白鹤滩发电机推力轴承设计研究

武中德，张 宏，吴军令，王建刚，刘平安

（1.哈尔滨大电机研究所，黑龙江省哈尔滨市 150040；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040）

1 前言

随着水轮发电机组容量的增加，推力轴承的重要性也越发显得突出。推力轴承的发展过程中出现了多种支撑型式，如弹性油箱、小弹簧、橡胶垫、小支柱等，这些典型的推力轴承结构，即保证了水轮发电机机组的运行性能，同时也促进了推力轴承的发展。

巨型水轮发电机推力轴承采用可调支柱螺杆支撑的带有小支柱的双层巴氏合金瓦[1，2]，也有采用小弹簧支撑的巴氏合金瓦。这些都为1000MW级水轮发电机推力轴承设计奠定了基础。

水轮发电机推力轴承的研究一般采用理论分析，必要的情况下采用与试验研究相结合的办法。

本文针对白鹤滩1000MW级水轮发电机推力轴承进行了热弹性流体动力润滑性能有限元分析[3，4，5]及优化设计，在3000t推力轴承试验台上对白鹤滩推力轴承进行了试验研究。

2 推力轴承设计方案

根据白鹤滩水轮发电机推力轴承的载荷和转速，借鉴三峡、向家坝、溪洛渡等巨型机组推力轴承的设计和运行经验，白鹤滩水轮发电机推力轴承采用相同的推力轴承结构方案，以及外循环冷却方式。推力轴承和下导轴承组合的方式，共用一个油槽。

2.1 推力轴承瓦

推力轴承为双层巴氏合金瓦，推力瓦和托瓦间有一组小支柱，瓦的支撑采用可调球面支柱螺杆支撑，并有高压油顶起系统，外循环冷却方式。

推力轴承瓦为双层瓦结构，它由薄瓦、托瓦组成（见图1），推力瓦可互换。

2.2 支撑型式

推力轴承的支撑结构影响瓦间负荷分配。瓦的支撑采用可调球面支柱螺杆支撑，即可保证瓦的摆动灵活性，又可通过支柱螺杆内的测力传感器微调各瓦的受力，以保证瓦的高程。瓦的受力偏差≤5%。

2.3 推力轴承润滑冷却方式

外循环冷却方式，采用导瓦泵，这是粘滞泵的一种。下导轴承的瓦既是导瓦，又是油泵，导瓦泵构成外循环的动力。

导瓦泵的压头较低，经分析计算，白鹤滩推力轴承采用导瓦泵外循环符合设计规范的要求。

导瓦泵在巨型机组和蓄能机组上均有较多的应用。

图1 小支柱双层巴氏合金瓦Figure 1 Double layer Babbitte pad with pins

3 推力轴承优化

推力轴承结构参数优化一是控制瓦的长宽比，较小的长宽比，可以获得较低的瓦温。为了使瓦边的变形进一步趋向合理，优化了小支柱的直径，这样可以使推力轴承的性能得到有效提高。

在三峡右岸推力轴承的小支柱的基础上，针对推力轴承推力瓦和托瓦间的小支柱进行了优化，推力轴承每块瓦上的34个小支柱5个规格的基础上，进一步优化为4个规格。小支柱的直径及其分布以及支点位置优化后，推力轴承的油膜厚度提高，油膜温度降低。

4 推力轴承试验

试验在3000t推力轴承试验台上采用先进的测试设备，在真实的运行条件下进行，还可在真机应用之前验证推力轴承设计。

为了对水电机组推力轴承进行试验研究，早在20世纪80年代初期便建造了推力轴承试验台。试验台建成后曾成功地为岩滩水电站26.98MN推力轴承进行了巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦的真机试验，以及三峡水电站54.1MN推力轴承进行了巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦的真机试验。这些工作，为百万机组推力轴承的试验研究积累了经验。

根据3000t推力轴承试验台的规格，试验模型1∶1的真机全尺寸图吉利轴承，瓦块数减一半，推力负荷也相应减半，但保证相同的平均线速度。

4.1 试验系统

试验台的主要数据显示了轴承试验台的巨大尺寸和能力。试验台进行部分改进还可进行高速试验，使试验台既可进行高速试验，又可进行低速试验。

试验台包括试验轴承和静压加载设备，每一块静压轴承瓦上都有一液压加载油缸，两台直流驱动电机在其转速和功率范围内可反转。

4.2 测量和数据采集方法

在镜板上安装压力传感器和位移传感器，这样镜板转一圈就可获得全部试验瓦的油膜压力和油膜厚度。温度传感器安装在一块瓦和镜板的不同位置，获得测点温度，进而通过数据处理得到其温度分布。通过外循环油和冷却水，用量热法确定推力轴承损耗。在支柱螺杆内安装测力传感器，监测各瓦的受力，调整瓦的高程，以保证瓦的高程。

数据采集系统采用VXI和PXI技术。

4.3 试验测量结果

巴氏合金瓦推力轴承，额定工况下，油温24.6～30.8℃＜[50℃]，推力瓦温度67.8～69.8℃＜[80℃]（RTD），推力瓦间温度差2.0K＜[5K]，瓦面温度72.3℃＜[90℃]。

塑料瓦推力轴承，额定工况下，油温29.7～39.1℃＜[50℃]，推力瓦温度50.1～52.8℃＜[60℃]（RTD），推力瓦间温度差2.7K＜[5K]，瓦面温度68.7℃＜[90℃]。

5 计算与试验的结果对比分析

5.1 计算模型

根据试验推力轴承的参数和镜板、推力头的结构，建立推力轴承热弹变形计算模型。包括油膜、推力瓦、小支柱、托瓦、镜板、推力头等。

5.2 轴承性能

高压油顶起时的瓦变形见图3～图9。

图2 高压油顶起时瓦的变形Figure 2 The deformation of pad during jacking

推力轴承的计算结果和试验测量结果对比见表1，测量的结果验证了推力轴承的性能。

表1 试验推力轴承计算和测量结果Tab.1 Calculated and measured result of test thrust bearing

5.3 瓦面变形和镜板面变形

推力轴承瓦面的径向变形为凹变形（见图7），其与镜板的径向凸变形（见图9）相对应。

图3 瓦的油膜厚度分布Figure 3 The oil film thickness distribution of pad

图4 瓦的油膜压力分布Figure 4 The oil pressure distribution of pad

图5 瓦的油膜温度分布Figure 5 The oil film temperature distribution of pad

图6 瓦的温度分布Figure 6 The temperature distribution of pad

图7 瓦变形Figure 7 The deformation of pad

图8 镜板、推力头的温度分布Figure 8 The temperature of Thrust runner and thrust block

图9 镜板、推力头的热弹变形Figure 9 The deformation of Thrust runner and thrust block

推力轴承瓦面的径向凹变形与镜板面的径向凸变形相对应，其综合变形相对减小，油膜厚度的大小偏差减低，轴承的承载能力提高。

6 结束语

白鹤滩推力轴承的参数优化，提高了其性能。

在3000t推力轴承试验台上进行了试验研究，验证了轴承性能。

白鹤滩机组采用小支柱支撑结构的双层巴氏合金瓦，导瓦泵外循环冷却方式，满足安全可靠的运行要求。