陳泓宇¹　楊小龍²　程振宇¹　黃運福¹

（1.清遠蓄能發電有限公司；2.中國南方電網調峰調頻發電公司）

【摘　要】推力軸承是水輪發電機的核心部件之一，承受水輪發電電動機組所有轉動部件的重量和水推力構成的組合載荷，本文介紹和分析了清遠抽水蓄能機組無預壓小彈簧簇支撐推力軸承的應用情況，采用的無預壓小彈簇支撐結構是東芝技術特點，電站現場安裝不需要調整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。

【關鍵詞】抽水蓄能機組；推力軸承；無預壓小彈簧簇支撐；高轉速大容量；應用情況

1　概述

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

清遠抽水蓄能電站位于清遠市清新縣太平鎮境內，與廣州直線距離約75km。清遠蓄能電站共裝設4臺單機容量為320MW的發電電動機機組，為目前國內已投運的單機容量Z大的抽水蓄能電站。電站主要承擔南方電網的調峰、填谷、調頻、緊急事故備用等任務。

2　抽蓄機組推力軸承較常規機組特點

推力軸承通常被喻為水輪發電機組的心臟，高轉速、高推力負荷的蓄能發電電動機推力軸承設備比起常規機組除了一些共同的設計特點外更具有其特殊性。

2.1推力瓦支撐對稱布置

常規立式水輪發電機組是單方向旋轉，機組運行時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。而蓄能機組是雙向旋轉（順時針和逆時針），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

蓄能機組PV值比常規立式機組大很多。比如，清遠抽水蓄能機組的推力瓦平均周速49.48m/s推力瓦平均面壓4.02MPa，發電電動機推力軸承的PV值達198.91MPa.m/s，三峽單機容量700MW機組的PV值才有90.9MPa.m/s。

2.3機組工況轉換多、啟動頻繁

常規機組是單一的旋轉方向，而蓄能機組設計有發電、抽水等7中運行工況，在機組頻繁轉換工況的過程中，推力軸承瓦要承受著推力鏡板的正向和反向旋轉沖擊。

3　其它彈簧束推力軸承結構簡介

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發電機是加拿大GE公司設計和制造的，其推力軸承采用有預壓彈簧簇彈性支撐結構。10塊雙層結構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個帶有上下夾板和預壓螺桿的彈簧束。彈簧剛度4035N/mm,預壓力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。天蓄已經投產20多年，推力瓦溫一般不超過60℃,溫差小于3℃，能夠滿足機組長期安全穩定運行的要求，但是每次大修還是時有發現少數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發電機是東方電機設計和制造的，其推力軸承采用有預壓碟簧束推力支撐結構。12塊雙層結構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個帶有上下夾板和預壓螺桿的碟簧束。彈簧剛度7000N/mm，預壓力5000kg，詳見圖2。仙游電站發電機在2013年投產以來，在各個工況，油膜厚度均大于0.04mm,推力瓦溫RTD小于75°C，能夠滿足機組長期安全穩定運行的要求。

4　清遠抽水蓄能電站推力軸承介紹

4.1 推力軸承結構

清遠抽水蓄能的推力軸承設置在下機架處，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、鏡板和相關附件組成。其中，推力頭與下端軸是一個整體，在廠內整體加工而成；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板連在一起，形成一個相對的整體彈性結構；彈簧底座與推力軸承座無螺栓把合，但通過2顆Ф60mm銷釘進行定位。整個推力軸承固定在下機架上，下導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構形式。

如下圖4推力軸承結構圖。

推力軸承設有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。由于單個推力瓦面積大，承受的PV值也較大，所產生的熱量較多，為此，推力瓦均設置有6個散熱通孔。瓦內外徑側四角均進行了倒角，以減少瓦面冷卻潤滑油的循環阻力，適應機組雙向旋轉需要。

推力瓦的小彈簧有分繞制和機械加工兩種，而清蓄的采用分繞制推力彈簧工藝。每塊推力瓦下有34個帶有無預壓螺旋彈簧簇，每個彈簧的高度為51.41mm，直徑為Ф65mm，額定受力2ton以上；推力瓦的Z大負荷可達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）。推力彈簧兩側裝設的止動塊，以及推力瓦兩側的間隔塊，可使推力彈簧始終與推力瓦處于Z佳組合狀態。

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

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

4.2  推力軸承解析

清蓄電站的推力瓦的油膜，運用三維熱彈流計算分析軟件分析。在發電工況額定運行時，重點對油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力分布特性進行了解析。其中，水泵工況反向旋轉解析特性相似。見下圖7。

從解析圖可以看出，油膜厚度呈現出良好的連續、均勻、動態的楔形收斂過程，Z小油膜厚度達到40µm以上，而在瓦面的周向中心位置Z小油膜厚度達到8µm，瓦面的大部分溫度在60°C左右，Z高油膜溫度出現在推力瓦出油邊的局部區域，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%左右達到Z大后又開始周向變淺徑向縮小直至瓦出油側，推力瓦體熱凸變形和同于油膜壓力而產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瓦面綜合變形特性。

4.3關于推力軸承油循環

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

4.4  推力軸承安裝與檢修

清蓄電站無預壓縮型彈簧束彈簧簇支撐方式一個特點就是安裝與檢修比較方便。推力軸承上使用的每一個彈簧都需要經過特別嚴格的監測和探傷，無論彈性系數還是外形尺寸，必須經過專用程序嚴格按瓦按機組挑選分組。無預壓縮型小隙調整完成。推力瓦及其固定連接附件工廠內預裝調整編號，推力彈簧現場按分組方案布置，可以縮短現場安裝工期。據廠家資料，由于彈簧束推力軸承的壓縮量達到（54.1－51.41=2.69mm），機組空載/額定負載/Z大推力負載時的水輪機轉輪中心與導水機構中心的高程差達到1.3～1.5mm，要安裝的時候下機架的高程與Z終軸承使用時彈簧高度對應，安裝時將下機架高程調整高出52.48-51.41=1.07mm（機架撓度等計算之外），也就是彈簧座的高度是按運行時的高度來設計的。

推力軸承的檢修是使用特殊的轉動和運輸工具來完成，下機架油槽壁在180°對稱位置揩油2個檢修窗口。推力軸承支撐臺設計為上下分開兩部分，檢修推力瓦是頂起轉子提起推力鏡板，在旋轉軸承臺底部打入高壓油利用特殊工具轉動旋轉軸承臺，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。推力瓦和下導瓦共用一個油槽，采用機坑外循環油冷卻系統增大油槽內部空間也方便檢修。

4.5 推力軸承運行情況

清蓄電站2015年10月至2016年7月，#1、#2、#3機組先后投放商業運行，幾臺機組推力軸承瓦溫監測的數據基本一致，推力軸承運行正常，瓦溫穩定性能指標達到了設計與合同目標值。以#3機組發電工況與抽水工況RTD瓦溫運行穩定后監控數據為例，抽水工況，Z高瓦溫63.3°C，而發電工況高瓦溫59.3°C，大部分RTD傳感器裝在軸瓦中部，其溫差小于3°C，抽水工況進出油溫差11°C左右，而發電工況進出油溫差6.7°C，說明抽水工況推力軸承瓦溫較發電工況略高，抽水工況運行時，轉輪向上的軸向水推力相對要小，隨著揚程的逐步增大，機組總體向下的軸向水推力可能較之發電工況明顯會大很多且無明顯波動，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。可以滿足機組運行性能的要求，可以長期、安全穩定運行。詳見下圖。

5　結言

推力軸承是高水頭、高轉速、大容量抽水蓄能機組設計的難點，從幾個電站運行經驗表明，彈簧簇結構形式的推力軸承是比較可靠的。清遠抽水蓄能電站的推力軸承運行情況表明可以滿足機組長期、安全穩定運行要求，其采用的無預壓小彈簇支撐結構有較大應用推廣價值，其特點歸納如下：

（1）彈簇支撐結構為多點支撐，主承載區油膜較厚，承載區域較大，整體支撐剛度強，運行平穩。

（2）小彈簧的彈性變形能自動調節推力瓦在油膜壓力作用下產生的凹變形，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）在較寬的推力負荷范圍下，在各工況下，進出油油膜溫差小于11°C，出油側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）電站現場安裝不需要調整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。相對于其他兩種預壓結構，無預壓小彈簧簇有以下優點；A.小彈簧一次加工成型，無須二次組裝，制造周期短；B.結構簡單，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