PTFE瓦與巴氏合金瓦推力軸承熱彈流特性的對比分析

方靜輝，汪久根，趙志強，陳志祥，嚴錦麗

(1.浙江富春江水電設(shè)備股份有限公司，杭州 310013；2.浙江大學(xué) 機械系，杭州 310027)

水輪發(fā)電機組用推力軸承曾普遍采用巴氏合金瓦，直至20世紀70年代，前蘇聯(lián)首次在推力軸承上采用彈性金屬塑料瓦(PTFE瓦)后，其優(yōu)良的潤滑特性使之在水電設(shè)備領(lǐng)域得到關(guān)注并得以推廣。國內(nèi)從20世紀80年代末開始展開PTFE瓦研制以來，PTFE瓦的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進步，隨著五強溪水電站等一大批使用PTFE瓦推力軸承的成功案例的出現(xiàn)，PTFE瓦推力軸承已得到大部分水電站企業(yè)的認可[1]，目前國內(nèi)很多大中型立式水電機組均已在招標階段就明確要求采用PTFE瓦推力軸承。

與傳統(tǒng)的巴氏合金瓦推力軸承相比，PTFE瓦推力軸承在熱彈流性能方面具有顯著的優(yōu)越性，但是在以往的分析手段下，無法將這些優(yōu)越性直觀量化地表達出來。在自主開發(fā)推力軸承油膜動壓潤滑數(shù)值解析程序的基礎(chǔ)上，結(jié)合商用有限元軟件計算結(jié)構(gòu)件熱彈變形的方便性和準確性，研制了完整的推力軸承熱彈流特性分析軟件[2-5]。并針對某水電站機組增容特性計算要求，利用該軟件精確地比較分析了推力軸承穩(wěn)態(tài)熱彈流潤滑特性，重點分析了PTFE瓦和巴氏合金瓦之間的區(qū)別。

1 設(shè)計參數(shù)

為了比較分析，在設(shè)定推力軸承幾何特征參數(shù)幾乎完全一致的前提下(推力瓦夾角、長寬比、支撐偏心率相同)，分別就PTFE瓦(A方案)和巴氏合金瓦(B方案)2種推力軸承特性進行了研究，推力軸承具體的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 兩種方案的設(shè)計參數(shù)

2 熱彈流特性的比較

利用推力軸承熱彈流特性分析軟件分別對PTFE瓦和巴氏合金瓦推力軸承進行熱彈流特性計算，得到對應(yīng)的推力軸承熱彈流特性主要特征值之間的量化差別，見表2。同時，對這兩種方案下的推力瓦瓦體溫度分布特性、推力瓦熱彈變形特性、油膜壓力分布特性和油膜厚度分布特性和油膜溫度分布特性計算結(jié)果分別進行比較。

表2 推力軸承熱彈流特性計算結(jié)果比較

2.1 瓦體溫度分布特性

比較圖1與圖2可知，PTFE瓦瓦體的穩(wěn)態(tài)溫度分布特性與巴氏合金瓦瓦體的穩(wěn)態(tài)溫度分布特性截然不同。PTFE瓦瓦面的最高溫度比巴氏合金瓦略高，而瓦坯層的溫度相比于巴氏合金瓦要低得多，只比油槽溫度略高，而且瓦坯層的溫度分布幾乎均勻一致。巴氏合金瓦瓦坯層的溫度較高，而且在厚度方向上存在明顯的溫度下降梯度。

圖1 PTFE瓦瓦體的溫度分布特性

圖2 巴氏合金瓦瓦體的溫度分布特性

比較圖3與圖4可知，巴氏合金瓦瓦體溫度在厚度方向上的分布幾乎成勻速下降趨勢，而PTFE瓦瓦面材料層的溫度下降梯度很大，瓦坯層的溫度下降梯度很小。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是PTFE材料的熱導(dǎo)率比碳素鋼低很多；因此，PTFE瓦大部分的溫降集中在瓦面材料層，而巴氏合金的熱導(dǎo)率與碳素鋼接近，瓦面層與瓦坯層的溫度梯度接近，PTFE材料的熱膨脹率比碳素鋼大，但是由于PTFE層的厚度比較小，整體軸向熱彈變形還是較小。

圖3 PTFE瓦瓦體斷面的溫度分布特性

圖4 巴氏合金瓦瓦體斷面的溫度分布特性

從兩者斷面的溫度分布特性可見，采用傳統(tǒng)的推力瓦瓦溫測量方法測量推力瓦溫度時，PTFE瓦瓦體溫度會大幅度低于巴氏合金瓦瓦體溫度。

顯而易見，由于瓦體溫度分布更加均勻，內(nèi)部相對熱應(yīng)力很小，所以，PTFE瓦推力軸承的推力瓦熱變形將大幅度減小。

2.2 推力瓦熱彈變形特性

在推力瓦熱彈變形分析中，由于PTFE材料的物理特性復(fù)雜，通過在商用有限元軟件中設(shè)置非線性材料特性的方法設(shè)置其特性。比較圖5、圖6可知，PTFE瓦瓦面和巴氏合金瓦瓦面的熱彈變形趨勢不同。前者熱彈變形后呈凹形，后者呈凸形，所以，PTFE瓦在瓦面進油邊須加工楔形坡口，避免在旋轉(zhuǎn)方向上出現(xiàn)反楔形油膜，這會導(dǎo)致油膜喪失承載能力，嚴重危害軸承運行安全。

圖5 PTFE瓦的熱彈變形特性

圖6 巴氏合金瓦的熱彈變形特性

另外，對于PTFE瓦推力軸承，機組運行時，瓦面的軸向最高點位于出油邊上，當油膜壓力分布梯度過大時，就要在推力瓦瓦面的出油側(cè)加工楔形出油邊，以防止瓦面出油邊與推力鏡板發(fā)生結(jié)構(gòu)接觸。

從計算結(jié)果的量化比較可知，PTFE瓦瓦面軸向最大熱彈變形差約為巴氏合金瓦的1/2左右，因此，PTFE瓦瓦面在運行時的平面度更好。

2.3 油膜壓力分布特性

如圖7、圖8所示，從兩種瓦各自的油膜壓力分布特性中可以發(fā)現(xiàn)，相比于巴氏合金瓦推力軸承，PTFE瓦推力軸承油膜的壓力分布梯度較小，壓力分布均勻。

圖7 PTFE瓦軸承的油膜壓力分布特性

圖8 巴氏合金瓦軸承的油膜壓力分布特性

選用PTFE瓦后，油膜的最大壓力會比巴氏合金瓦下降30%左右，潤滑油膜的承載范圍會大幅度增加；如采用巴氏合金瓦，潤滑油膜的承載區(qū)域就會集中在推力瓦支撐中心附近，此處的壓力升降梯度很大，這對軸承的潤滑特性有著不利的影響。由此可以推斷，對于同一推力軸承，選用PTFE瓦可以設(shè)計更大的平均壓力。

同時，從潤滑油流速計算公式可知，油膜壓力分布梯度的提高，會加快潤滑油的流動速度，進而增大瓦面的必需潤滑油量。

潤滑油徑向流速

(1)

潤滑油周向流速

(2)

2.4 油膜厚度分布特性

對比圖9與圖10可知，PTFE瓦推力軸承油膜的最小厚度比巴氏合金瓦軸承略大，有利于軸承的安全運行。PTFE瓦推力軸承油膜在徑向上厚度幾乎一致，而巴氏合金瓦推力軸承油膜厚度在徑向上呈中間下凹狀，這會導(dǎo)致油膜內(nèi)、外徑側(cè)的端面面積增大，進一步增大瓦面的必需潤滑油量。

圖9 PTFE瓦軸承的油膜厚度分布特性

圖10 巴氏合金瓦軸承的油膜厚度分布特性

2.5 油膜溫度分布特性

從圖11中可知，選用PTFE瓦的推力軸承油膜溫升會有所提高，這是因為PTFE材料的導(dǎo)熱性能差，使得油膜剪切損耗產(chǎn)生的熱量不能快速從推力瓦側(cè)散發(fā)出去，最終加大了油膜的溫升；而巴氏合金瓦就不會出現(xiàn)該現(xiàn)象。

溫度/℃

從圖12可發(fā)現(xiàn)，巴氏合金瓦推力軸承油膜的進油區(qū)存在一個明顯的回流區(qū)域。這是由于油膜在該區(qū)域有較高的壓力上升梯度，導(dǎo)致潤滑油出現(xiàn)回流造成的。而PTFE瓦推力軸承油膜在該處的壓力上升梯度較小，故不存在明顯的回流現(xiàn)象。

溫度/℃

另外，從溫度分布趨勢上分析，PTFE瓦推力軸承油膜的最高溫度點出現(xiàn)在出油邊處；而巴氏合金瓦推力軸承油膜的溫度在接近出油邊時開始下降。這是由于該處的油膜厚度快速增大，瓦間流道對油膜熱對流的影響增大及潤滑油本身出現(xiàn)膨脹吸熱的緣故造成的。

3 結(jié)束語

在水輪發(fā)電機組推力軸承設(shè)計中，選用PTFE瓦后，經(jīng)過適當?shù)耐呙嫘扌危捎行Ц纳戚S承的熱彈流潤滑特性，使軸承運行更加安全可靠。PTFE瓦推力軸承熱彈流潤滑特性具有以下特點。

(1)推力軸承油膜的最大壓力降低，使油膜壓力分布更均勻。這意味著同等條件下，PTFE瓦推力軸承可以設(shè)計更高的平均壓力。

(2)推力軸承潤滑油膜溫升較高，潤滑油的流動性提高，在一定溫度范圍內(nèi)有利于油膜潤滑，但溫升過高時，需考慮設(shè)計單瓦面積更小的推力瓦。

(3)推力瓦瓦體的溫度大幅度下降，其整體熱變形相應(yīng)減小。

(4)通過適當加工推力瓦進、出油邊的楔形坡口，可以有效提高潤滑油膜的最小厚度，降低發(fā)生事故的風險。

(5)推力軸承瓦面的必需潤滑油量減小，軸承的潤滑損耗減小。

(6)油膜入口區(qū)域的回流現(xiàn)象將減弱甚至可能消失，有利于保護推力瓦的表面。

(7)推力瓦面進油側(cè)需加工楔形坡口，對于平均壓力大的推力軸承，還必須在出油側(cè)加工楔形坡口，以確保瓦面在熱彈變形后整體呈凸形。