武中德1 张宏1 梁广泰2 吴军令1 张仁江1
（1哈尔滨大电机研究所； 2哈尔滨电机厂有限责任公司）
摘要：三峡水轮发电机采用了巴氏合金瓦今后还可能采用弹性金属塑料瓦推力轴承。巴氏合金瓦推力承轴采取小支柱双层瓦的结构形式，由于小支柱将推力瓦和托瓦分开了，使推力瓦的不均匀温度分布对托瓦影响极小，不会引起较大的热变形。弹性金属瓦具有运行可靠性高，安装维护简单、运行性能优良和省去高压油顶起系统等优点外，其复合层的隔热作用也使托瓦热变形很小，克服了普通双层巴氏瓦轴承瓦面变形不易调整的问题。 关键词：水轮发电机；推力轴承；巴氏合金瓦；弹性金属塑料瓦；三峡工程
在大型水轮发电机电组中，推力轴承是最重要的组成部分之一，它的设计是否合理将直接影响水轮发电机组的可靠运行。1990年代，哈电机公司和ALSTOM公司投入了大量的人力和物力，对三峡6000t级弹性金属塑料瓦和巴氏合金瓦在3000t推力轴承试验台上进行真机全尺寸模拟实验，对基本性能取得了更为深入的了解，并对实验表现出的一些问题也进行深层次
的理论分析和补充试验，这些工作为巨型推力轴承的试验研究积累了经验，为确保三峡推力轴承可靠和稳定运行奠定了基础。
哈电机公司和ALSTOM公司的主要工作：1）设计制造并投入运行推力负荷大于40MN的巴氏合金瓦推力轴承，哈电公司还有推力负荷达35 2MN的弹性金属塑料瓦推力轴承；2）试验6000t级弹性金属塑料瓦推力轴承和6000t级巴氏合金瓦的推力轴承。
1 三峡推力轴承
1970年代，ALSTOM公司为研制巴西依泰普电站发电机，针对该机组推力轴承设计负荷高达4700t，开发了图1所示的小支柱双层瓦推力轴承，并申请了专利。这种轴承有推力瓦（薄瓦）和托瓦（厚瓦）两层，之间布置了一系列直径不等的小支柱，在托瓦底部有一小托盘，轴承瓦通过托盘支撑在一个长支柱上面，长支柱可以通过螺纹调整高程。
图1 三峡巴氏合金瓦推力轴承 | 图2 轴瓦变形对油膜压力分布的影响 |
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当瓦面为一刚性平面时，油膜压力比较平缓，峰值压力与平均压力之比Pmax/Pm一般在2.5附近，见图2。实际瓦面在油膜压力和油膜温度联合作用下会发生变形，瓦面的变形会影响油膜厚度分布，瓦面变形越大，油膜中的峰值压力与平均比压之比越大，而最小油膜厚度会变小。对于重载大型推力轴承，瓦面和镜板面的综合变形可能会超过最小油膜厚度量级，轴承就可能发生磨损和烧瓦。
小支柱双层瓦推力轴承控制瓦面变形的原理：由于小支柱将推力瓦和托瓦分开了，循环油可以在托瓦和推力瓦之间自由流动，推力瓦中的不均温度分布对托瓦的影响极小，托瓦温度沿轴向、径向和周向基本上是均匀的，托瓦的热变形很小，托瓦在支柱压力作用下，主要产生弹性变形。推力瓦由于厚度很小，通过调整小支柱的直径，可以使瓦面在油膜压力和温度联合作用下的热弹变形控制在较小的范围。推力瓦的变形主要由支柱在载荷作用下的压缩变形所决定。由于温度梯度引起的变形相对压力变形小很多，温度对支柱变形影响也很小，支柱的直径和长度是根据计算的压力分布并且考虑轴瓦变形，以使在载荷作用下瓦面平行下移来确定的。
三峡推力轴承就采用这种结构。1999年在哈电公司完成的三峡推力轴承试验，实测推力瓦面温度35插板闸门～71℃，托瓦面温度32～34℃，托瓦温度基本上是均匀的。
托瓦温度均匀，瓦的热变形的影响降低，瓦面沿径向微凹，而镜板面沿径向是微凸的，这两面相对应，瓦面微凹使镜板面微凸对轴承性能的影响相对降低，这就是所谓进一步优化小支柱的弹性，还可抵消镜板的大部分变形。
小支柱双层瓦推力轴承与国内普遍采用的双层巴氏合金瓦推力轴承是有区别的。国内双层推力轴承是将推力瓦和托瓦直接叠放在一起，尽管在托瓦表面有周向油沟，但推力瓦中的不均匀温度分布对托瓦中的温度分布仍会产生较大影响，托瓦较厚，这种温度不均匀会引起较大的热变形，从而影响瓦面的变形。因此，国内双层巴氏合金瓦推力轴承瓦面变形不易调整。
2 三峡塑料瓦推力轴承
1980年代后期，弹性金属塑料瓦推力轴承已经在哈尔滨大电机研究所和哈尔滨电机厂有限责任公司研制成功，并先后应用在岩滩水电站（推力负荷2 750t），白山水电站推力负荷1 800t），五强溪水电站（推力负荷2 700t）和天生桥水电站（推力负荷1 240t）等。对于大型推力轴承，采用了弹性油箱或弹性梁双托盘等支承系统。在设计技术上，有推力轴承热弹流润滑性能分析程序，能够准确地计入推力轴承和镜板推力头的热弹变形。有3 000
t推力轴承试验台。1997年，研制成功三峡6000t级弹性金属塑料瓦推力轴承，并完成了全尺寸模拟试验，试验非常成功，并取得了大量可靠的数据。实测推力瓦面温度32～73℃，推力瓦体温度32～46℃。最高瓦面温度与推力瓦体温度相差27 K。复合层的隔热作用使得托瓦温度均匀，即托瓦的热变形很小，克服了普通双层巴氏合金瓦推力轴承瓦面变形不易调整的问题。
2.1 弹性金属塑料瓦的优点
与巴氏合金瓦相比，弹性金属塑料瓦推力轴承的优点如下：
1)弹性金属塑料瓦在大负荷条件下比相同工况的巴氏合金瓦油膜厚度大。
2)弹性金属塑料瓦省去了高压油顶起系统。
3)许用单位压力大，损耗相对小。
4)弹性金属塑料瓦推力轴承允许频繁地启动或热启动。
5)在油槽内冷却器短时停水时，推力轴承可以正常运行。
6)弹性金属塑料瓦推力轴承吸收冲击的性能高，降低振动。
弹性金属塑料瓦推力轴承的优点和弹性金属复合层的物理和机械性能密切相关。推力轴承变形大小的最终体现还是瓦面（及镜板面）变形对油的直接影响程度。油膜形状要更符合流体动压润滑要求，就得有适宜的瓦面变形。
镜板在力载荷作用下，周向变形的高点处在瓦上，低点在瓦间，径向变形在外径侧上翘；镜板在温度载荷作用下，周向由于恒温而不产生变形，径向变形为下凸，镜板面的综合变形为径向下凸，外径侧上翘，沿周向为波浪形。塑料瓦的凹变形较大，这是由于其复合层的压缩模量较小所致，托瓦温度均匀，瓦的热变形的影响降低，而塑料瓦面的进、出油边均有楔形坡口，有利于启动时进油和调整瓦面形状。
镜板面的径向倾斜几乎可以和瓦面的径向倾斜相适应，这是因为油膜上产生的压力与推力瓦支承产生的力矩为了达到平衡，推力瓦自动倾斜所造成的。另外，塑料瓦复合层的影响，使瓦面产生凹变形，这种凹变形可以部分抵消瓦体的凸变形，还对应镜板面的径向凸变形，这是塑料瓦推力轴承承载能力大的主要方面之一。
2.2 弹性金属塑料瓦的应用
根据弹性金属塑料瓦推力轴承在国内数十个水电机组中的运行经验，总结出如下特点：
1)运行可靠性高
除了由于安装不当发生的几起事故外，弹性金属塑料瓦推力轴承在水电机组中基本没有发生过事故。如果其中的一块瓦发生磨损，不会影响其它块瓦。
2)安装维护简单
与巴氏合金瓦相比，弹性金属塑料瓦推力轴承在安装时不需刮瓦，机组盘车容易，整套瓦的负荷均匀性要求较低。
3)运行性能优异
弹性金属塑料瓦推力轴承的许用单位压力和温升比巴氏合金瓦推力轴承的高，瓦体温度和损耗比巴氏合金瓦推力轴承的低。在每年累计运行槐木可以做防腐木吗5 000h的运行和1200次起停机的条件下，弹性金属塑料瓦推力轴承的寿命可达40年。
4)运行条件限制较少
允许频繁启动，并允许热启动。转速低于额定转速的10％情况下加闸制动。油槽内冷却器短时停水时，推力轴承仍可正常运行。
5)无需高压油顶起系统
弹性金属塑料瓦省去了高压油顶起系统。设备简单，运行可靠性高。
3 小结
小支柱双层瓦结构巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦使托瓦的温度梯度减小到几乎为0，因此控制了瓦的热变形。
小支柱的弹性可抵消瓦的剩余机械变形以及镜板的热变形和弹性变形，塑料瓦复合层的弹性同样抵消了瓦的剩余机械变形以及镜板的热变形和弹性形，同样都进一步改善了油膜的形状。
试验证明，三峡巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦推力轴承设计是合适的，并且工作性能良好。
参考文献：
[1] Daniel Schafer, Shen Liangwei, Axel Fuerst, QuDazhang. Investigations into a 6000 tons Thrust Bearing with Teflon or Babbitt Layer for the Three Gorges Units.Shenyang China, ICEMS'2001
[2] 武中德，张宏，王黎钦，曲大庆. 大型水轮发电机弹性金属塑料瓦推力轴承技术.
作者简介：武中德，哈尔滨大电机研究所，高级工程师。
三峡ALSTOM机组水导轴承安装 |
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作者：葛洲坝机电有限建设公司 李军 |
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1 概述
三峡左岸电站总装机14台，单机最大容量为led探照灯840MVA，经过国际招标，VGS联合体供货6台机组，ALSTOM公司供货8台机组。三峡左岸电站年发电量为847×108kW·h，为目前世界上最大的水电站。2003年首批机组发电，预期2009年全面竣工。
2 结构与特点
2.1 结构
由ALSTOM提供的机组水导轴承系统由水导瓦、上油箱、下油箱、顶盖上的主油箱及润滑冷却系统等组成(见图1)。水导瓦为分块瓦轴承(12块瓦集装箱内衬袋)，瓦面材料为巴式合金(Babitt metal 90％Sn)，厚度至少为3mm。润滑油系统有两台油泵、双过滤器、油管路及其自动化元件组成，每台油泵流量为440L/min，最大出口压力为0.4MPa，每台泵都能保证轴承供油量，运行时可选择一台运行，一台备用；双过滤器运行时一台运行，一台备用，过滤器堵塞时有压力开关发信号，这时需手动切换至备用过滤器。润滑油采用外循环水冷却的形式，冷却系统由4台热交换器、水管路及其自动化元件组成，热交换器3台运行，1台备用。
图1 ALSTOM水导轴承系统结构图
2.2 特点
ALSTOM采用的这种油润滑分块瓦轴承型式刚性较好，振动与摆度小，机组运行稳定；采
用的外循环水冷却形式对水质的要求并不是很高，且冷却效果比较好。但是，由于ALSTOM水导轴承系统结构复杂，水导注油不能像发电机推力注油那样一次性完成，至少需两次；若水导瓦烧坏，则检修工作的范围广，工作量大，例如6＃机组由于切换油泵电源，致使水导瓦温升高，烧瓦且停机，检修时先拆除上油箱各部件与设备，然后拆除水箱及挡水环，同时顶盖上的主油箱排油并拆除油润滑系统所有部件与设备，再拆除下油箱各部件与设备，最后清扫、处理损坏部件并回装。
3 工作原理与作用
当主轴高速旋转时，水导瓦与主轴便产生摩擦，产生很大的热量。为了减少设备的发热与磨损，延长设备的寿命，保证设备的功能与安全，增强设备的稳定性，采用透平油(1SOVG46型)起润滑与冷却作用。给轴承润滑与冷却的油一部分经过油封渗漏人下油箱后回收进入顶盖上的主油箱，另一部分在上油箱内漫过溢流板经过回油管1回收进入顶盖上的主油箱。回收的油再经过油泵流经热交换器，将热量传给冷却水，冷却后的油由过滤器过滤后供入上油箱对轴承进行润滑与冷却，由此循环往复。
水导轴承的作用是承受轴的径向载荷，控制主轴的摆度。外循环润滑油系统起散热与润滑作用。外循环冷却水系统起冷却油作用。
4 施工程序
(1)支撑与顶盖预装，其同心度为≤0.1mm，然后钻铣销钉孔。
(2)装间，组合下油箱，组合面用Loctite598黑组合面胶，组合螺栓用Loctite242胶(使用前先用Loctite7471胶清洗)，并在导轴承支撑下面预装下油箱与底板，要求底板与导轴承支撑同心，然后钻铣销钉孔。
(3)顶盖正式吊装后将水封、水导各部件按顺序吊入机坑，在顶盖上安装导轴承支撑，螺栓连接与销接销钉，并临时安装上油箱盖，其他部件放置在顶盖上。
(4)导轴承油循环及冷却水管路预装、打压与清洗。管路预装应遵循先给设备定位再配管及由内到外的原则，焊接采用管内充氩气保护的方式。管路预装完拆下时做好标记，然后等待打压与清洗。打压时回油管用0.2MPa的压力，其他油管用0.6MPa的压力，冷却水管用0.75MPa清砂机的压力。清洗时采用RM31清洗剂清洗，清洗完后用压缩空气吹干，并用绸布擦净，然后用透气的白布封住管口等待回装。
(5)转子联轴前，拆掉上油箱盖，清洗4或6块水导瓦并将瓦与轴的间隙调为0mm，待转动部件提起一段距离后松开水导瓦，不与轴接触。
(6)机组摆度与中心调整。在水导轴线方向架4块百分表检查水导摆度，水导摆度≤0.20mm。
(7)盘车完成后，用楔子板在轴线方向塞紧下止漏环，上部抱紧发电机下导瓦，使转动部分不能随意移动。
(8)水导瓦研刮与抱瓦。研刮前用酒精清洗轴颈、上油箱、轴瓦，然后将瓦水平放置，按与轴接触的情况用三角刮刀依次刮削高点，刀痕应清晰，每次刮完应将瓦面擦干净。最后修刮进油边，非进油边刮出倒角。刮完后瓦放人槽内，依次安装铬钢垫、铬钢垫连接板、水导瓦调整楔等部件，在对称方向上架百分表监视，调整各块瓦与轴间隙为0mm。
减温减压(9)组合上挡油环。在与溢流板顶端的距离为155mm的轴上作好标汜，然后组合上挡油环成两个半圆，安装个7的密封圈，调整上挡油环到标记位置并组圆，在大轴上钻6个深为3mm，直径为10.39mm的圆锥孔以固定它，并安装6个钢珠、顶丝给上挡油环定位，采用氩弧焊焊接顶丝、堵板如图2。临时安装上油箱盖以防灰尘进入。
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