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对水轮发电机塑料瓦采用高压油顶起的看法

近三十年水轮发电机技术发展很块，却没有哪项技术像塑料瓦这样轰轰烈烈，能在全国水电厂掀起一股用塑料瓦替换乌金瓦的高潮，并且不论乌金瓦运行是否有问题，直到上级发文叫停，可能源于以下原因，一是部分电厂从前苏联买回塑料瓦运行效果不错，甚至可以取消原来高压油顶起装置，二是当时正在开展三峡电站大推力轴承研究，参与研究人员主攻塑料瓦，并进行了中间机组实验，东方电机厂和哈尔滨电机厂分别在1000吨和3000吨推力轴承实验台上进行模型实验，取得满意效果，大有塑料瓦才能解决三峡推力轴承问题，以上成就鼓舞了人们使用塑料瓦的信心，由于在推广初期大家对塑料瓦了解不够，产品质量不稳定，屡屡出现烧瓦和刮伤镜板事故，但是人们使用决心丝毫不减，成百塑料瓦生产企业像雨后春笋般蜂拥而起，不仅生产推力瓦还生产导轴承瓦，人们解决了瓦面型线，攻克了弹性金属塑料复合层铜丝与瓦基的钎焊工艺，有的企业做到可控制焊锡量到任意深度用以调节弹性金属塑料复合层的弹性模量，塑料瓦面有纯聚四氟乙烯也有改性材料，塑料瓦的加工质量有了大幅提高，可以说塑料瓦应该大行其道了.
但是塑料瓦真的那么神奇吗，人们在评论塑料瓦时提到最多的是可以取消高压油顶起装置、瓦温低损耗小和塑料比乌金耐磨，其实这是误解，当初乌金瓦采用高压油顶起装置绝非是无它不能运行，而是为减少事故率保证运行安全，因为推力轴承采用的是推力瓦偏心支撑动压润滑理论设计，运行时依靠动压建立油膜，油膜厚度和转速成正比，而开停机机组低速运转油膜不易建立最容易发生烧瓦事故，高压油顶起则是采用静压润滑理论，在轴承静止和机组低速运转时依靠静压建立油膜，仅作为轴承安全运行的辅助作用，乌金瓦的设计应该保证无高压油顶起轴承照样可以运行，用塑料瓦替换乌金瓦的机组取消了高压油顶起装置后能安全运行，其实乌金瓦取消高压油顶起装置也基本能安全运行，塑料瓦宽大坡面进出油边的确改善了低转速时建立油膜的能力，但还没有完全排除半干摩擦工况。塑料瓦温比乌金瓦温低，其实真正安全运行的温度应该是控制瓦面润滑油膜温度，按照推力轴承动压润滑理论，塑料瓦和乌金瓦所有运行条件一致时（用塑料瓦替换乌金瓦，瓦面尺寸形状不变，油膜厚度不变）摩擦损耗不变，油膜温度不变，塑料瓦温低是因为塑料是热不良导体，传统的在瓦基埋入测温电阻方法测量的温度如其说是瓦温不如说是油槽油温更贴切，肯定低，不说明轴承损耗小。至于塑料比乌金耐磨是有条件的，在无油润滑干式轴承条件下聚四氟乙烯是自润滑材料，塑料比乌金耐磨，但在有油润滑条件下，塑料不比乌金耐磨。塑料瓦真正的优势应该是弹性金属塑料复合层的弹性模量相对较小，依靠弹性变形转移瓦面压力不均衡，可以提高瓦面单位面积的承载能力，瓦面缩小后才可以减小摩擦损耗。
正当人们认为塑料瓦可以全面代替乌金瓦时形势有了变化，首先三峡电站所有国外集团承包商没有一家推力轴承选用塑料瓦，均为乌金瓦加高压油顶起装置，现已安全运行20余年，打破了只有塑料瓦才能解决大推力轴承的论断。随着科学技术的发展，人们已经掌握乌金瓦温度场及应力场的精确计算，可以控制热变形和机械变形对瓦面平面度的影响，从而提高瓦面的承载能力，因此，大中型水电站推力轴承选用乌金瓦加高压油顶起装置已十分安全可靠，这期间塑料不耐磨的弊病也逐渐凸显出来，聚四氟乙烯是干式轴承自润滑材料，与金属摩擦产生的粉末会粘附在金属表面形成薄膜增加润滑性能，但和推力镜板摩擦产生的粉末却掺合到润滑油当中，形成白色泡沫，污染了润滑油，现未见对润滑有什么影响，但是对冷却器热交换性能肯定不利.
聚四氟乙烯机械强度低，易磨损，在推力轴承开机和停机过程，机组在低速运转时推力瓦处于半干摩擦状态，瓦面会被磨损，特别是机组停机时间较长瓦面与镜板之间的油膜被挤压掉，如果不经制动器高压油顶起转子后就启动机组，等于干摩擦，瓦面磨损更严重，塑料瓦的弹性金属塑料复合层不论采用聚四氟乙烯粉和铜丝金属层先压制后烧结工艺，或聚四氟乙烯粉先压制后再与铜丝金属层一起加压烧结工艺，都避免不了有个别突出铜丝接近瓦面，复合层的名义塑料厚（1.5-3mm）不能保证，现在还未有仪器能精确测量，一般只靠肉眼观察，特别是改性灰色瓦面很不容易观察，这给机组安全运行带来很大隐患，一旦磨损露出铜丝，会造成划伤镜板烧瓦事故，塑料瓦不耐磨很大程度限制了塑料瓦的应用，塑料瓦的发展进入瓶颈。
通过聚四氟乙烯改性也只能减少而不能避免磨损，而采用高压油顶起装置就可以基本避免磨损，机组开停机时不存在干摩擦和半干摩擦工况，人们再不必担心塑料磨损引起的烧瓦事故和污染润滑油，现在高压油顶起装置是非常可靠和成熟的技术，塑料瓦不采用它不等于技术先进，恰恰相反，塑料瓦如果采用高压油顶起装置就可以避免许多烧瓦事故。

塑料瓦的弹性金属塑料复合层如果采用聚四氟乙烯粉与铜丝模压烧结工艺则不适合采用高压油顶起装置，因为高压油通道要经过弹性金属与瓦基之间的锡焊层，弹性金属与塑料之间的机械固定层，高压油可能使之开焊和脱壳。如果塑料采用氟塑料家族的可熔性聚四氟乙烯PFA（四氟乙烯和全氟烷基乙烯基醚的共聚物）、聚全氟乙丙烯FEP（F-46），根据不同型号可以注射成型或模压成型，可生产外型复杂零件，见图一 小孔节流高压油顶起，高压油通道将不再经过焊锡层和机械固定层，与高压油通道同样密封原理还可以安装测量油膜油温的端面测温电阻，控制摩擦表面油膜温度不超过95℃，超过此温度则启动高压油降低瓦温而不必立即停机，保证轴瓦安全运行，而采用在瓦基埋入测温电阻的方法热反应速度太慢，不利于事故控制。

可熔性聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯几乎所有性能均与聚四氟乙烯相同，但是否能直接用于塑料瓦面材料，是否需加入填料予以改性，还需要进一步实验和研究。对于塑料瓦采用高压油顶起装置系统与乌金瓦没有不同，但是由于塑料瓦弹性金属塑料复合层的弹性模量E低，在高压油供给瞬间瓦面供油孔附近的油压达到20Mpa,塑料压塑变形可达0.1mm（E=1000Mpa,瓦面弹性厚为5mm时，无水推力瓦面压力一般仅为2~3Mpa)大于正常运行瓦面油膜厚度，应该是供油瞬间供油孔处塑料复合层被压塑形成圆形油室，并迅速向外扩展直到瓦的边缘溢流为止，这与乌金瓦高压油顶起瓦面没有变形是不同的，是否还会引起塑性变形也需要开展实验研究。
除俄罗斯外，国外还有许多国家都对水轮发电机塑料瓦开展研究和应用，并推荐采用高压油顶起装置，这说明国外在水轮发电机塑料瓦采用高压油顶起技术方面已领先我国。在国内，伴随水轮发电机塑料瓦的推广，早就已经有公司开展了塑料瓦高压油顶起装置的研究和应用，只是由于结构等原因至今还没有得到水电厂的广泛认可。
新型塑料瓦研制是一项较大工程，涵盖化工材料、、塑料加工、钎焊工艺，无损探伤、材料试验 、应力计算、模型实验等，只有像东方电机厂和哈尔滨电机厂这样单位才能独立完成，较小单位可以找协作联合开发，塑料瓦要想与乌金瓦平分秋色就需要创新，既要发挥塑料瓦调节平衡压力的优点，也要避免不耐磨的缺点，采用高压油顶起装置是非常必要的。
可熔性聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯那种材料可用于采用高压油顶起的弹性金属塑料瓦面，需要哪些工装设备，工艺路线如何制定等的研究路程上还有许多困难需要克服，但是社会科技发展必然是以工程塑料替代有色金属，不走这条路塑料瓦的发展将会被限制，走好这条路就会再创辉煌，看谁能抢占先机。

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