大藤峽水輪發電機推力軸承設計與研究

閣亮成，范小付，羅海強，武中德，劉平安

(1.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537200；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

大型水輪發電機推力軸承的性能參數對機組的運行可靠性和效率起到了至關重要的作用。大型水輪發電機推力軸承設計，重點考慮支承結構、參數、冷卻方式等。大型和特大型推力軸承常用的支承結構有彈性油箱、小彈簧、小支柱雙層瓦等[1-3]。文獻[4-5]針對三峽等巨型機組開發的球面支柱支承的小支柱雙層瓦推力軸承，普遍應用于低速重載的巨型水輪發電機，此結構的推力軸承是最優選擇之一，推力軸承具有承載能力高的特點。

文獻[6-8]開發了推力軸承油膜的熱流體動力分析程序，并借助結構分析軟件的熱傳導和變形分析功能，形成的推力軸承熱彈流分析程序(TBearing/Ansys)。這也是大型滑動推力軸承的設計計算一般采用的方法。

機組運行過程中，普遍采用監測瓦溫的方式來監視推力軸承的運行，慣例則是瓦溫低，軸承性能好，瓦溫高，軸承性能差，因為瓦溫過高可能引起燒瓦事故[9-10]。

推力軸承的潤滑冷卻方式一般有內循環和外循環，內循環冷卻器分為立式冷卻器、臥式冷卻器和抽屜式冷卻器3種方式，外循環則采用管殼式和板式冷卻器。無論是內循環還是外循環冷卻方式，油槽內的油循環都有合理的路徑，通過把冷、熱油分隔開，才能確保冷卻效率[11-13]。否則，會造成瓦間油溫提高，即提高了瓦的進油溫度，進而提高了瓦溫。

1 推力軸承設計

1.1 推力軸承設計計算

聯立求解了潤滑油膜的動壓(雷諾方程)、熱能量、黏度-溫度、油膜厚度等方程，并利用結構分析軟件(Ansys)對推力軸承和鏡板推力頭進行三維熱彈變形分析，迭代求解并描述出潤滑過程的特征[6-8]，實現了對推力軸承的熱彈流動力潤滑性能分析。

1.1.1雷諾方程

(1)

式中h——油膜厚度；μ——油膜黏度；r、θ——極坐標；ω——鏡板旋轉角速度；p——油膜壓力。

邊界條件：沿瓦面周邊壓力為0。

1.1.2能量方程

(2)

式中 J——熱功當量常數；Jβ——熱交換系數；ρ——油密度；T——油膜溫度；Cp——油比熱；T0——瓦(鏡板)溫度；K——導熱系數。

邊界條件：入油邊T=Tin；內、外徑邊為絕熱邊界；出油邊為自然邊界。

1.1.3油膜黏度

根據潤滑劑在某溫度下的已知黏度，由拉格朗日插值曲線公式可求得其各溫度下的黏度分布：

(3)

1.1.4油膜厚度

(4)

式中hij——油膜厚度；h0——瓦面中心點油膜厚度；mθ——瓦周向傾角；mr——瓦徑向傾角；Dij——瓦面的熱彈位移；R0——瓦平均半徑；Wij——鏡板工作面的熱彈位移。

1.2 推力軸承結構

大藤峽水輪發電機推力軸承見圖1，與三峽水輪發電機推力軸承采用相似的結構和冷卻方式(圖2)。

圖1 推力軸承瓦

圖2 推力軸承

采用小支柱雙層瓦，球面支柱支承結構，這種結構的推力軸承在巨型機組上常用，三峽、溪洛渡、向家壩、龍灘、拉西瓦、小灣及白鶴灘等水電站均已采用，屬于非常成熟的推力軸承設計結構。這種結構的推力軸承承載能力大，各瓦載荷的均勻性達到5%。推力瓦和托瓦間的34個小支柱，經過特別的優化設計，采用20、30、35、40 mm 4種直徑規格。在額定工況下具有合理的瓦面變形，徑向瓦變形和鏡板變形有相同的趨勢，油膜厚度分布趨于均勻，具有最佳的承載能力。

1.3 推力軸承參數

大藤峽水輪發電機推力軸承參數見表1。軸承性能計算結果見表1、圖3—9。在額定水頭和額定功率運行時，推力軸承瓦溫不超過80℃(GB/T 7894《水輪發電機基本技術條件》)。溫度高低不是軸承安全的決定性因素，在各水頭段，推力軸承的最小油膜厚度大于[30 μm]，具有足夠的安全裕度。大藤峽水輪發電機推力軸承與類似電站對比見表2，與三峽、溪洛渡、向家壩等推力軸承性能相當。

表1 軸承性能計算結果

圖3 推力瓦油膜厚度分布(μm)

圖4 推力瓦油膜壓力分布(MPa)

圖5 推力瓦油膜溫度分布(℃)

圖6 推力瓦溫度分布(℃)

圖7 推力瓦變形

圖8 鏡板推力頭溫度分布

圖9 鏡板推力頭變形

表2 類似結構推力軸承的主要參數

1.4 冷卻系統

大藤峽水輪發電機組推力軸承屬于重載、低速，推力軸承油槽具有較大的尺寸空間，采用了內循環冷卻方式和適用于傘式電機推力軸承并方便檢修的抽屜式冷卻器。油冷卻器安裝在軸承油槽內并把合在油槽壁上，銅管全部浸在潤滑油中以便進行熱交換，距鏡板外圓有一定間隔。冷卻器的大小由每千瓦損耗所用冷卻管長度確定。

大藤峽水輪發電機推力軸承配設的抽屜式冷卻器見圖10，共24組。采用φ25/22mm銅管，按最高水溫30℃設計，每組冷卻器的水流量433 L/min。

圖10 抽屜式冷卻器示意

大藤峽水輪發電機推力軸承的油路(圖11)分布是：冷油進入推力軸承內徑側，在軸承內徑側形成冷油室，瓦間冷油流向與離心力方向一致，進入瓦間的冷油，大部分流入瓦與鏡板摩擦面起潤滑作用;另一部分冷油在瓦塊間參與冷卻流向軸承外徑側，與從摩擦面間流出的熱油匯合，通過布置在槽壁上的出油管將熱油引出至抽屜式冷卻器迸行冷卻，油經過冷卻變為冷油。

圖11 改進后的油循環路徑

2 機組初期運行推力瓦溫度高的原因分析

現已運行的三峽、向家壩、溪洛渡等巨型機組推力軸承均采用小支柱雙層瓦結構的巴氏合金瓦推力軸承均運行良好。

大藤峽機組推力軸承與三峽、向家壩推力軸承相比，載荷和轉速略低，設計計算的結果表明，大藤峽機組的推力軸承運行性能應優于三峽和向家壩的推力軸承性能。

2020年4月大藤峽8號機組正式投運，機組初期運行平穩，推力軸瓦溫度正常。但運行水頭較低(16～18 m)，機組未帶滿負荷運行，冷卻水溫度也未達到最高。水頭18 m、負荷100 MW時，推力瓦溫和調試初期比有所上升，2020年5月5日最大溫度值為72.6℃，至5月22日水溫升高了約5 K，進水溫為25.6℃，出水溫是26.6℃，最高瓦溫75℃。

通過分析，推力軸承油槽內的油循環路徑與設計預期的油路有一定的偏差，引起瓦的進油溫度較高，進而提高了瓦的溫度。

2.1 油循環的影響

現場監測7、8號機組的冷卻水溫較高，但油溫較低，且冷熱油的溫度基本一致，說明油循環不理想，大部分油在冷卻器周圍循環。

采用運動粒子分析方法，模擬大藤峽機組在額定工況運行下油流狀態，機組轉速為額定轉速，考慮LTSA-46潤滑油黏性參數，旋轉部件與潤滑油接觸區域為黏滯層，仿真分析潤滑油在旋轉件帶動下的流場運行狀態。圖12的流場分析表明，冷卻器和瓦之間未安裝隔油板，形成油循環路徑的短路，進油的小部分冷油經瓦的下邊流向瓦的內徑，使得瓦的進油量中的小部分是冷油，大部分是熱油，造成進油溫度和瓦溫的升高。

圖12 油的循環路徑分析

2.2 推力軸承性能

大藤峽發電機轉動部分重量1 675 t，根據大藤峽水輪機轉輪模型試驗的結果，發電機出力100 MW(水頭16 m)，水推力約為1 000 t，發電機額定出力200 MW(水頭25 m)，水推力約為1 250 t，發電機額定出力200 MW(水頭34 m)，水推力約為1 680 t(表3)。根據標準GB 15613—2008，軸向水推力還有±20%的不確定度。發電機額定出力200 MW(水頭34 m)時，推力負荷為32 880 kN、考慮上浮20%即為36 172 kN(3 691 t)，此時推力瓦的監測溫度通過計算分析將上升4 K左右。

不同水頭段推力負荷的變化對應瓦溫和最小油膜厚度見表4、5。推力軸承具有較大的最小油膜厚度，推力軸承的最小油膜厚度大于[30 μm]，就有足夠的安全性。雖然額定工況時推力瓦的溫度較高，但還是能夠確保推力軸承的安全運行。根據目前實際的運行情況，推力軸承瓦溫的整定值建議調整為80℃報警、85℃停機。

表3 各水頭下對應推力負荷參數

表4 26℃水溫時計算軸承溫度

表5 30℃水溫時計算軸承溫度

3 改進措施

3.1 隔油板

對于高速機組，油槽內油的循環速度較大，鏡板和瓦面位置甩出的油較多，甩出的油經冷卻器和瓦的支墩之間，迅速補充到瓦的內徑部位，構成冷熱油的循環路徑，在冷卻器和瓦之間的回油不會明顯。大藤峽推力軸承的轉速較低，對冷卻器和瓦之間的回油速度的影響就會較大，造成足夠影響冷卻效果的油量只在冷卻器周圍循環，也就減少了推力瓦內徑部位的冷油的補充，進而出現瓦的進油溫度提高，瓦溫升高的現象。

在推力瓦與冷卻器之間，以及冷卻器與冷卻器之間加裝隔油板(圖13)，確保油的循環按照設定的路徑(圖11)，使瓦面出來的熱油經過冷卻器冷卻變成進入瓦面的冷油，實現推力軸承的潤滑和冷卻。

圖13 冷卻器之間及與瓦之間的隔板

3.2 擋油板

瓦間導流板上增設擋油板(刮油刷)，見圖14。瓦的徑向寬度850 mm，擋油板徑向長度550 mm，按一定角度設置，在里側，與瓦的出油側間距較小，與瓦的進油側間距較大，在外側，與瓦的出油側間距較大，與瓦的進油側間距較小，有利于冷油進入瓦間，熱油從瓦間甩出。

圖14 導流板

擋油板可上下浮動，彈簧預緊。

擋油板(刮油刷)可實現2個功能：一是實現瓦間的冷熱油分隔，熱油出，冷油進的狀態；二是實現減少鏡板攜帶的熱油進入冷油區。這樣就可以降低瓦的進油溫度，進而降低瓦溫。

4 改進結果

未安裝隔油板和擋油板的7、8號機推力軸承瓦溫與計算分析的結果一致。

2020年7月，在大藤峽6號機安裝了隔油板和擋油板，與未裝瓦隔油板和擋油板的7、8號機相比，機組出力100 MW時瓦溫減低4 K，額定工況時推力瓦溫明顯降低(表6)，瓦溫降低4～5 K。2020年枯水期大藤峽8號機停機改造，加裝了隔離板和擋油板，與未裝瓦隔油板和擋油板前進行對比，推力瓦溫降低非常明顯。

表6 擋油板安裝前后對比

5 結論

選取合適的推力軸承結構，其參數設計合理，是保證推力軸承性能的基礎，但有效的潤滑冷卻方式對降低推力軸承溫度也具有重要的影響。

通過保證油槽內油的循環按照設計設定的路徑進行，才能保證推力軸承瓦的冷卻效率，實現所設計的冷卻效果。

大藤峽機組推力軸承采用內循環冷卻方式，通過改造，在推力瓦與冷卻器之間，以及冷卻器與冷卻器之間加裝隔油板，在瓦間導流板上增設擋油板(刮油刷)，實現了冷熱油的有效分隔，確保了推力油槽內油的循環能完全按照設計設定的路徑進行，從而有效降低瓦的進油溫度，進而有效減小鏡板熱油攜帶對瓦溫的影響，達到降低瓦溫的預期效果。