陳泓宇¹　楊小龍²　程振宇¹　黃運(yùn)福¹

（1.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司；2.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司）

【摘　要】推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)的核心部件之一，承受水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量和水推力構(gòu)成的組合載荷，本文介紹和分析了清遠(yuǎn)抽水蓄能機(jī)組無預(yù)壓小彈簧簇支撐推力軸承的應(yīng)用情況，采用的無預(yù)壓小彈簇支撐結(jié)構(gòu)是東芝技術(shù)特點(diǎn)，電站現(xiàn)場安裝不需要調(diào)整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能機(jī)組；推力軸承；無預(yù)壓小彈簧簇支撐；高轉(zhuǎn)速大容量；應(yīng)用情況

1　概述

推力軸承是蓄能發(fā)電機(jī)組Z核心的組成部件之一，其工作狀況直接影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。目前抽水蓄能機(jī)組推力軸承常見的支撐結(jié)構(gòu)主要有彈性油箱（廣蓄一期）、彈性盤（廣蓄二期）、彈性柱（惠蓄）、彈簧簇（清蓄）四種結(jié)構(gòu)。彈簧簇支撐推力軸承結(jié)構(gòu)應(yīng)用類型基本有三種：種，預(yù)壓縮型螺旋彈簧簇見圖1，如：天荒坪抽水蓄能電站；第二種，預(yù)壓縮型碟簧束見圖2，如仙游抽水蓄能電站，第三種，無預(yù)壓縮型彈簧簇見圖3，如西龍池抽水蓄能電站、清遠(yuǎn)抽水蓄能電站。本文將重點(diǎn)介紹和分析清遠(yuǎn)抽水蓄能機(jī)組無預(yù)壓彈簧簇支撐推力軸承的應(yīng)用情況，清蓄主機(jī)設(shè)計(jì)采用日本東芝技術(shù)，早期的小彈簧簇支撐與GE等廠家一樣，也是要單個(gè)組裝預(yù)緊的。為了簡單可靠，近三十年前開發(fā)了不需預(yù)緊的技術(shù)，此后東芝的抽蓄和常規(guī)推力小彈簧都是不預(yù)緊的。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于清遠(yuǎn)市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，與廣州直線距離約75km。清遠(yuǎn)蓄能電站共裝設(shè)4臺單機(jī)容量為320MW的發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)組，為目前國內(nèi)已投運(yùn)的單機(jī)容量Z大的抽水蓄能電站。電站主要承擔(dān)南方電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、緊急事故備用等任務(wù)。

2　抽蓄機(jī)組推力軸承較常規(guī)機(jī)組特點(diǎn)

推力軸承通常被喻為水輪發(fā)電機(jī)組的心臟，高轉(zhuǎn)速、高推力負(fù)荷的蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力軸承設(shè)備比起常規(guī)機(jī)組除了一些共同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)外更具有其特殊性。

2.1推力瓦支撐對稱布置

常規(guī)立式水輪發(fā)電機(jī)組是單方向旋轉(zhuǎn)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)為了便于推力瓦與鏡板之間形成楔形的油膜，推力瓦的支撐布置采用偏心布置，周向偏心率＞0.50，通常在0.54~0.60之間。而蓄能機(jī)組是雙向旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針和逆時(shí)針），推力瓦的支撐布置需要采用中心對稱支撐布置軸向偏心率為0.50。

2.2推力軸承PV值大損耗大

蓄能機(jī)組PV值比常規(guī)立式機(jī)組大很多。比如，清遠(yuǎn)抽水蓄能機(jī)組的推力瓦平均周速49.48m/s推力瓦平均面壓4.02MPa，發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力軸承的PV值達(dá)198.91MPa.m/s，三峽單機(jī)容量700MW機(jī)組的PV值才有90.9MPa.m/s。

2.3機(jī)組工況轉(zhuǎn)換多、啟動(dòng)頻繁

常規(guī)機(jī)組是單一的旋轉(zhuǎn)方向，而蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)有發(fā)電、抽水等7中運(yùn)行工況，在機(jī)組頻繁轉(zhuǎn)換工況的過程中，推力軸承瓦要承受著推力鏡板的正向和反向旋轉(zhuǎn)沖擊。

3　其它彈簧束推力軸承結(jié)構(gòu)簡介

3.1 天荒坪抽水蓄能電站彈簧束推力軸承

天荒坪抽水蓄能電站的電動(dòng)發(fā)電機(jī)是加拿大GE公司設(shè)計(jì)和制造的，其推力軸承采用有預(yù)壓彈簧簇彈性支撐結(jié)構(gòu)。10塊雙層結(jié)構(gòu)推力軸瓦的上層是鑲有2.5mm巴氏合金的銅瓦，厚度38mm，下層為厚50mm的鋼托瓦，推力瓦下面密集放置著46個(gè)帶有上下夾板和預(yù)壓螺桿的彈簧束。彈簧剛度4035N/mm,預(yù)壓力770kg,，壓縮量為1.91mm, Z大力推力作用下推力軸承壓縮量約為1.3mm。天蓄已經(jīng)投產(chǎn)20多年，推力瓦溫一般不超過60℃,溫差小于3℃，能夠滿足機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，但是每次大修還是時(shí)有發(fā)現(xiàn)少數(shù)彈簧束有損傷甚至斷裂的狀況。

3.2 仙游抽水蓄能電站碟簧束推力軸承

仙游抽水蓄能電站的電動(dòng)發(fā)電機(jī)是東方電機(jī)設(shè)計(jì)和制造的，其推力軸承采用有預(yù)壓碟簧束推力支撐結(jié)構(gòu)。12塊雙層結(jié)構(gòu)推力軸瓦的上層是鑲有巴氏合金的鋼瓦，厚度50mm，下層為厚70mm的鋼托瓦，每塊軸瓦下面密集放置著66個(gè)帶有上下夾板和預(yù)壓螺桿的碟簧束。彈簧剛度7000N/mm，預(yù)壓力5000kg，詳見圖2。仙游電站發(fā)電機(jī)在2013年投產(chǎn)以來，在各個(gè)工況，油膜厚度均大于0.04mm,推力瓦溫RTD小于75°C，能夠滿足機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

4　清遠(yuǎn)抽水蓄能電站推力軸承介紹

4.1 推力軸承結(jié)構(gòu)

清遠(yuǎn)抽水蓄能的推力軸承設(shè)置在下機(jī)架處，它由推力頭、鏡板、推力軸承座、推力彈簧底座、推力彈簧?推力瓦、鏡板和相關(guān)附件組成。其中，推力頭與下端軸是一個(gè)整體，在廠內(nèi)整體加工而成；鏡板與推力頭通過螺栓把合在一起；推力瓦、彈簧和彈簧底座通過止動(dòng)板連在一起，形成一個(gè)相對的整體彈性結(jié)構(gòu)；彈簧底座與推力軸承座無螺栓把合，但通過2顆Ф60mm銷釘進(jìn)行定位。整個(gè)推力軸承固定在下機(jī)架上，下導(dǎo)軸承安裝在推力軸承上方，與推力軸承共用推力頭，采用的是支柱螺栓式分塊瓦軸承結(jié)構(gòu)形式。

如下圖4推力軸承結(jié)構(gòu)圖。

推力軸承設(shè)有12塊巴氏合金推力瓦，推瓦長寬比L/B≈1，瓦上層鑲有4mm厚的巴氏合金的軸瓦，瓦厚120mm。由于單個(gè)推力瓦面積大，承受的PV值也較大，所產(chǎn)生的熱量較多，為此，推力瓦均設(shè)置有6個(gè)散熱通孔。瓦內(nèi)外徑側(cè)四角均進(jìn)行了倒角，以減少瓦面冷卻潤滑油的循環(huán)阻力，適應(yīng)機(jī)組雙向旋轉(zhuǎn)需要。

推力瓦的小彈簧有分繞制和機(jī)械加工兩種，而清蓄的采用分繞制推力彈簧工藝。每塊推力瓦下有34個(gè)帶有無預(yù)壓螺旋彈簧簇，每個(gè)彈簧的高度為51.41mm，直徑為Ф65mm，額定受力2ton以上；推力瓦的Z大負(fù)荷可達(dá)1009.5 ton。彈簧簇采用中心對稱布置方式，保證每塊瓦推力彈簧合理中心和推力瓦受力中心位置基本一致（具體布置形式如圖5所示）。推力彈簧兩側(cè)裝設(shè)的止動(dòng)塊，以及推力瓦兩側(cè)的間隔塊，可使推力彈簧始終與推力瓦處于Z佳組合狀態(tài)。

對于推力瓦與推力瓦間隔塊之間間隙，要控制在0.50mm~0.70mm，以保證推力瓦在運(yùn)行中在能夠靈活擺動(dòng)形成潤滑油膜，擋塊同時(shí)起到承受推力瓦周向力的作用。推力瓦外徑側(cè)在底座與推力瓦間設(shè)置了2塊止浮板，以防止推力瓦在徑向和軸向發(fā)生竄動(dòng)，但要確保推力瓦能自由上下浮動(dòng)。

整個(gè)軸承浸在潤滑油中，依靠推力鏡板旋轉(zhuǎn)的粘帶作用，在瓦面和鏡板之間形成動(dòng)壓油膜。

4.2  推力軸承解析

清蓄電站的推力瓦的油膜，運(yùn)用三維熱彈流計(jì)算分析軟件分析。在發(fā)電工況額定運(yùn)行時(shí)，重點(diǎn)對油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力分布特性進(jìn)行了解析。其中，水泵工況反向旋轉(zhuǎn)解析特性相似。見下圖7。

從解析圖可以看出，油膜厚度呈現(xiàn)出良好的連續(xù)、均勻、動(dòng)態(tài)的楔形收斂過程，Z小油膜厚度達(dá)到40µm以上，而在瓦面的周向中心位置Z小油膜厚度達(dá)到8µm，瓦面的大部分溫度在60°C左右，Z高油膜溫度出現(xiàn)在推力瓦出油邊的局部區(qū)域，總體推力瓦油膜溫升不大，對推力瓦和推力鏡板造成的熱凸變形值是在一定的范圍。油膜壓力的瓦體變形是按推力瓦周向緩慢加深，在瓦周向60%左右達(dá)到Z大后又開始周向變淺徑向縮小直至瓦出油側(cè)，推力瓦體熱凸變形和同于油膜壓力而產(chǎn)生的彈性變形可以相互抵消部分變形，說明采用彈簧簇支撐方式的推力瓦具有良好的適應(yīng)瓦面綜合變形特性。

4.3關(guān)于推力軸承油循環(huán)

清蓄電站推力瓦和下導(dǎo)瓦共用一個(gè)油槽，采用機(jī)坑外油冷卻循環(huán)系統(tǒng)。循環(huán)冷卻油從油槽內(nèi)檔圈注入，經(jīng)推力軸承底座后，順著彈簧和推力瓦的散熱通孔流至油槽外側(cè)。為避免冷油油卻器直接流到至油槽外，軸承臺座上設(shè)置有封油板。這樣可比較充分地將推力瓦、彈簧簇和下導(dǎo)瓦在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量帶走。另外，增加了一個(gè)輔助油槽，以保證在油泵啟停的時(shí)候，油槽冷卻水中斷后，假設(shè)油槽與外界不發(fā)生熱交換即所有損耗均被油槽吸收，按下油槽總油量12000L，當(dāng)冷卻水中斷15min 后，在Z惡劣的假設(shè)之下，油溫從額定的45℃增大到61℃；推力瓦的溫度從額定時(shí)的69.2℃增大到79.9℃，可以保證“冷卻器的冷卻水中斷時(shí)，機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下帶額定負(fù)荷無損運(yùn)行15min，并安全停機(jī)”的合同要求。

4.4  推力軸承安裝與檢修

清蓄電站無預(yù)壓縮型彈簧束彈簧簇支撐方式一個(gè)特點(diǎn)就是安裝與檢修比較方便。推力軸承上使用的每一個(gè)彈簧都需要經(jīng)過特別嚴(yán)格的監(jiān)測和探傷，無論彈性系數(shù)還是外形尺寸，必須經(jīng)過專用程序嚴(yán)格按瓦按機(jī)組挑選分組。無預(yù)壓縮型小隙調(diào)整完成。推力瓦及其固定連接附件工廠內(nèi)預(yù)裝調(diào)整編號，推力彈簧現(xiàn)場按分組方案布置，可以縮短現(xiàn)場安裝工期。據(jù)廠家資料，由于彈簧束推力軸承的壓縮量達(dá)到（54.1－51.41=2.69mm），機(jī)組空載/額定負(fù)載/Z大推力負(fù)載時(shí)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中心與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心的高程差達(dá)到1.3～1.5mm，要安裝的時(shí)候下機(jī)架的高程與Z終軸承使用時(shí)彈簧高度對應(yīng)，安裝時(shí)將下機(jī)架高程調(diào)整高出52.48-51.41=1.07mm（機(jī)架撓度等計(jì)算之外），也就是彈簧座的高度是按運(yùn)行時(shí)的高度來設(shè)計(jì)的。

推力軸承的檢修是使用特殊的轉(zhuǎn)動(dòng)和運(yùn)輸工具來完成，下機(jī)架油槽壁在180°對稱位置揩油2個(gè)檢修窗口。推力軸承支撐臺設(shè)計(jì)為上下分開兩部分，檢修推力瓦是頂起轉(zhuǎn)子提起推力鏡板，在旋轉(zhuǎn)軸承臺底部打入高壓油利用特殊工具轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸承臺，選擇需要檢修的推力瓦將推力瓦由檢修窗口抽出檢查，推力瓦檢修后的安裝程序與抽出程序相反即可。推力瓦和下導(dǎo)瓦共用一個(gè)油槽，采用機(jī)坑外循環(huán)油冷卻系統(tǒng)增大油槽內(nèi)部空間也方便檢修。

4.5 推力軸承運(yùn)行情況

清蓄電站2015年10月至2016年7月，#1、#2、#3機(jī)組先后投放商業(yè)運(yùn)行，幾臺機(jī)組推力軸承瓦溫監(jiān)測的數(shù)據(jù)基本一致，推力軸承運(yùn)行正常，瓦溫穩(wěn)定性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)與合同目標(biāo)值。以#3機(jī)組發(fā)電工況與抽水工況RTD瓦溫運(yùn)行穩(wěn)定后監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為例，抽水工況，Z高瓦溫63.3°C，而發(fā)電工況高瓦溫59.3°C，大部分RTD傳感器裝在軸瓦中部，其溫差小于3°C，抽水工況進(jìn)出油溫差11°C左右，而發(fā)電工況進(jìn)出油溫差6.7°C，說明抽水工況推力軸承瓦溫較發(fā)電工況略高，抽水工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪向上的軸向水推力相對要小，隨著揚(yáng)程的逐步增大，機(jī)組總體向下的軸向水推力可能較之發(fā)電工況明顯會(huì)大很多且無明顯波動(dòng)，這也就是造成水泵工況推力瓦溫相對要高的主要成因。但推力軸承瓦溫Z大值均小于64°C，小于合同要求值75°C。可以滿足機(jī)組運(yùn)行性能的要求，可以長期、安全穩(wěn)定運(yùn)行。詳見下圖。

5　結(jié)言

推力軸承是高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，從幾個(gè)電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，彈簧簇結(jié)構(gòu)形式的推力軸承是比較可靠的。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站的推力軸承運(yùn)行情況表明可以滿足機(jī)組長期、安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，其采用的無預(yù)壓小彈簇支撐結(jié)構(gòu)有較大應(yīng)用推廣價(jià)值，其特點(diǎn)歸納如下：

（1）彈簇支撐結(jié)構(gòu)為多點(diǎn)支撐，主承載區(qū)油膜較厚，承載區(qū)域較大，整體支撐剛度強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）小彈簧的彈性變形能自動(dòng)調(diào)節(jié)推力瓦在油膜壓力作用下產(chǎn)生的凹變形，各軸瓦溫差小于3°C，說明能夠部分抵消瓦壓力分布更均勻，壓力峰值小，承載能大力。

（3）在較寬的推力負(fù)荷范圍下，在各工況下，進(jìn)出油油膜溫差小于11°C，出油側(cè)RTD溫度小于63°C，油膜溫度變化幅度小，油膜厚度變化幅度小。

（4）電站現(xiàn)場安裝不需要調(diào)整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。相對于其他兩種預(yù)壓結(jié)構(gòu)，無預(yù)壓小彈簧簇有以下優(yōu)點(diǎn)；A.小彈簧一次加工成型，無須二次組裝，制造周期短；B.結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便；C.彈簧高度精度高，受力均勻。

來源：《水電與抽水蓄能》2017年第5期