 瓦 (厚 瓦)之 间 ，在弹簧 多年运行后 ．推力瓦最高瓦温呈逐年升高 。经分析 簇浮动支承 下 ，推力轴承合理作用 点可 随载荷 、线 主要原 因平衡块线接触部位 明显磨损 导致 自调节性 速度 的不 同而不 同 ，支承弹簧 除承受推力载荷 外 ， 能 明显减弱 。为保证机组安全稳定运行 ，电厂分别 还 能 吸 收震 动 。并且 能够 在 一 定程 度 上 平衡 各 块 瓦 于 2004年 、2006年 将 两 台机 组 推 力轴 承 改造 为 液 间的载荷 。此结构轴 瓦 的变形在一定 的条件下 ，油 压弹性油箱支承结构 。 膜 压 力产生 的机 械 变形 与 瓦温 差 引起 的热变形 方 向 1．2 液压弹性油箱支承式推力轴承 相 反 。变形 量 可部分抵销 。托 瓦底 部 可设 支 柱螺 栓 ， 液压弹性油箱支承 结构 由弹性油箱和托 盘式支 用 于调整轴 瓦 的高程 。此结构推力轴 承具有较大 的 柱螺钉组成 每块 瓦下 的弹性油箱相互连通 ，内部 充 满 一 定压 力 的液压 油 ，当各 瓦 间载 荷 不 均 衡 时 ， 弹性 油 箱 作 为一个 整 体 连通 器 ，通 过 弹性 油 箱 的轴 向变形 使 各 推力 瓦间载 荷 均匀 ，如 图 2所 示 。弹性 图 2 液压弹性油箱支承推力轴承剖面示意 图3 弹簧簇支承式推力轴承结构剖面示意 囤 fner rVo1．41No．J 上LII~ lrb，守 ：／＼ ／J＼干匕 己 1：lb绁 匠 ／J：RII／-~ j1 ] 十 ， 【 1．5 橡胶弹性垫支承结构 橡胶 弹性垫支承 结构推力轴承在 中、小型水轮 发 电机组推力轴承上应用经验较 多 ，橡胶弹性垫一 般根据推力瓦形状设计为一个整体 ，结构简单 ，安 装维护；b-便 。如 图 5所示为大型水轮发 电机组应用 的橡胶弹性垫支承结构 的推力轴承 ，其结构和工作 原理与弹簧簇支承式推力轴承相似 。轴 瓦依托 由经 过硫化处理 的橡胶 与钢基组成 的橡胶 弹性垫 吸收不 均匀载荷 ，并使轴 瓦倾斜 以形成动压承载油膜 。此 结 构 明显 降低 了推力轴 承 的总 高度 ．但 调整 转 子 动 图4 弹簧簇 布置示意 态水平需抽 出推力瓦 、拆 除全部弹性橡胶垫及 固定 承载 能力 、较低 的轴 瓦温度 和运行稳定等优 点 ，使 框 ，取下可 撕 垫 板 ，然 后 通 过 改变 可 撕 垫 片 的厚度 用 范 围较 广 调整转子动态水平 ，一般 需要 多次反复调整 ，耗 时 此支承 结构推力 轴承在 国内的三峡 、溪洛渡 、 较 长 二滩 等大型水 电站有应用 ，其 中三峡左岸 电站 700 MW 机 组 (VGS供 货 )推力轴承设计 载荷 4050t， 蓖 于 2003年陆续投产发 电 ，最长运行 时间 已 10多年 。 此结构推力轴承在 国外大型水 电站应用较早 ，如美 国大 古 力第 三水 电站 (1978年 第 一 台机 组 投 运 ，推 力 轴 承设 计 载荷 4700t)和委 内瑞拉 古里水 电站 (1984年第一 台机组投运 ，推力轴承设计载荷 2667t)。 目前 ，弹簧簇 多采用传 统 的圆柱螺旋弹簧 ，此种 弹 簧承载 能力具有一定 的局 限性 ．为进 一步发挥弹簧 图 5 橡胶弹性垫支承推力轴承剖面示意 支承 的承载 能力 。近年来有机构研 究将 圆柱螺旋 弹 橡胶弹性垫 的材料 的物理特性决定 了推力 瓦载 簧改为蝶形弹簧 的结构 。 荷均匀性 、推 力瓦倾斜 灵敏性 。有研 究结果 显示 ， 1．4 刚性支柱簇支承结构 在 70℃透平油 中硫化橡胶 的老化倍率 与时 间呈对数 刚性支柱簇支承双层轴 瓦结构 的推力 轴承是在 关 系 ，即橡胶 的刚度首次增大 10％需要 10h．在增 推力 瓦 (薄瓦 )和托 瓦 (厚瓦 )之 间布置 了一系列 大 10％则 需要 100h，依此推测 ，约 10年橡胶 的刚 直径 不等 的小 刚性 支柱 (三峡 电站机 组为 4种规 度 即增大至 150％。弹性橡胶垫 的老化必然导致轴 瓦 格 )，在托 瓦底部设支柱螺栓 ，用于调整轴 瓦 的高 均匀性和轴 瓦倾斜灵敏性下 降。此外 ． 目前 国内市 程 。在此 结 构 中 ，推 力 瓦 的变 形 主要 取 决于 瓦 下小 场橡 胶 产 品质 量参 差 不齐 ，为保 证 机 组安全 运 行 此 刚性支柱受载荷后 的变形 ，而小 刚性支柱 的尺寸及 橡胶垫主要依靠进 口。 分布是 根据轴承油膜 的压力分布 、轴 瓦 的倾斜 需要 橡胶 弹性垫 支 承推力轴 承 已应用 于溪 洛 渡 电 而设计 的 ，最终使 推力 瓦的变形得到控制 ，并能建 站 770MW 机 组 (VHS供 货 )，推 力轴 承 设计 载 荷 立 适合 的油膜 。此 结 构 中推 力 瓦 、托 瓦 、小 刚性 支 3059t，第一 台机组于 2013年投产发 电。此结构推 柱 的受力 、变形等完全取决于设计 ，因此对设计精 力轴承在 巴西辛戈水 电站机组 (单机容量 500MW ， 度要求较 高 。 推力轴承设计 载荷 2700t，1994年第一 台机 组投 此支承 结构推力轴承在 国内的三峡 、龙滩 、溪 运 )也有应用 。此结构推力轴承在大型机组运行维 洛 渡 、向家 坝等 大 型水 电站有 应 用 。其 中三 峡 左 岸 护 经验 尚不 丰 富 ，还 需长 时 间运行 实践检验 。 电站 700MW 机组 (ALSTOM 供 货 )推力轴承设计 2 钨金瓦与塑料瓦 载荷 4100t．于 2003年 陆续投产发 电 ，最长运行 时 间 已 l0多年 ：向家坝 电站 800MW 机组 (HEC 钨金 瓦通 常 由钢 瓦坯和钨金层组成 。钨金层和 供 货 )，推力轴承 总载荷 能力高达 5150t，于 2012 钢 瓦坯 的结合 ，老式工艺 中采用在钢 瓦坯上加工鸽 年第一 台机组投运 。此结构推力轴承在 国外大型水 尾槽然后浇筑轴承合金 的方法 ， 目前一般采用较先 电站应用较早 ，如 巴西 的伊泰普水 电站 (1983年第 进 、经济 的堆焊工艺 ，使钨金层组织更加 紧密且与 一 台机组投运 ．推力轴承设计载荷 4050t)。 钢坯面更好 的结合 。弹性金属塑料 瓦 由塑料层 (如 WaterPowerVo1．41No． 困 聚 四氟 乙烯塑料 )、铜丝层和 瓦坯组成 。一般先将塑 表 1 国内大型水轮发 电机组推力轴承典型应用案例 料层 (一般 厚度为 3~4mm)和铜丝层 (一般厚度为 7～8mm)压在一起组成瓦面复合层 ．然后用钎焊将其 与钢瓦坯焊成一体 。钨金 瓦与塑料 瓦的性 能比较如下 ： (1)瓦面变形 。塑料 瓦 ，塑料层 、弹簧层压力 变形 能力较好 ，可部分抵 消瓦体温度变形 ；钨金 瓦 ， 瓦的变形 能力相对较差 ，压力变形与温度变形叠加 。 (2)耐压能力 。塑料 瓦 ，单位面积压力可达 7．0 MPa；钨金 瓦 ，单 位 面积压 力 一般小 于 5．7MPa。 (3)摩擦 系数 。塑料 瓦 ，非金属材质 的塑料 瓦 面与金属材质镜板组成摩擦 副抗粘着性能好 ， 干摩擦系数相对钨金瓦小 (0．04～0．08)，正常运 行 时 因允许油膜温度相对 高 ，油润滑摩擦 系数相对 低 ，轴承损耗相对少 ，盘车力矩小 ，涂抹透平油 即 可 ．允许 15％额 定转速 以下投入 机械 制动 ；钨金 瓦 ，钨金与钢材互溶性小 ，组成摩擦 副抗粘着性 能 较 好 ，干 摩 擦 系数 相 对 塑料 瓦大 (0．15～0．2)，正常 运行 时 因允许油膜温度相对低 ，油润滑摩擦 系数相 对高，轴 承损 耗相对 高 ，盘车力矩较大 ，盘车时需 投入 高压油顶起装置或油槽充油 ，一般 20％～30％额 定转 速 时投入机 械制 动 。 (4)耐温能力 。塑料 瓦 ，允许油膜温度 110oC； 钨金瓦 ，允许油膜温度 90℃。 (5)温度测量 。塑料 瓦 ，测温 电阻只能埋设 在 钢 瓦坯 ，塑料 瓦导热性差 ，温度梯度大 ，瓦面与瓦 体温差较大 (约为 20～30oC)，测温 电阻的对 瓦面温 反 映迟缓 ；钨金 瓦 ，瓦面与瓦体温差较小 ，测温 电 阻可 埋 设在 近 瓦面部 位 ，瓦基 与 瓦面 温 度 梯 度 小 ， 测温 电阻的对 瓦温反 映较快 。 (6)高压 油顶 装 置 。塑料 瓦 ，不需要 设 高压 油 顶 起 装置 (目前 塑料 瓦结 构不 具 备 设 高压 油顶 起 装 台机组投运 ．原设计推力瓦为钨金瓦 ，因推力瓦单 置的条件 )，允许较长时间 (20d)停机后允许直接 位面积压力设计值偏高 、钨金瓦偏心距设计不合理 启 动 ，超过 允许 时 间后借助风 闸顶转 子建立油膜 ； 等多重 因素导致数次烧瓦事故 ，于 1991年将钨金瓦 钨金 瓦 ．须借助高压油顶起装置完成机组开停机 。 更换为弹性金属塑料 瓦 。2004年发现平衡块线)烧 瓦影 响 。塑料 瓦 ，测 温 电阻对 瓦温 反 映 部位磨损 ， 自调节性 能 明显减弱 ，推力瓦最高瓦温 迟缓 ，延长危害时 间 ，易导致事故扩大 (伤害镜板)， 逐渐升高 ，将平衡块支承 结构改造为液压弹性油箱 瓦本身烧 瓦后不可重 复使用 ：钨金 瓦 ，测温 电阻对 支 承结 构 ，至 今运 行 情况 良好 。3～21号机 组推 力轴 瓦温反 映较快 ，发现及 时 ，烧 瓦危害相对轻 ，一般 承 为 液 压 弹性 油 箱 支 承 (多波 纹 )-4-塑料 瓦 结 构 ， 不伤害镜板 、瓦本身烧 瓦后可重复使用 。 1983年首 台机组投运 ，于 1992年开始 陆续将钨金 瓦更换为弹性金属塑料 瓦 ，至今运行情况 良好 。 3 应用案例 三峡 电站 由 VGS、东 电供 货 的