屏蔽电机推力轴承搅拌损耗研究

李藏雪，吕向平，吴军令，武中德，李梦启



屏蔽电机推力轴承搅拌损耗研究

李藏雪1，吕向平1，吴军令2，武中德2，李梦启1

（1. 哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨 150040；哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

介绍了屏蔽电机推力轴承搅拌损耗（旋转损耗）计算的方法。搅拌损耗与速度的3次方成正比，速度越高，搅拌损耗越大。高速推力轴承，搅拌损耗远大于轴承的摩擦损耗。对搅拌损耗的计算结果和测量结果进行了对比分析。结果表明，计算结果和实测的结果吻合。

屏蔽电机；推力轴承；搅拌损耗

0 前言

立式电机推力轴承产生的损耗，有摩擦损耗和搅拌损耗（旋转损耗），转速（线速度）越高，搅拌损耗越大[1,2]。

推力轴承的性能和摩擦损耗的研究较多[3~7]，而搅拌（旋转损耗）的研究较少[8]。

低速电机推力轴承的搅拌损耗占推力轴承总损耗的比例较小，可以采用一般的计算方法进行估算[4~9]。随着转速增大，估算的搅拌损耗的计算误差越来越大。引入摩擦常数，而摩擦常数与雷诺数直接相关，摩擦常数与雷诺数的关系曲线可以通过实验确定，这样经过完善搅拌损耗（旋转损耗）的计算方法，才能准确计算出推力轴承的搅拌损耗（旋转损耗）[10,11]。

1 推力轴承旋转件

主泵电机采用两套推力轴承[12,13]，两个推力盘之间为飞轮（图1）。两个推力盘、飞轮和轴为旋转件。搅拌损耗就是由旋转件产生，结构和材料[14,15]也有一定的影响。图1结构中的搅拌损耗主要产生部位有飞轮和推力盘外径、推力盘端面的瓦间部分、对应上下推力轴承部位的轴颈等。

图1 上下推力轴承间的飞轮推力盘

2 搅拌损耗

2.1 搅拌损耗计算

推力轴承的搅拌损耗主要是两个推力盘和飞轮旋转产生的。

直径面的搅拌损耗1和介质的密度和粘度、摩擦常数、线速度的立方、半径、高度等有关。端面的搅拌损耗2和介质的密度和粘度、摩擦常数、角速度、半径差Δ的5次方等有关，摩擦常数取决于雷诺数Re。摩擦常数与雷诺数之间的关系示意如图2所示，由实验获得。

直径面搅拌损耗：

1= π´´´´3

端面搅拌损耗：

2=（1-C）π / 5´´´∆5´3

总搅拌损耗:

∑=1+2

图2 摩擦常数与雷诺数之间的关系示意

2.2 搅拌损耗实验验证

推力轴承的搅拌损耗主要与轴承的旋转部分浸入润滑介质中的面积、旋转表面的速度、介质的粘度等有直接的关系。据此搅拌损耗实验，主要测试在不同转速、不同粘度下搅拌损耗的变化情况，从而归纳出其中的数学关系；或对已掌握的计算分析方法进行修正，得到比较可靠的搅拌损耗计算分析方法。

在介质及其温度一定的情况下，根据试验装置在不同转速下主轴的输入扭矩，即可得到不同粘度下各种转速时旋转环的搅拌损耗（如图3所示）。

搅拌损耗实验可采用水介质，也可以采用油介质。

3 搅拌损耗测量

量热法测量推力轴承（如图1所示）的损耗。根据推力轴承循环水的流量和温差确定推力轴承的总损耗（包括实验装置中的机械密封、导轴承等）。

图3搅拌损耗计算值与测量值对比

采用全套实验推力轴承和无飞轮推力盘的实验，以区分出机械密封等的损耗。实验时初始水温相同，至运行稳定且水温稳定，这样可以区分出与试验推力轴承无关的机械密封损耗和部分搅拌损耗。

实验部分的损耗占电机功率的百分比见表1。总损耗和机械密封等的损耗见表2。

表1 损耗和功率

表2 试验轴承

注：#无飞轮和推力盘。

额定转速下，搅拌损耗为总损耗减去摩擦损耗，再减去试验水槽机械密封等的损耗。

4 结论

推力轴承的搅拌损耗（旋转损耗）与线速度、润滑剂粘度和密度、摩擦常数等有关。搅拌损耗与速度的3次方成正比，速度越高，搅拌损耗越大。

高速推力轴承，搅拌损耗远大于轴承的摩擦损耗。

[1] 白延年. 水轮发电机设计与计算[M]. 北京：机械工业出版社, 1982.

[2] 平克斯O，斯德因李希特B.，流体动力润滑理论[M]，西安交通大学轴承研究小组译，机械工业出版社，1980.

[3] 武中德，张宏. 大型水轮发电机推力轴承设计. 水电设备的研究与实践. 北京，2009

[4] 武中德, 王黎钦, 曲大庄, 齐毓霖. 大型水轮发电机推力轴承热弹流润滑性能分析[J]. 摩擦学学报. 2001，21(2)：147-150

[5] 刘从民，周世昌，王继志，齐毓霖. 推力轴承润滑过程的有限元数值模拟[J]. 哈尔滨电工学院学报. 1991, 14(3)：274~285.

[6] 陈渭, 朱均, 薛永宽. 大型推力轴承热弹流动力润滑的性能计算[J]. 机械科学与技术. 1994, (4): 51-54

[7] 董胜先, 马求山. 大型重载推力轴承热弹流计算及尺寸效应[J]. 润滑与密封. 2014, 39(8): 108-111

[8] 罗正平. 水轮发电机推力轴承搅拌损耗的计算. 东方电机. 2002，30(1)：58~61.

[9] B Huang, ZD WU, JL Wu and LQ Wang. Numerical and experimental research of bidirectional thrust bearings used in pump-turbines. JOURNAL OF ENGINEERING TRIBOLOGY. 2012，226(9)：795-806

[10] 武中德，张宏，张仁江，于秋敏，刘阿丽，吴军令. 屏蔽电机水润滑推力轴承润滑性能研究. 大电机技术. 2003，(7)：56~57.

[11] 武中德, 吴军令. 双向推力轴承设计及热弹流润滑性能分析[J]. 大电机技术. 2010,(6)：26-28

[12] 曲大庄，武中德，李梦启，金乐. 推力轴承平衡块支撑结构的均载能力[J]. 大电机技术. 2015,(5)：1-7.

[13] 范寿孝，吴军令，武中德. 平衡块支撑式推力轴承的研究. 大电机技术. 2011，(2)：23~25.

[14] 李梦启，王伟光，李藏雪，李伟，张金慧，付嵩. 核主泵水润滑推力轴承试验的磨损颗粒研究. 润滑与密封. 2016，41(9)：113~120.

[15] 张金慧，李伟，王伟光，付嵩. 大推力水润滑轴承瓦面材料试验. 防爆电机. 2015，50(6)：31~34.

Investigation on Rotating Power Loss of Water-lubricated Thrust Bearing with Graphite Layer for the Shielding Motor

LI Cangxue1, LV Xiangping1, WU Junling2, WU Zhongde2, LI Mengqi1

(1. Harbin electric power equipment co., ltd., harbin 150040, China;2. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, harbin 150040, China)

This paper presents a method for calculating the rotating power loss of water-lubricated thrust bearing with graphite layer for the shielding motor.The rotating power lossis proportional to the speed of the 3 party, the higher the speed, the greater the rotating power loss. The rotating power loss is much greater than the friction loss for high speed thrust bearing. It has been found that the calculated results of the thrust bearings confirm well to the measured ones.

shielding motor; thrust bearing; rotating power loss

TK730

A

1000-3983(2017)02-0000-00

2016-10-21

李藏雪（1966-），高级工程师，1988年毕业于哈尔滨电工学院，副总工程师，主要从事大型电机技术研究。

审稿人：孙玉田