无预压小弹簧簇支撑推力轴承在清远蓄能电站的应用

陈泓宇¹　杨小龙²　程振宇¹　黄运福¹

（1.清远蓄能发电有限公司；2.中国南方电网调峰调频发电公司）

【摘　要】推力轴承是水轮发电机的核心部件之一，承受水轮发电电动机组所有转动部件的重量和水推力构成的组合载荷，本文介绍和分析了清远抽水蓄能机组无预压小弹簧簇支撑推力轴承的应用情况，采用的无预压小弹簇支撑结构是东芝技术特点，电站现场安装不需要调整弹簧和瓦面以及受力，安装方便。

【关键词】抽水蓄能机组；推力轴承；无预压小弹簧簇支撑；高转速大容量；应用情况

1　概述

推力轴承是蓄能发电机组Z核心的组成部件之一，其工作状况直接影响机组的安全可靠运行。目前抽水蓄能机组推力轴承常见的支撑结构主要有弹性油箱（广蓄一期）、弹性盘（广蓄二期）、弹性柱（惠蓄）、弹簧簇（清蓄）四种结构。弹簧簇支撑推力轴承结构应用类型基本有三种：种，预压缩型螺旋弹簧簇见图1，如：天荒坪抽水蓄能电站；第二种，预压缩型碟簧束见图2，如仙游抽水蓄能电站，第三种，无预压缩型弹簧簇见图3，如西龙池抽水蓄能电站、清远抽水蓄能电站。本文将重点介绍和分析清远抽水蓄能机组无预压弹簧簇支撑推力轴承的应用情况，清蓄主机设计采用日本东芝技术，早期的小弹簧簇支撑与GE等厂家一样，也是要单个组装预紧的。为了简单可靠，近三十年前开发了不需预紧的技术，此后东芝的抽蓄和常规推力小弹簧都是不预紧的。

清远抽水蓄能电站位于清远市清新县太平镇境内，与广州直线距离约75km。清远蓄能电站共装设4台单机容量为320MW的发电电动机机组，为目前国内已投运的单机容量Z大的抽水蓄能电站。电站主要承担南方电网的调峰、填谷、调频、紧急事故备用等任务。

2　抽蓄机组推力轴承较常规机组特点

推力轴承通常被喻为水轮发电机组的心脏，高转速、高推力负荷的蓄能发电电动机推力轴承设备比起常规机组除了一些共同的设计特点外更具有其特殊性。

2.1推力瓦支撑对称布置

常规立式水轮发电机组是单方向旋转，机组运行时为了便于推力瓦与镜板之间形成楔形的油膜，推力瓦的支撑布置采用偏心布置，周向偏心率＞0.50，通常在0.54~0.60之间。而蓄能机组是双向旋转（顺时针和逆时针），推力瓦的支撑布置需要采用中心对称支撑布置轴向偏心率为0.50。

2.2推力轴承PV值大损耗大

蓄能机组PV值比常规立式机组大很多。比如，清远抽水蓄能机组的推力瓦平均周速49.48m/s推力瓦平均面压4.02MPa，发电电动机推力轴承的PV值达198.91MPa.m/s，三峡单机容量700MW机组的PV值才有90.9MPa.m/s。

2.3机组工况转换多、启动频繁

常规机组是单一的旋转方向，而蓄能机组设计有发电、抽水等7中运行工况，在机组频繁转换工况的过程中，推力轴承瓦要承受着推力镜板的正向和反向旋转冲击。

3　其它弹簧束推力轴承结构简介

3.1 天荒坪抽水蓄能电站弹簧束推力轴承

天荒坪抽水蓄能电站的电动发电机是加拿大GE公司设计和制造的，其推力轴承采用有预压弹簧簇弹性支撑结构。10块双层结构推力轴瓦的上层是镶有2.5mm巴氏合金的铜瓦，厚度38mm，下层为厚50mm的钢托瓦，推力瓦下面密集放置着46个带有上下夹板和预压螺杆的弹簧束。弹簧刚度4035N/mm,预压力770kg,，压缩量为1.91mm, Z大力推力作用下推力轴承压缩量约为1.3mm。天蓄已经投产20多年，推力瓦温一般不超过60℃,温差小于3℃，能够满足机组长期安全稳定运行的要求，但是每次大修还是时有发现少数弹簧束有损伤甚至断裂的状况。

3.2 仙游抽水蓄能电站碟簧束推力轴承

仙游抽水蓄能电站的电动发电机是东方电机设计和制造的，其推力轴承采用有预压碟簧束推力支撑结构。12块双层结构推力轴瓦的上层是镶有巴氏合金的钢瓦，厚度50mm，下层为厚70mm的钢托瓦，每块轴瓦下面密集放置着66个带有上下夹板和预压螺杆的碟簧束。弹簧刚度7000N/mm，预压力5000kg，详见图2。仙游电站发电机在2013年投产以来，在各个工况，油膜厚度均大于0.04mm,推力瓦温RTD小于75°C，能够满足机组长期安全稳定运行的要求。

4　清远抽水蓄能电站推力轴承介绍

4.1 推力轴承结构

清远抽水蓄能的推力轴承设置在下机架处，它由推力头、镜板、推力轴承座、推力弹簧底座、推力弹簧?推力瓦、镜板和相关附件组成。其中，推力头与下端轴是一个整体，在厂内整体加工而成；镜板与推力头通过螺栓把合在一起；推力瓦、弹簧和弹簧底座通过止动板连在一起，形成一个相对的整体弹性结构；弹簧底座与推力轴承座无螺栓把合，但通过2颗Ф60mm销钉进行定位。整个推力轴承固定在下机架上，下导轴承安装在推力轴承上方，与推力轴承共用推力头，采用的是支柱螺栓式分块瓦轴承结构形式。

如下图4推力轴承结构图。

推力轴承设有12块巴氏合金推力瓦，推瓦长宽比L/B≈1，瓦上层镶有4mm厚的巴氏合金的轴瓦，瓦厚120mm。由于单个推力瓦面积大，承受的PV值也较大，所产生的热量较多，为此，推力瓦均设置有6个散热通孔。瓦内外径侧四角均进行了倒角，以减少瓦面冷却润滑油的循环阻力，适应机组双向旋转需要。

推力瓦的小弹簧有分绕制和机械加工两种，而清蓄的采用分绕制推力弹簧工艺。每块推力瓦下有34个带有无预压螺旋弹簧簇，每个弹簧的高度为51.41mm，直径为Ф65mm，额定受力2ton以上；推力瓦的Z大负荷可达1009.5 ton。弹簧簇采用中心对称布置方式，保证每块瓦推力弹簧合理中心和推力瓦受力中心位置基本一致（具体布置形式如图5所示）。推力弹簧两侧装设的止动块，以及推力瓦两侧的间隔块，可使推力弹簧始终与推力瓦处于Z佳组合状态。

对于推力瓦与推力瓦间隔块之间间隙，要控制在0.50mm~0.70mm，以保证推力瓦在运行中在能够灵活摆动形成润滑油膜，挡块同时起到承受推力瓦周向力的作用。推力瓦外径侧在底座与推力瓦间设置了2块止浮板，以防止推力瓦在径向和轴向发生窜动，但要确保推力瓦能自由上下浮动。

整个轴承浸在润滑油中，依靠推力镜板旋转的粘带作用，在瓦面和镜板之间形成动压油膜。

4.2  推力轴承解析

清蓄电站的推力瓦的油膜，运用三维热弹流计算分析软件分析。在发电工况额定运行时，重点对油膜厚度、油膜温度、油膜压力分布特性进行了解析。其中，水泵工况反向旋转解析特性相似。见下图7。

从解析图可以看出，油膜厚度呈现出良好的连续、均匀、动态的楔形收敛过程，Z小油膜厚度达到40µm以上，而在瓦面的周向中心位置Z小油膜厚度达到8µm，瓦面的大部分温度在60°C左右，Z高油膜温度出现在推力瓦出油边的局部区域，总体推力瓦油膜温升不大，对推力瓦和推力镜板造成的热凸变形值是在一定的范围。油膜压力的瓦体变形是按推力瓦周向缓慢加深，在瓦周向60%左右达到Z大后又开始周向变浅径向缩小直至瓦出油侧，推力瓦体热凸变形和同于油膜压力而产生的弹性变形可以相互抵消部分变形，说明采用弹簧簇支撑方式的推力瓦具有良好的适应瓦面综合变形特性。

4.3关于推力轴承油循环

清蓄电站推力瓦和下导瓦共用一个油槽，采用机坑外油冷却循环系统。循环冷却油从油槽内档圈注入，经推力轴承底座后，顺着弹簧和推力瓦的散热通孔流至油槽外侧。为避免冷油油却器直接流到至油槽外，轴承台座上设置有封油板。这样可比较充分地将推力瓦、弹簧簇和下导瓦在运行时所产生的热量带走。另外，增加了一个辅助油槽，以保证在油泵启停的时候，油槽冷却水中断后，假设油槽与外界不发生热交换即所有损耗均被油槽吸收，按下油槽总油量12000L，当冷却水中断15min 后，在Z恶劣的假设之下，油温从额定的45℃增大到61℃；推力瓦的温度从额定时的69.2℃增大到79.9℃，可以保证“冷却器的冷却水中断时，机组在额定转速下带额定负荷无损运行15min，并安全停机”的合同要求。

4.4  推力轴承安装与检修

清蓄电站无预压缩型弹簧束弹簧簇支撑方式一个特点就是安装与检修比较方便。推力轴承上使用的每一个弹簧都需要经过特别严格的监测和探伤，无论弹性系数还是外形尺寸，必须经过专用程序严格按瓦按机组挑选分组。无预压缩型小隙调整完成。推力瓦及其固定连接附件工厂内预装调整编号，推力弹簧现场按分组方案布置，可以缩短现场安装工期。据厂家资料，由于弹簧束推力轴承的压缩量达到（54.1－51.41=2.69mm），机组空载/额定负载/Z大推力负载时的水轮机转轮中心与导水机构中心的高程差达到1.3～1.5mm，要安装的时候下机架的高程与Z终轴承使用时弹簧高度对应，安装时将下机架高程调整高出52.48-51.41=1.07mm（机架挠度等计算之外），也就是弹簧座的高度是按运行时的高度来设计的。

推力轴承的检修是使用特殊的转动和运输工具来完成，下机架油槽壁在180°对称位置揩油2个检修窗口。推力轴承支撑台设计为上下分开两部分，检修推力瓦是顶起转子提起推力镜板，在旋转轴承台底部打入高压油利用特殊工具转动旋转轴承台，选择需要检修的推力瓦将推力瓦由检修窗口抽出检查，推力瓦检修后的安装程序与抽出程序相反即可。推力瓦和下导瓦共用一个油槽，采用机坑外循环油冷却系统增大油槽内部空间也方便检修。

4.5 推力轴承运行情况

清蓄电站2015年10月至2016年7月，#1、#2、#3机组先后投放商业运行，几台机组推力轴承瓦温监测的数据基本一致，推力轴承运行正常，瓦温稳定性能指标达到了设计与合同目标值。以#3机组发电工况与抽水工况RTD瓦温运行稳定后监控数据为例，抽水工况，Z高瓦温63.3°C，而发电工况高瓦温59.3°C，大部分RTD传感器装在轴瓦中部，其温差小于3°C，抽水工况进出油温差11°C左右，而发电工况进出油温差6.7°C，说明抽水工况推力轴承瓦温较发电工况略高，抽水工况运行时，转轮向上的轴向水推力相对要小，随着扬程的逐步增大，机组总体向下的轴向水推力可能较之发电工况明显会大很多且无明显波动，这也就是造成水泵工况推力瓦温相对要高的主要成因。但推力轴承瓦温Z大值均小于64°C，小于合同要求值75°C。可以满足机组运行性能的要求，可以长期、安全稳定运行。详见下图。

5　结言

推力轴承是高水头、高转速、大容量抽水蓄能机组设计的难点，从几个电站运行经验表明，弹簧簇结构形式的推力轴承是比较可靠的。清远抽水蓄能电站的推力轴承运行情况表明可以满足机组长期、安全稳定运行要求，其采用的无预压小弹簇支撑结构有较大应用推广价值，其特点归纳如下：

（1）弹簇支撑结构为多点支撑，主承载区油膜较厚，承载区域较大，整体支撑刚度强，运行平稳。

（2）小弹簧的弹性变形能自动调节推力瓦在油膜压力作用下产生的凹变形，各轴瓦温差小于3°C，说明能够部分抵消瓦压力分布更均匀，压力峰值小，承载能大力。

（3）在较宽的推力负荷范围下，在各工况下，进出油油膜温差小于11°C，出油侧RTD温度小于63°C，油膜温度变化幅度小，油膜厚度变化幅度小。

（4）电站现场安装不需要调整弹簧和瓦面以及受力，安装方便。相对于其他两种预压结构，无预压小弹簧簇有以下优点；A.小弹簧一次加工成型，无须二次组装，制造周期短；B.结构简单，安装方便；C.弹簧高度精度高，受力均匀。

来源：《水电与抽水蓄能》2017年第5期