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　　DOI: 10． 13622 / j． cnki． DOI: 10． 13622 / j． cnki． cn42 － 1800 / tv． 1671 － 3354． 2014． 07． 010 大型水轮发电机组推力轴承结构型式及特点 江晓林，陆 明，宾 斌 ( 中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002) 摘要: 介绍了以平衡块、液压弹性油箱、弹簧簇、刚性支柱簇、橡胶弹性垫为支承方式的推力轴承的结构型式和特点，以 及这几种推力轴承的运行简况，给出了国内大型水轮发电机组推力轴承的应用案例。 关键词: 水轮发电机; 推力轴承; 结构型式; 特点 中图分类号: TK730． 3 + 22 文献标志码: B 文章编号: 1671 － 3354( 2014) 07 － 0033 － 04 Structural Styles and Features of the Thrust Bearing in Large Hydro-turbine Generator Units JIANG Xiaolin，LU Ming，BIN Bin ( China Yangtze Power Co． ，Ltd． ，Yichang 443002，China) Abstract: Structural styles and features of several different thrust bearings are introduced，including those supported by balancing weight，hydraulic elastic tank，spring clusters，rigid support clusters and resilient rubber cushion． Operation of these thrust bearings are also presented briefly． Several domestic application examples of thrust bearing in large hydro- turbine generator units are also given． Key words: hydro-turbine generator unit; thrust bearing; structural style; features 立式水轮发电机组的推力轴承承载着转动部件重 量和水轮机轴向水推力，是水轮发电机组的关键部件 之一，其工作性能直接关系到机组的安全和稳定运行。 我国已建水电站的大型水轮发电机组上应用的推力轴 承支承结构主要有平衡块式、液压弹性油箱式、弹簧簇 式、刚性支柱簇式、橡胶弹性垫式等，推力瓦有巴氏合 金瓦和弹性金属塑料 瓦［1］。现 将 这 几种推力轴承的 结构特点及其运行性能加以对比和分析，以便于今后 继续改进。 力瓦的受力。轴瓦承受载荷的均衡性和倾斜灵活性均 较好。但经长时间运行后，机械部件的线接触部位将 逐渐磨损变为面接触。随之，推力轴承对瓦间载荷的 均匀调节灵敏度逐渐变差。 1 1． 1 推力轴承的结构 平衡块支承式推力轴承 平衡块支承结构由上平衡块、下平衡块、垫块以及 图 1 平衡块支承式推力轴承结构示意图 液压弹性油箱支承式推力轴承 液压弹性油箱支承结构由弹性油箱和托盘式支柱 支顶螺栓等部件互相搭接组成，如图 1 所示，上下平衡 块接触面和下平衡块与支承垫板之间均为圆弧面( 或 刃口) 与平面的线接触，在推力载荷作用下，上下平衡 块利用杠杆平衡原理连续相互动作，自动调整每块推 1． 2 螺钉组成，如图 2 所示。每块瓦下的弹性油箱相互连 收稿日期: 2014 － 05 － 19 作者简介: 江晓林，男，工程师，从事水电站技术管理工作。 33 水 电 与 新 能 源2014 年第 7 期通，内部充满一定压力的液压 水 电 与 新 能 源 2014 年第 7 期 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。弹性油箱有单波纹、 三波纹、四波纹和多波纹等结构，多波纹结构较单波纹 结构性能好。托盘的设计有效地减小了托瓦的变形， 保障了大型水轮发电机组推力轴承的安全运行。亦有 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 工 制 造、安装工艺等各方面均有较严格的工艺 要求［2］。 图 3 弹簧簇支承式推力轴承结构剖面图 所示。在推力瓦 ( 薄瓦) 和托瓦 ( 厚瓦) 之间布置 了 一 系列直径不等的小刚性支柱，在托瓦底部设支柱螺栓， 用于调整轴瓦的高程。在此结构中，推力瓦的变形主 要取决于瓦下小刚性支柱受载荷后的变形，而小刚性 支柱的尺寸及分布是根据轴承油膜的压力分布、轴瓦 的倾斜需要而设计的，最终使推力瓦的变形得到控制， 并能建立适合的油膜。此结构中推力瓦、托瓦、小刚性 支柱的受力、变形等完全取决于设计，因此对设计精度 要求较高［3］。 图 2 液压弹性油箱支承推力轴承剖面图 1． 3 弹簧簇支承式推力轴承结构 弹簧簇支承推力轴承如图 3 所示，采用双层瓦结 构，一簇具有一定刚性、高度相等的支承弹簧簇布置在 推力瓦( 薄瓦) 和托瓦( 厚瓦) 之间，在弹簧簇浮动支承 下，推力轴承合理作用点可随载荷、线速度的不同而不 同，支承弹簧除承受推力载荷外，还能吸收震动，并且 能够在一定程度上平衡各块瓦间的载荷。此外，油膜 压力产生的轴瓦机械变形与瓦温差引起的热变形方向 刚好相反，其变形量可部分抵销。托瓦底部可设支柱 螺栓，用于调整轴瓦的高程。此种结构推力轴承具有 较大的承载能力、较低的轴瓦温度和运行稳定等优点。 现有的圆柱螺旋弹簧承载能力有局限性，为进一 步发挥其承载能力，近年来有机构研究将圆柱螺旋弹 簧改为蝶形弹簧的结构。 图 4 刚性支柱簇支承结构推力轴承剖面图 橡胶弹性垫式支承结构 大型水轮发电机组应用的橡胶弹性垫支承结构的 1． 5 推力轴承如图 5 所示，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 1． 4 刚性支柱簇式支承结构 刚性支柱簇支承双层轴瓦结构的推力轴承如图 4 34 江晓林，等: 大型水轮发电机组推力轴承结构型式及特点2014 年 7 月承的总高度，但调整转子动态水平需抽出推力瓦、拆除全部弹性橡胶垫及固定框，取下可撕垫板，然后通过改 变可撕垫片的厚度调整转子动态水平，一般需多次反 复 江晓林，等: 大型水轮发电机组推力轴承结构型式及特点 2014 年 7 月 承的总高度，但调整转子动态水平需抽出推力瓦、拆除 全部弹性橡胶垫及固定框，取下可撕垫板，然后通过改 变可撕垫片的厚度调整转子动态水平，一般需多次反 复调整，耗时较长。 系，即橡胶的刚 度 首 次 增 大 10% 需 要 10 h，继 续 增 大 10% 则需要 100 h，依此推测，约 10 a 橡胶的刚度即增 大至 150% 。弹性橡胶垫的老化必然导致轴瓦均匀性 和轴瓦倾斜灵敏性下降。此外，目前国内市场橡胶产 品质量参差不齐，为保证机组安全运行此橡胶垫主要 依靠进口。 2 钨金瓦与塑料瓦 钨金瓦通常由钢瓦坯和钨金层组成。老式工艺是 采用在钢瓦坯上加工鸽尾槽然后浇筑轴承合金的方法 使钨金层和钢瓦坯相结合，目前采用较经济的堆焊工 艺，使钨金层更加紧密地与钢坯面结合。弹性金属塑 料瓦由塑料 层 ( 如: 聚四氟乙烯塑料) 、铜 丝 层 和 瓦 坯 组成。一般先将 塑 料 层 ( 厚 度 为 3 ～ 4 mm) 和 铜 丝 层 ( 厚度为 7 ～ 8 mm) 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 比较见表 1。 图 5 橡胶弹性垫支承推力轴承剖面图 橡胶弹性垫的材料的物理特性决定了推力瓦载荷 均 匀 性、推力瓦倾斜灵敏 性。 有研究结果显 示，在 70 ℃ 透平油中硫化橡胶的老化倍率与时间呈对数关 表 1 水轮发电机组推力轴承钨金瓦与塑料瓦性能对比 项目 塑料瓦 钨金瓦 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 瓦面变形 瓦的变形能力相对较差，压力变形与温度变形叠加 耐压能力 单位面积压力可达 7． 0 MPa 单位面积压力一般小于 5． 7 MPa 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 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 摩擦系数 耐温能力 允许油膜温度 110℃ 允许油膜温度 90℃ 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℃ ～ 30℃ ) ，测 温 电 阻的对瓦面温反映迟缓 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 高 压油顶起装置不需要设高压油 顶起装置( 目前塑料瓦结构不具备设高压油顶起装置的 条件) ，允许较长时间( 20 d) 停机后允许直接启动，超过 允许时间后借助风闸顶转子建立油膜 温度测量 须借助高压油顶起装置完成机组开停机 测温电阻对瓦温 反 映 迟 缓，延 长 危 害 时 间，易 导 致 事 故 扩大( 伤害镜板) ，瓦本身烧瓦后不可重复使用 测温电阻对瓦温反映较快，发现及时，烧瓦危害相对轻， 一般不伤害镜板、瓦本身烧瓦后可重复使用 烧瓦影响 35 水 电 与 新 能 源2014 年第 7 期3国内大型水轮发电机组推力轴承应用案例推力轴承应用案例见表 2。表 2 水轮发电机组推力轴承应用案例表序号轴承结构电站技术参数运行情况评价机组: 2 × 170 水 电 与 新 能 源 2014 年第 7 期 3 国内大型水轮发电机组推力轴承应用案例 推力轴承应用案例见表 2。 表 2 水轮发电机组推力轴承应用案例表 序号 轴承结构 电站 技术参数 运行情况评价 机组: 2 × 170 MW 转速 54． 6 r / min 推力载荷 37 240 kN 单位面积压力 5． 78 MPa 平均滑动速度 9． 87 m / s 轴承总损耗: 321 kW 轴流转浆式水轮发电机组，推力支架设在支持盖上。1981 年首台机 组投运。原设计推力瓦为钨金瓦，因推力瓦单位面积压力设计值偏 高、钨金瓦偏心距设计不合理等多重因素导致数次烧瓦事故，于 1991 年将钨金瓦更换为弹性金属塑料瓦。2004 年发现平衡块线接 触部位磨损，自调节性能明显减弱，推力瓦最高瓦温逐渐升高，将平 衡块支承结构改造为液压弹性油箱支承结构，至今运行情况良好 平 衡 块 式 支 承 结 构 + 氟 塑料瓦 葛洲坝 电站 1 机组: 19 × 125 MW 转速 62． 5 r / min 推力载荷 32 340 kN 单位面积压力 5． 6 MPa 平均滑动速度 10． 4 m / s 轴承总损耗: 210 kW 轴流转浆式水轮发电机组，推力支架设在支持盖上，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 液 压 弹 性 油 箱支 承 ( 多 波 纹) + 塑料瓦 葛洲坝 电站 2 机组 12 × 700 MW 转速 75 r / min 推力载荷 39 690 kN 单位面积压力 4． 18 MPa 平均滑动速度 18． 7 m / s 轴承总损耗 860 kW 混流式水轮发电机组，推力轴承设在下机架上。2003 年首台机组投 运，至今运行情况良好 弹 簧 簇 支 承 + 钨金瓦 三峡 电站 3 机组 20 × 700 MW 转速 75 r / min 推力载荷 40 180 kN 单位面积压力 4． 17 MPa 平均滑动速度 17． 08 m / s 轴承总损耗 584 kW 混流式水轮发电机组，推力轴承设在下机架上。2003 年首台机组投 运，至今运行情况良好。( 三峡电站该结构推力轴承层发生推力瓦 磨损严重的情况，据分析主要为镜板结构原因) 三峡 电站 刚 性 支 柱 簇 支 承 + 钨 金 瓦 4 机组 8 × 800 MW 转速 75 r / min 推力载荷 50 470 kN 单位面积压力 5． 2 MPa 平均滑动速度