淺析枕頭壩一級水電站機組推力軸承結構

靳　帥，　張 利 利，　時 寒 冰

(國電大渡河枕頭壩水力發電總廠，四川 樂山　614700)

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淺析枕頭壩一級水電站機組推力軸承結構

靳帥，張 利 利，時 寒 冰

(國電大渡河枕頭壩水力發電總廠，四川 樂山614700)

摘要：介紹了枕頭壩一級水電站推力軸承支撐結構、冷卻方式、防油霧措施等結構的特點，論述了彈性油箱的支撐結構和金屬塑料瓦對機組運行狀態的改善，鏡板泵在推力油冷卻循環中的作用，接觸式密封在防油霧方面起到的作用等。這些結構在枕頭壩一級水電站機組的長期安全穩定運行中起著重要的作用。

關鍵詞：金屬塑料瓦；彈性油箱；鏡板泵；接觸式密封；枕頭壩一級水電站

枕頭壩一級水電站位于四川省樂山市金口河區的大渡河中游干流上，上鄰深溪溝水電站，下接枕頭壩二級水電站。電站采用堤壩式開發，河床式廠房。工程的主要任務為發電，兼顧下游用水，在電力系統中擔任調峰和負荷備用。電站裝設4臺軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量720MW。機組由浙江富春江水電設備有限公司設計制造。眾所周知，推力軸承是機組的重要部件之一，其可靠性對整個機組的安全穩定運行至關重要。

1推力軸承的結構特點

1.1概述

枕頭壩一級水電站發電機采用立軸半傘式、密閉自循環、自通風、空氣冷卻三相凸極式同步發電機。推力軸承位于轉子下方，安裝在下機架上。推力軸承承受水輪發電機組所有轉動部件的重量和軸向水推力構成的組合載荷。推力軸承的基本參數見表1。

表1　推力軸承基本參數表

1.2結構說明

軸承結構主要包括：推力頭、鏡板、推力瓦、彈性油箱、油槽和冷卻器。推力頭與轉子中心體之間采用螺栓連接。鏡板為整體環狀結構，通過螺栓把緊在推力頭上。鏡板采用55#鍛鋼，鏡面硬度為200HB，平面平行度為0.02mm，鏡面平面度為0.02mm，鏡面粗糙度為0.3μm。推力軸承的結構見圖1。

圖1　推力軸承結構示意圖

2推力瓦及彈性油箱

推力軸承采用彈性金屬塑料瓦，使用三波紋彈性油箱支撐。推力瓦與彈性圓盤為面接觸，可有效減小瓦面在受力后的變形。彈性圓盤和塑料瓦在工廠加工，現場無需對推力瓦進行受力調整和刮瓦。

2.1推力瓦

推力瓦由20塊扇形瓦組成，彈性金屬塑料表層摩擦面的主體成分為聚四氟乙烯。該材料具有摩擦系數小、熱穩定性高及自潤滑特性，能夠減輕局部過熱對瓦基的影響，具有自調節性能，載荷分布均勻，可為機組安全穩定運行提供可靠的保證。

與傳統的鎢金瓦相比，塑料瓦耐壓耐溫能力較強，具有良好的電氣絕緣性能，不需要軸絕緣即可防止軸電流。彈性金屬塑料瓦能夠承受的單位壓力和溫升比巴氏合金瓦高，瓦體溫度和損耗比巴氏合金瓦軸承低，可以滿足水輪發電機組頻繁啟動的要求。

2.2彈性油箱

推力軸承支撐結構對瓦間負荷分配有很大的影響。軸承采用分塊、可傾式的動壓潤滑滑動軸承，其工作機理是利用軸瓦與推力鏡板之間存在的相對運行速度和楔形油膜形成動壓承載油膜與機組轉動部件的軸向推力載荷相平衡。

彈性油箱支撐結構使推力瓦荷載均勻，增加了軸承座上支撐機構的相對彈性，補償了不同軸向載荷下負荷分布的差異，而且能夠通過自身的機械變形補償瓦的熱變形和機械變形，有利于維持最大可能的油膜厚度。在負荷快速變化時，彈性油箱支撐可確保可靠的阻尼效應。這些特性較好地符合了枕頭壩一級水電站機組的運行要求。

枕頭壩一級水電站機組推力軸承支撐結構見圖2。

圖2　軸承支撐結構示意圖

該機組的受力傳遞為：推力頭——鏡板——推力瓦——托瓦——彈性油箱——托盤——軸承支座——下機架。

3鏡板泵外循環冷卻方式

枕頭壩機組推力軸承采用鏡板泵外循環的冷卻方式。在鏡板上加工數個徑向泵孔，利用鏡板的旋轉形成鏡板泵，冷卻器與推力軸承分別安裝在油槽的外部和內部。

當機組運行時，鏡板泵孔可以形成穩定壓力。當機組運轉時，從鏡板泵孔噴出的油在外徑處的集油槽匯合，除了上下密封處存在部分泄漏外，大部分的潤滑油匯總到油冷卻器的進油管，經過3個外置油冷卻器的冷卻，冷油匯總到位于油槽內的噴油管，將冷油輸送到推力瓦的進油邊，流經瓦面后形成的熱油和油槽內的油混合后，經鏡板泵孔又被抽至集油槽，從而形成一個完整的循環回路。

油冷卻器設計為正反向均可進水，以防止沉淀物堆積，可在不拆卸軸承的條件下進行更換或檢修。潤滑油采用水冷卻方式。在正常運行時，如果軸承冷卻水中斷，允許帶額定功率無損運行至少30min。

枕頭壩一級水電站機組推力軸承采用鏡板泵外循環，從而使軸承整體結構簡單，機組開機即可建立油循環，避免了設置外加泵可能的故障給機組運行造成的隱患。拆卸推力瓦時不需要拆卸油冷卻器，推力軸承的檢修維護比較方便，單個油冷卻器的拆卸與維修不影響其他冷卻器的正常使用。這種油循環冷卻系統能夠滿足枕頭壩一級水電站機組運行工況的要求。

推力軸承潤滑和冷卻方式見圖3。

圖3　推力軸承潤滑和冷卻方式示意圖

4防油霧裝置

4.1油槽油霧成因分析

(1)水輪發電機組運行需要大量的透平油來冷卻和潤滑。透平油在運行過程中會吸收空氣中的水分和空氣。隨著機組運行油溫的升高，使冷態下融入透平油內的微量水分產生汽化，伴隨一定的油被帶出，從而形成油霧。

(2)水輪發電機組運行時高速旋轉，將推力油槽內的油甩起后又被流動的氣流沖散，形成更小的油滴伴隨油流與機組固定件之間摩擦、碰撞，產生大量的泡沫，加大了透平油與空氣的接觸面積，促使透平油汽化加劇，形成了大量的油霧。

4.2油霧對機組的危害

發電機推力軸承內大量的油霧在機組運行過程中隨著大軸轉動從密封間隙被氣流帶出進入發電機風洞，有可能造成定子線棒、引線、阻尼繞組、轉子磁極等被污染，從而降低線棒絕緣，加速絕緣老化，同時，亦會在下機架、轉子支臂上形成黑色的油污。

轉子制動環被油污污染后，降低了摩擦系數，延長了停機時間，對推力瓦損壞嚴重。若油污由于劇烈的摩擦產生熱量形成油煙，這種油煙與機組制動環制動時所產生的顆粒混合后進入發電機氣隙中及線棒上清掃起來十分困難，產生的后果更為嚴重。

4.3接觸式密封的特點

枕頭壩一級水電站機組推力油槽油封設計采用接觸式密封結構。接觸式密封蓋的密封齒與推力頭表面接觸，實現無間隙運行。接觸式密封蓋其密封齒沿圓周為多等分結構，每瓣均能與軸形成徑向跟蹤，徑向壓縮量為+1～-2.5mm，因此，在轉軸偏心運行時，可以自動跟蹤，進而實現無間隙運行。

接觸式密封蓋與推力頭接觸材料采用特種復合材料，具有自潤滑特性。接觸式密封蓋在運行中不損傷推力頭，不引起推力頭震動及軸溫升高。生產廠家應在結構上對油槽內所有部件進行合理的布置，使油流順暢，減小撞擊，從而減少油霧的產生。該推力頭上加工了一組徑向的小孔，以平衡推力頭內外的壓力。油槽內設計有穩油板以穩定油面。

推力軸承油槽接觸式密封結構見圖4。

接觸式密封結構還配有一個油霧分離器，可以在運行時將油槽內產生的油霧通過其分離后形成油滴流入油槽，而過濾后產生的干凈氣體則經過油霧分離器排出。該裝置在運行時還可以起到平壓的作用，保證油槽內外壓差為零，防止油霧壓力過大而破壞密封，從而確保密封長期有效。

圖4　接觸式密封結構示意圖

筆者簡要介紹了枕頭壩一級水電站推力軸承采用彈性油箱支撐結構、金屬塑料瓦的優點，闡述了鏡板泵外循環的特點，通過分析機組運行中油霧的成因和危害，解釋了枕頭壩一級水電站機組采用接觸式密封的特點。枕頭壩一級水電站機組在推力軸承結構設計上的這些特點，為推力軸承安全、可靠和穩定運行提供了保障，滿足了機組長期運行的需要。同時，枕頭壩一級水電站機組具有的上述特點，也為同類型水輪發電機組推力軸承的選擇和設計提供了參考依據。

參考文獻：

[1]單文培.水電站機電設備的安裝運行與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]于蘭階.水輪發電機組的安裝與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，1995.

靳帥(1990-)，男，河南南陽人，助理工程師，學士，從事水電站運行維護技術與管理工作；

張利利(1986-)，女，河南新鄉人，助理工程師，學士，從事水電站運行技術與管理工作；

時寒冰(1983-)，男，河南南陽人，助理工程師，學士，從事水電站技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

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收稿日期:2015-10-15

文章編號:1001-2184(2015)06-0130-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV735；TV737

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