梨园水电站发电机推力轴承设计.pdf

小水电 2 0 1 3 年第4 期 ( 总第 1 7 2 期) 技术交流 梨 园水 电站 发 电机 推力 轴承设计 张丽萍 ( 水利部农村电气化研 究所 浙江杭 州 3 1 0 0 1 2 ) 张立明 ( 杭州慧翔 电液技术开发有限公 司 浙江杭 州 3 1 0 0 1 2 ) 【 摘要】结合梨园水电站水轮发电机推力轴承四 “ 高”的特点，详细介绍 了 推力轴承的结构和加工方式。高可靠性的 设计 ，能够保证机组的安全运行。图3幅，表 2个。 【 关键词】水电站推力轴承设计 支撑方式 1 概述 梨 园水电站位于云南省丽江市玉龙县与迪庆州 香格里拉县交界的金沙江干流上 ，为金沙江中游河 段 “ 一库八级”水 电开发方案中的第三梯级。该工 程属 I 等大型工程 ，以发 电为主，兼顾防洪、旅游 等综 合 效 益 。 电 站 装 机 容 量 2 4 0 0 MW ( 4 X 6 0 0 M W) ， 与上 游龙 盘 水 库联 合 运 行 时年 发 电量 1 0 7 0 3 亿 k W h ，联合运 行保证 出力为 1 1 0 3 MW。 枢纽主要 由挡水、泄洪排沙 、电站引水系统及坝后 岸边厂房等组成。 梨园水电站的发电机组属于现代巨型水轮发电 机组 ，推力轴 承有 四 “ 高”的特 点推力负 荷 高 、单位压力高、镜板运行速度高、损耗高。这样 大的损耗转变为大量的热能就要求推力轴承设计必 须具有高可靠性 ，确保发电机的机械心脏推力 轴承的润滑和冷却系统运行稳定 ，否则将直接影响 到机组的安全经济运行 。 水轮发电机推力轴承的制造难度处于大型推力 轴 承制 造难 度 范 围以 内，但 仍应 高度 重视( 见 表 1 ) 。 表 1 推 力轴承难 度系数及 支撑方式 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 4 0 1 作者简介：张丽萍 ( 1 9 8 2 一) ，女，工程师，主要从事水电 站设计及项目管理工作。 E ma i l ： l p z h a n g h r c s h p o r g 3 7 技术交流 S M A L L H Y D R O P O W E R 2 0 1 3 N o 4 T o t a l N o l 7 2 梨园水 电站水轮发 电机推力轴 承的总体布置 为 ：推力轴承和下导轴承为组合轴承，置于转子下 方 ，安装在下机架上 。上导轴承置于转子上方 ，安 装在上机架上 。 推力轴承的运行工况为 ：推力轴承能承受水轮 发电机组所有转动部分的重量 ，包括水轮机最大水 推力在 内的最大荷载。推力轴承结构设计考虑可以 方便地进行整体镜板的更换 ，即在转子吊出后 ，镜 板能拆卸。推力轴承的结构设计和布置能在顶起转 子 、卸除轴承负荷的情况下 ，便于检查 、调整 、拆 卸和组装推力瓦 ，且不干扰定子 、转子或轴承架。 在各种可能的负荷工况 ，包括机组在最大输出 时甩负荷和发生双倍转轮间隙的工况下 ，导轴承 、 推力轴承设计保证能够承受水轮发 电机组所有转动 部分重量 ，包括水轮机水推力在内的所有载荷。 针对梨园水电站的具体情况和要求 ，在设计时 应重点考虑以下几方面： 推力瓦的支撑方式。 轴 向偏心率。 瓦面热变形。 油膜刚度 。 推力瓦受力调整。 推力瓦残余变形。 机组振动干扰 。 润滑油的循环和冷却。 2 推力轴承的结构和特点 设计结构布置如下所示 ( 见图 1 ) 。 l 4 l 3 图 1 组合轴承结构 2 1 推 力轴 承 的 支撑 方式 从表 1 可 以看出，一些典型的推力轴承 ，不论 难度系数如何 ，其支撑方式各不相 同，没有统一的 方式 ( 这一点三峡电站的机组就可以充分地证 明) 。 现有机组的结构基本上表现 了不同厂家的设计技术 风格 ，如弹性小支柱支撑 、弹簧簇支撑 、弹性垫支 撑 、弹簧油箱支撑 、平衡梁支撑 、支柱螺栓支 撑 等 ，都是不同厂家根据 自己的传统优势和经验提出 3 R 1 镜板 2 销 子 3 供油管 4 推力头 5 通气孔 6 油槽盖 7 盖板 8 支撑环 9 调整装置 l O 导轴瓦 l 1 巴氏合金瓦面 1 2 推力瓦定位销 l 3 弹性橡胶垫 1 4 推力瓦 并推荐的。 根据笔者 的经验 ，建议采用弹性垫支撑方式 。 应用该支撑方式的推力轴承通过了工厂和工地的各 项试验。经过详细地测量和记录推力轴承在正常、 过速及各种异常状态下的运行情况 ，最后的结论是 该支撑方式是十分安全可靠的。 该支撑的每个弹性垫由 1 层金属基层和 1 层硬 度很 高 的航 天 特 殊 材 料 复 合 而 成 ，总 厚 度 为 技术交流 S M A I I H Y D R 0 p R 2 0 1 3 N o 4 T o t a l N o 1 7 2 表 2 ) 。 表 2 轴承设计尺寸参数 通过轴瓦油膜特性 的 3 个参数 ( 即最小油膜厚 度 ，平均油膜厚度及轴瓦的倾斜度) ，可 以准确分 析计算推力轴瓦运行时变形和轴承设计的偏心率是 否合理；推力瓦的整个支撑中心将沿着机组 的旋转 方向偏移一定 的距离 ，具体偏 心值 经设计计算确 定。这样可以更好地形成楔形油膜以及在滑动面间 建立油压。 3 循环润滑冷却方式 推力和下导组合轴承采用外循环冷却方式 。外 循环冷却是指冷却器安装在油槽的外部 ，外循环又 根据循环动力的方式分为 自身泵和外加泵两种形式 ( 见 图 3 ) 。 图 3 油槽 内的油循环 自身泵外循环适宜在高转速机组上使用 ，一是 推力轴承 P V值高，二是轴承的尺寸较小。 与依靠 自身泵作用的外循环方式相比，外加泵 油循环冷却系统有如下优点 ： 外加泵可保证流速稳定 ，完全满足冷却油循 环流量的需要。导轴承间隙完全不影响油的流量。 油槽 内不必设置流速控制装置 ，避免了设备 操作 的麻烦。 油泵工作压力可达1 0 b a r ， 压力足够高 ，可以 使用油过滤器 。 冷却器尺寸可以减少 ，因为外加泵油循环冷 却系统对冷却器油侧压力损失 的限制远没有 自身泵 系统要求的高。 4 0 冷却系统可以独立于机组工作 。无需其他设 备 ，在机组试运行或维修后 ，可以直接过滤冷却油。 油从 油槽 出来 ，经过 泵、过滤器 、油冷却 器 ，然后 回到油槽内的供油环管。使用温度 、压力 及流量控制等监测设备可以保证油循环的可靠性。 油冷却器 固定在下机架附近，并考虑有足够的 备用量。冷却器和油槽 内的冷油和热油 区直接相 通，每个冷却器组并联 2台冷却器 ，为管壳式 。热 油进油温度5 0 c C， 冷油 出油温 度 4 0； 冷却 水进 水温 度 2 5， 冷 却 水 出 水 温 度 2 9。 工 作 压 力 1 0 b a r ， 试验压力 1 5 b a r ； 水侧压力损失 0 5 b a r ； 油 侧压力损失 1 0 b a r 。 小水电2 0 1 3 年第4 期 ( 总第 1 7 2 期) 技术交流 4 轴承加工焊接装配和拆卸 推力头为锻造结构 ，是通过螺栓固定在转子 中 心体上 ，由止 口定位 。转子中心体与推力头在厂内 进行预装 ，采用销钉传递扭矩 。推力头和镜板面的 配合加工精度较高 ，镜板和推力头 间用螺栓和销子 固定 。通过销和螺栓将推力 头固定在转子支架上 ， 以确保发生轴抬升时的稳定性 。 推力头外缘用于导轴承滑转子的加工面，加工 精度较高 ，采取锻件可避免出现类似铸件有铸造砂 眼的问题。 镜板是整体锻钢件 ，经过足够 的时效 ，并保证 有足够 的刚度。镜板与推力头采用刚性连接 ，且可 更换。通过设置密封可防止推力头和镜板面的接触 腐蚀使机组轴线偏摆，使轴的摆度增大。镜板硬 度、粗糙度、平 面度和平行度完全符合规范要求。 硬度和表面加工符合以下要求 ： 镜板硬度平均值 ： 2 0 0 镜板硬度差值 ： 3 O 镜面粗糙度 ： 0 4 镜板与推力头结合面粗糙度 ： 1 6,t t m 内外圆粗糙度 ： 3 2 镜板平面度 ： 0 0 2 m lT l 两平面平行度 ： 0 0 3 I T l l n ( 上接 第 3 6页) 通过表 4的对 比分析可 以发现 ，除 5 号应变花 外，其余各点的绝对误差都比较小，相对误差也在 2 0 以内，测量值与计算值吻合得比较好。5 号应 变花的误差较大 ，可能有以下两点原因：一是试件 工艺水平较差 ，造成试件与有限元模型有差别 ；二 是个别应变片所在区域 的应力梯度较大 ，造成有限 元读数与测量值产生较大偏差。 5 结论 应变时间历程曲线与载荷加载曲线相一致 ，表 明在工作载荷作用下试件各部分均在线弹性变化范 围 ，工作过程未发生材料屈服现象。试件有限元计 镜板加工工艺 ： 粗加工与精加工，初步精车并留 2 3咖 揖 。 超声波探伤 ，确定其中适合于精磨的最佳镜 板 表 面 。 精加工到 图纸要求尺寸。 粗磨 。 精磨 ，检查尺寸和形位公差。 超级精磨。 防腐包装 。 轴 瓦采用在钢 瓦坯上浇铸轴承合金的钢制瓦。 瓦面材料牢固地锚结在瓦坯上 ，经超声波检查以保 证接触面积大于 9 6 。瓦面无夹渣 、气孔和缩孑 L ， 金相 组 织及 硬 度 均匀 ，硬 度 差不 大 于平 均值 的 1 0 。推力轴承和导轴承瓦都作 1 0 0 超声波检查。 所有的盖板 、法兰均采用耐油橡胶或其他耐油 的密封。油槽底部与轴接触的密封将采用非导电材 料以防止轴电流。 5 安装说明 推力瓦安装 时，不需现场刮瓦。镜板和主轴经 校直后的精度应能保证将所有推力负荷均匀分配在 所有推力瓦上 。推力瓦具有互换性 ，设计上能使推 力瓦承受均匀荷载。 责任编辑吴昊 舢 ； l上 ； 也 驰 L ； t 算结果与试验值趋于吻合 ，偏差很小 ，说明模型的 等效和加载合理，以后的疲劳评估中可使用该等效 模型的有限元计算结果，以降低疲劳试验成本。 参考文献： 1 白延年 水轮发电机设计与计算 M 北京： 机械工业 出版社 1 9 8 2 ： 4 2 8 4 3 6 2 张如一， 沈观林 ， 李朝弟 应变电测与传感器 M 北 京： 清华大学出版社 ， 1 9 9 9 3 徐芝纶 弹洼力学 M 北京： 高等教育出版社 2 0 0 6 ： 9 - 1 1 4 裘文千， 张云程， 施惠智， 季鲁军 定子铁芯的计算弹性 常数 J 大电机技术 ， 1 9 8 6 ( 1 ) ： 4 1 4 4 责任编辑吴昊 - 41