双向推力轴承研究

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

摘 要： 通过对球面点支承、单托盘支承及弹簧束中心支承推力轴承的理论计算与试验结果的分析对比，说明不同结构的中心支承推力轴承在各种工况下的运行性能及适用范围；认为弹簧束中心支承是一种较好的中心支承结构形式，具有承载能力大、温升低、最大油膜压力小及运行稳定的特点，在高速重载抽水蓄能电站机组推力轴承中有着广阔的应用前景。关键词：双向推力轴承；抽水蓄能机组；球面点支承；单托盘支承；弹簧束支承；承载能力?1、引言?作为水轮发电机组的关键部件之一的推力轴承，常规下为单向旋转，其支承中心相对于瓦块几何中心是偏心布置的，当周向偏心率X=0.58～0.60时，推力轴承具有最佳的承载能力。随着我国水电事业的发展，抽水蓄能电站的建设日趋增多，适用于这种可逆式机组的推力轴承要求在正、反转向都能灵活、可靠地运行。因此可逆式机组采用中心支承的推力轴承，以满足双向旋转的要求，此时周向偏心率为X=0.50。中心支承推力轴承的承载能力大幅度地下降，综合性能最差。以往抽水蓄能机组基本都靠进口(我国已建成和在建的抽水蓄能电站见表1)，没有掌握中心支承推力轴承的设计与制造技术就是原因之一。为此，从理论计算、支承结构、瓦面材料及推力台试验等多方面进行研究，取得了突破性的成果，为中心支承的双向推力轴承的设计制造打下了坚实的基础。2、理论计算分析?中心支承推力轴承的润滑计算与偏心支承推力轴承的计算是相同的。为提高计算的准确性采用三维热弹流计算，即雷诺方程，能量方程，镜板、推力头、瓦块的温度场和变形的计算均采用三维模型。考虑到油膜厚度方向温度和粘度的变化，从而将镜板、推力头、油膜、瓦块、瓦间油流等作为一个系统进行耦合计算分析。具体的计算公式与偏心支承推力轴承相同，这里不一一列举。?由于采用三维热弹流计算并较好地处理了各方程计算的边界条件，其计算结果与试验结果误差在工程允许的范围之内。3、双向推力轴承与支承结构的试验研究3.1试验轴承结构参数及结果?在东电公司?1?000t?推力轴承试验台上分别进行了球面点支承、单托盘支承、弹簧束(垫)支承结构的双向推力轴承试验研究。3.2试验结果的分析?经过对大量试验数据的分析整理，可了解不同结构参数和不同工况下轴承运行的性能。下面从两方面对3种结构的中心支承推力轴承的性能进行分析与对比。3.2.1进、出油边油膜厚度比?进、出油边油膜厚度比h１/h２是推力轴承运行的一个重要参数，偏心支承推力轴承的最佳值为2.5～3.0。中心支承推力轴承由于支承点(油膜压力合力作用点)通过轴瓦对称中心而使轴瓦不易形成足够的动压润滑油楔。为此，有时在瓦面上预加工出型面，以利形成油膜。不同结构中心支承推力轴承的这一性能指标的好坏，可用其运行时进、出油边油膜厚度比值来衡量。比值大即瓦的周向倾角大，则易形成动压润滑的油楔，有利于提高轴承的承载能力。见表6。?弹簧束中心支承推力轴承轴瓦和球面点中心支承推力轴承轴瓦的张角较大易形成油膜，而单托盘中心支承推力轴瓦的张角较小不易形成油膜。3.2.2承载能力与承载能力系数?将3种中心支承推力轴承的实测值组成的无量纲油膜厚度值hmin/(B?L)0.5，与由轴瓦平均比压P、平均瓦温下的油的粘度值μα、转速N及轴瓦的周向B、径向长度L、瓦的平均半径R等组成的轴承数NμαR２／ＰＢＬ直观地表示了不同支承结构中心支承推力轴承承载能力的大小。不难看出，速度工况下，弹簧束中心支承推力轴承均具有最大的承载能力。球面点中心支承、单托盘中心支承的推力轴承承载能力较小，而且随载荷及线速度的加大而减小。因此，对于线速度较高载荷较大的抽水蓄能机组，弹簧束中心支承推力轴承应是最佳的选择。目前国内已投运的进口十三陵、天荒坪及广蓄二期等抽水蓄能机组的运行情况也证明了这一点。?表示轴承的承载能力系数，则按照试验结果，3种结构中心支承推力轴承的承载能力系数如表7所示。可以看出在高线速度大载荷工况下，弹簧束中心支承推力轴承的承载能力系数可高出1倍。4、结论?(1)球面点支承、单托盘支承以及弹簧束支承方式都可以用于中心支承的双向推力轴承，但它们的成本及性能差异较大，各有优缺点。复杂支承结构的钨金瓦在较高比压时优于简单支承结构的钨金瓦，浮动支点优于固定支点，塑料瓦优于钨金瓦。球面点支承、单托盘支承中心支承钨金瓦的安全许用比压难以突破4MPa；弹簧束支承钨金瓦及采用塑料瓦可望达到4～5MPa。设计人员应根据推力轴承的运行工况，使用环境结合制造成本等因素选择合适的支承结构、瓦块厚度和瓦面材料。?(2)弹簧束支承具有浮动偏心、瓦面变形自动适应等优点，用于双向推力轴承时其进、出油边油膜厚度比值可达2.0～2.6，较为理想。而固定支点时，周向倾斜度偏小，在钨金瓦的瓦面上预加工周向型面，或者在双层瓦的托瓦顶面加工台阶，或者采用液压弹性油箱单环支承结构等，都有助于改善瓦面工作形状，增大进、出油边膜厚比值。?(3)支点径向偏心率应合理选取，特别是对于径向凸变形较小的固定支点式钨金瓦，例如双托盘支承对支点位置十分敏感。(4)弹簧束支承结构的中心支承推力轴承由于具有浮动偏心、热弹变形可相互补偿，因而具有承载能力大、温升低、最大油膜压力小及运行稳定的特点［４，５］，是一种较为理想的中心支承推力轴承结构型式，特别是对高速重载抽水蓄能机组有广阔的应用前景。5、结束语?经过十几年来的研究工作，在大型发电－电动机双向推力轴承的计算、设计、试验、制造技术上向前迈出了重要的步伐，弄清了双向推力轴承的运行机理，掌握了其理论计算、设计、制造等关键技术，成功地设计制造了国内第1套完全国产化的响洪甸抽水蓄能机组双向推力轴承，经受了抽水－发电所有工况考验，运行正常，并为自行设计制造更大型的抽水蓄能机组提供了重要的技术储备。