悬式抽水蓄能机组推力头与轴身配合紧量研究

朱忠英，施明星

（东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000）

0 引言

对于转速较高的立式水轮发电机组设计一般选用悬式结构。悬式结构，即推力轴承位于转子上方，布置在上机架上，通过推力头将整个机组转动部分悬挂起来，并承受来自水力机械的轴向推力[1]。悬式机组推力头结构如图1所示。

图1 悬式机组推力头结构Fig．1 Thrust block structure of suspended type unit

不管是常规悬式机组还是大容量抽水蓄能机组，推力头的结构与作用基本一致。然而二者在推力头与轴身的配合紧量设计方面却有些不同。常规机组推力头轴孔配合一般都采用基孔制过渡配合，既可以有轻微间隙，亦可有轻微过盈的配合[2]。而悬式抽水蓄能机组推力头轴孔配合一般采用有紧量的过盈配合。那人们不禁要问，为什么推力头的结构与作用一致，而推力头与轴身的配合却采用不同的设计紧量？这也是本文主要探讨的问题。

1 蓄能机组推力头与轴身过盈配合原因分析

在回答上述问题之前，首先要对推力头的受力情况有一个比较清楚的认识。推力头与轴身采用过盈配合时，配合紧量可以用来传递轴向力、扭矩力；推力头受到径向作用力时，推力头与轴身之间可以保持相对静止。下面逐条分析蓄能机组是否需要过盈配合带来的这些作用。

1.1 推力头承受轴向力

推力头承受的轴向力主要包括机组转动部件重量和水推力的作用。对于常规机组而言，由于推力头与轴身之间一般存在间隙，推力头承受的轴向力全部通过卡环传递给轴头。蓄能机组推力头与轴身间保持过盈配合，推力头承受的一部分轴向力由推力头与轴身紧量产生的摩擦力承受，一部分通过卡环传递给轴头。一般抽水蓄能机组容量大推力负荷大，过盈量的设计一定程度上可以减轻轴头的受力。不过考虑到过盈配合紧量受加工质量、温度变化、冷缩均匀性等多种因素影响，传递受力的稳定性不高。且通过对已投运悬式蓄能机组的统计，推力头与轴身间过盈量一般不大，所能够分担的机组推力负荷有限，见表1。并且通过优化轴头结构与卡环尺寸，轴头完全可以独立承受机组的推力负荷，因此用来传递机组轴向力不是蓄能机组推力头与轴身间保持过盈配合的必要条件。

表1 蓄能电站相关计算Tab.1 Calculation of some pumped storage power stations

1.2 推力头承受扭矩力

推力头承受的扭矩力主要包括机组推力轴承瓦和上导瓦（如有）润滑摩擦力产生的扭矩。推力头与轴身之间一般设置有平键，推力头承受的扭矩力可以通过平键传递给轴身。由于平键的存在，推力头与轴身之间靠过盈紧量来传递扭矩的设计也显得不是那么必要。有学者指出，考虑到平键与键槽之间存在装配间隙，蓄能机组双向旋转会造成推力头键槽的交变受力，而平键只能适应单向传扭，因此有必要保留推力头与轴身之间的过盈量来传递扭矩。但笔者更加认同文献[2]作者的观点：推力头与上导瓦和推力轴承瓦的摩擦为润滑摩擦，摩擦系数极小，产生的摩擦力矩可以被推力头与卡环之间的干摩擦力矩平衡，不会造成键槽的交变受力。因此，传递扭矩也不是蓄能机组的推力头与轴身间保持过盈配合的主要原因。这一点可以从已投运某电站抽水蓄能机组推力头结构来侧面说明，其结构如图2所示。该蓄能机组推力头与轴身间采用轴向销来传递扭矩，但其推力头与轴身之间仍然保留了过盈量（0.10～0.13mm）。

1.3 推力头承受径向力

对于推力轴承兼做上导轴承轴领的机组，推力头将承受机组机械不平衡力和偏心磁拉力在上导轴承的分力。如果机组推力头与轴身之间存在间隙，安装时可能造成推力头与轴身不同心现象的存在，如图3所示。二者如果不同心会加大机组运行时的摆度值[3]。机组运行时，间隙的存在也会使机组在机械不平衡力与磁拉力的作用下摆度不稳定。因此，减少这种影响才是对安全稳定运行有更高要求的蓄能机组推力头与轴身间保持过盈配合的主要考虑。常规悬式机组因容量较小，机组的机械不平衡力与磁拉力相比蓄能机组而言也偏低，从安装检修方便的角度考虑，只要保证推力头与轴身之间的间隙合适，机组也可以保证稳定运行。

图2 某电站抽水蓄能机组推力头结构Fig．2 Thrust block structure of a pumped storage power station

综上分析，常规机组与蓄能机组推力头与轴身紧量的设计原则本质上并无区别，只是从机组安装检修的方便性与机组运行的安全稳定性进行合理取舍的不同设置而已。

抽水蓄能机组作为电力系统的快速反应部队。机组安全稳定运行是其第一要求，因此，蓄能机组保持推力头与轴身之间的过盈量是有必要的。但过盈量的设计目前并没有相关标准。蓄能机组推力头与轴身之间的过盈量不宜过大，这是因为安装时，过盈配合的推力头与轴身需采用热套的方法安装。过盈量越大，不仅所需的加热设备容量越大，还会因推力头加热的均匀性较难保证，使推力头冷却收缩不均匀，造成轴线调整过程中盘车数据的不稳定[4]。甚至有些机组，盘车时数据合格，但顶落一次转子或运行一段时间后机组轴线会发生较大变化。因此，推力头过盈量的选取应该按照最小过盈量设计，从而减少过盈配合带来的这些副作用。

图3 推力头与轴身间隙配合偏差示意图Fig．3 Schematic diagram for deviation of clearance fit between thrust block and shaft body

2 蓄能机组推力头与轴身配合紧量设计

蓄能机组推力头与轴身之间的最小过盈量δmin的设计可以从推力头的结构来确定。在不考虑过盈紧量传递轴向力的情况下，推力头与轴身之间的过盈量最小值δmin产生的轴向力应能承受机组推力头和镜板的重量之和。这样的设计能够使推力头始终保持与卡环的紧密接触，在机组顶落转子过程中，能够有效防止由于载荷的变化造成机组轴线变化。因此，推力头与轴身之间最小过盈量可根据以下公式来选取。

式中Fmin—— 推力头与轴身轴向脱出时施加的最小轴向力，N；

G——推力头和镜板的重量之和，kg；

g——常量，一般取9.8N/kg。

因此要求：

式中p——推力头与轴身结合面压力值，MPa；

df——推力头与轴身结合面直径，mm；

lf——推力头与轴身结合面长度，mm；

μ——推力头与轴身结合面摩擦系数。

推力头与轴身结合面二者之间的压力p与过盈量δ的关系，可将推力头和轴身简化为厚壁圆筒弹性过盈配合的问题来推导[5]。

式中δ——推力头与轴身装配过盈量，mm；

Ea——推力头材料弹性模量，MPa；

Ei——主轴材料弹性模量，MPa；

Ca——推力头的刚性系数，可按下式计算：

Ci——轴身的刚性系数，可按下式计算：

da——推力头外圆直径（与轴身结合段），mm；

di——轴身内圆直径（与推力头结合段），mm；

v——泊松比，一般取值0.3。

3 蓄能机组推力头安装注意事项

如前所述，常规机组推力头与轴身之间一般存在间隙，安装时可以采用冷压安装亦可热套安装，但推力头与轴系的位置度靠加工精度保证，不受推力头热涨收缩影响。

蓄能机组由于推力头与轴身之间配合紧量的存在，推力头安装时需热套。推力头的热涨收缩会对机组轴线调整带来不便。因此其推力头热套安装时应注意以下事项：

（1）推力头热套安装时需准确测量推力头的热涨量；

（2）推力头热套安装时注意加热的均匀性；

（3）推力头热套后需保证转子在自由状态下冷却；

（4）推力头在冷却过程中需保证其与卡环及卡环与轴头之间接触良好；

（5）对于转子落在推力轴承上冷却的推力头，需在冷却后顶落一次转子使推力头应力释放后再盘车。

4 结束语

对于悬式抽水蓄能机组而言，推力头与轴身之间过盈量的设计，虽然给安装调整轴线带来了麻烦，但从保证机组安全稳定运行的角度来说是必要的。只要对推力头与轴身之间过盈量做到准确设计，就能有效的发挥过盈联接的作用，并将其带来的不良影响降到最低。

[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．BAI Yannian．Design and calculation of hydroelectric generator[M]．China Machine Press，1982．

[2] 田磊磊，吕省三．关于推力头轴孔配合标准的讨论[J]．上海大中型电机，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] 于刚，姜敏，姜明杰．推力头外圆与内孔不同心度对水轮发电机组轴线测量的影响[J]．制冷空调与电力机械，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．抽水蓄能机组轴线结构对轴线调整的影响[J]．水电站机电技术，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．机械设计手册（第五版）[M]．北京：化学工业出版社，2007．CHENG Daxian．Handbook of mechanical design（fifth edition）[M]．Bingjing:Chemical Industry Press，2007．