抽水蓄能机组单波纹弹性油箱支撑双向推力轴承特性研究及应用

武中德，吴军令，张 宏，王建刚，刘平安

（1. 水力发电设备国家重点实验室，黑龙江省哈尔滨市 150040；2. 哈尔滨大电机研究所，黑龙江省哈尔滨市 150040；3. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040）

0 引言

大型发电电动机推力轴承采用可倾式扇形瓦，推力瓦通常采用巴氏合金瓦。推力轴承由于采用中心支撑和双向、高速运行，其支撑中心偏离最佳支撑点，不利于楔形油膜的形成，如何保证这种轴承的承载能力，是双向推力轴承研制的关键。

支撑系统是推力轴承的重要组成部分，对瓦间负荷分配有重要影响[1]。在大、中型水轮发电机组推力轴承上应用弹性油箱支撑较多[2]，其安装调整方便、机组运行过程中能够自动平衡瓦间负荷，瓦的倾斜灵活以及可以较好地控制瓦变形等优点[3-4]。

抽水蓄能机组双向旋转，其推力轴承采用中心支撑。弹性油箱支撑是否适用，在于其众多优点中的倾斜灵活性。采用单波纹弹性油箱支撑的双向推力轴承的试验表明，其满足双向推力轴承的运行要求[5-6]。

1 单波纹弹性油箱

支撑结构是推力轴承的重要组成部分，它在瓦间负荷分配上有很大的影响。一般要求各瓦负荷分布偏差在±5%之内。中小型单向推力轴承的支撑结构一般都适用于双向推力轴承。较小的抽水蓄能机组，推力负荷较小，采用支柱螺钉的球面点支撑能够保证推力轴承性能，大型抽水蓄能机组，推力负荷较大，瓦的变形亦较大，从控制瓦变形考虑，宜采用面支撑，如单波纹弹性油箱。

单波纹弹性油箱，应用锻钢件加工成宫灯状圆筒，将数个圆筒经连通管和有关零件装配焊接，形成密闭的连通器。再抽真空并充压力油，构成弹性油箱支撑结构（见图1）。每块瓦对应一个油箱，将厚薄瓦放置在弹性油箱顶面上。

单波纹弹性油箱与多波纹弹性油箱具有相同的优点，获得广泛应用。

图1 弹性油箱焊接装配图Fig．1 Elastic oil tank

单波纹弹性油箱的设计、制造、安装已非常成熟，在大型水轮发电机的推力轴承上有较多的运行经验和实践，运行效果良好。大型抽水蓄能机组推力轴承也已逐步采用单波纹弹性油箱，例如敦化、溧阳、深圳、荒沟等抽水蓄能电站，其性能满足发电电动机推力轴承承载要求。单波纹弹性油箱在抽水蓄能机组推力轴承上的主要应用见表1。

大型抽水蓄能机组推力轴承每台套一般采用12个弹性油箱，弹性油箱装配如图1所示，弹性油箱与各关联零件的焊缝可承受15MPa油压试验。弹性油箱打初压合格后，进行加载试验，检验弹性油箱轴向变形设计值。

表1 单波纹弹性油箱承载对比Tab.1 Comparison of bearing capacity of single wave elastic oil tank

2 推力轴承瓦

推力瓦为双层瓦结构，摩擦面材料为巴氏轴承合金（见图2）。推力瓦可互换。巴氏合金瓦的进出油边形状相同，均为大倒角结构，以利于轴承启动时润滑油进入瓦面。推力瓦的设计计算保证最佳的油膜压力分布，以获得最佳的油膜厚度分布。根据最大推力负荷进行推力轴瓦的设计，可满足所有运行工况的要求。

推力瓦和镜板是轴承直接起作用部分，它受载荷和轴向温度梯度的作用而产生变形。轴承的设计必须要控制瓦变形以建立合适的油膜厚度，确定合适的动压油膜特征系数即油膜的最大压力和平均压力之比。

图2 单波纹弹性油箱支撑推力轴承Fig．2 Single wave elastic oil tank supported bi-directional thrust bearing

3 推力轴承

3.1 载荷均匀性

试验推力轴承参数见表2，试验轴承与机组推力轴承尺寸相同，机组推力轴承12块瓦，试验采用18块瓦，单瓦载荷相同，平均相速度一致[5，6]。负荷测量值见表3，瓦的载荷均匀性控制在±3%之内，优于工程上通常能达到±5%的要求。单波纹弹性油箱在机组运行过程中能够自动平衡瓦间负荷，且安装调整方便。

表2 试验推力轴承参数Tab.2 Parameter of test thrust bearing

表3 各瓦负荷Tab.3 Load of segment

3.2 高压油顶起

试验轴承主要参数见表4。

表4 试验推力轴承参数Tab.4 Parameter of test thrust bearing

对于大型抽水蓄能机组双向推力轴承，对应瓦的支撑中心的瓦面可设计成直径90mm的油室，油室直径和瓦面内切圆直径之比，取值范围[0.15～0.25]。顶起时瓦面压力分布和瓦变形见图3。

图3 顶起时瓦面压力分布和瓦变形Fig．3 The pressure distribution on the pad surface and pad deformation when jacking

虽然试验轴承在试验时顶起高度较大，考虑到瓦间负荷均匀度3%，流量12L/min，其安全裕度较小。而流量36L/min，相比流量24L/min，顶起高度并无显著增加。

对于弹性油箱支撑推力轴承，高压油顶起供油量按照表5的实测数据，24L/min可满足要求。而对于各瓦负荷分布偏差大于±3%的，36L/min的高压油顶起供油量比较合适。

表5 流量与顶起高度Tab.5 Flow and Jacking height

3.3 推力轴承

根据抽水蓄能机组的转速和推力负荷，对其双向推力轴承的结构、几何参数、比压等可根据具体的热弹流计算分析进行优化设计以保证轴承性能。单波纹弹性油箱支撑大型双向推力轴承的油膜厚度、油膜压力、瓦变形、瓦温度及镜板推力头的变形和温度分别见图4～图9。图示的瓦径向尺寸较大，瓦面的径向变形较大，影响瓦面的油膜厚度和油膜压力分布。

图4 油膜厚度分布（μm）Fig．4 The distribution of oil film thickness

图5 油膜压力分布（MPa）Fig．5 The distribution of oil film pressure

图6 瓦变形Fig．6 The pad distortion

图7 瓦温度（℃）Fig．7 The temperature distribution of pad

图8 镜板推力头变形Fig．8 The distortion of thrust runner and thrust block

图9 镜板推力头温度分布Fig．9 The temperature distribution of thrust runner and thrust block

瓦面最大压力与平均压力之比代表了瓦面和镜板面的综合变形情况。深圳抽水蓄能电站推力轴承测量的最大瓦面压力6.25MPa，单位压力2.35MPa，比值为2.66；敦化抽水蓄能电站推力轴承测量的最大瓦面压力6.6MPa，单位压力2.46MPa，比值为2.68；比值在2～3之间，说明其瓦变形比较合理。

高速双向大型推力轴承，水温32℃时，推力轴承的瓦温有超过80℃的[7]。为了保证水温32℃时，瓦温不超过75℃，弹性油箱支撑的推力瓦的单位压力选取2.5～3MPa，小长宽比等措施，推力轴承1∶1的模拟试验结果见表6，达到了预期控制瓦温的目标。

表6 测量的油温和瓦温Tab.6 Measured oil and pad temperature

4 结束语

单波纹弹性油箱可自动平衡瓦间负荷、瓦负荷均匀度偏差小。

单波纹弹性油箱支撑的双向推力轴承，单位压力可控制在2.5～3.0MPa，选取小长宽比，使瓦温控制在较低的水平。

单波纹弹性油箱适用于大型抽水蓄能机组推力轴承。

[1] 武中德，张宏．大型水轮发电机推力轴承设计[C]．水电设备的研究与实践，2009．WU Zhongde，ZHANG Hong．Design of thrust bearing for large hydro-generators[C]．Research and practice of hydroelectric equipment，2009．

[2] 武中德，张宏．水轮发电机组推力轴承技术的发展[J]．电器工业，2007（1）: 32-36．WU Zhongde，ZHANG Hong ．Development of thrust bearing technology for hydro-generators[J]．China Electrical Equipment Industry，2007（1）: 32-36．

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