陳泓宇，楊小龍，程振宇，黃運(yùn)福

（1.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853；（2.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640）

無(wú)預(yù)壓小彈簧簇支撐推力軸承在清遠(yuǎn)蓄能電站的應(yīng)用

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，廣東省清遠(yuǎn)市 511853；（2.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640）

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(wú)預(yù)壓小彈簧簇支撐推力軸承的應(yīng)用情況，采用的無(wú)預(yù)壓小彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)是東芝技術(shù)特點(diǎn)，電站現(xiàn)場(chǎng)安裝不需要調(diào)整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。

抽水蓄能機(jī)組；推力軸承；無(wú)預(yù)壓小彈簧簇支撐；高轉(zhuǎn)速大容量；應(yīng)用情況

1 概述

推力軸承是抽水蓄能發(fā)電機(jī)組最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(jiàn)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：第一種，預(yù)壓縮型螺旋彈簧簇見(jiàn)圖1，如天荒坪抽水蓄能電站；第二種，預(yù)壓縮型碟簧簇見(jiàn)圖2，如仙游抽水蓄能電站；第三種，無(wú)預(yù)壓縮型彈簧簇見(jiàn)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(wú)預(yù)壓彈簧簇支撐推力軸承的應(yīng)用情況。

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)抽水蓄能電站共裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為320MW的發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)組，為目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的單機(jī)容量最大的抽水蓄能電站。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 抽水抽蓄機(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)荷的抽水蓄能發(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(duì)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，軸向偏心率大于0.50，通常為0.54～0.60。而抽水蓄能機(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(duì)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

抽水蓄能機(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，而抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)有發(fā)電、抽水等7種運(yùn)行工況，在機(jī)組頻繁轉(zhuǎn)換工況的過(guò)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 其他彈簧簇推力軸承結(jié)構(gòu)

3.1 天荒坪抽水蓄能電站彈簧簇推力軸承

天荒坪抽水蓄能電站電動(dòng)發(fā)電機(jī)是 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46個(gè)帶有上下夾板和預(yù)壓螺桿的彈簧簇。彈簧剛度4035N/mm，預(yù)壓力770kg，壓縮量為1.91mm， 最大推力作用下推力軸承壓縮量約為1.3mm。天荒坪抽水蓄能電站已經(jīng)投產(chǎn)20多年，推力瓦溫一般不超過(guò)60oC，溫差小于3oC，能夠滿足機(jī)組長(zhǎng)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)彈簧簇有損傷甚至斷裂的狀況。

3.2 仙游抽水蓄能電站碟簧簇推力軸承

仙游抽水蓄能電站電動(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)壓碟簧簇推力支撐結(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66個(gè)帶有上下夾板和預(yù)壓螺桿的碟簧簇。彈簧剛度7000N/mm，預(yù)壓力5000kg，見(jiàn)圖2。仙游抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)2013年投產(chǎn)以來(lái)，在各個(gè)工況，油膜厚度均大于0.04mm，推力瓦溫RTD小于75℃，能夠滿足機(jī)組長(zhǎng)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

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(guò)螺栓把合在一起；推力瓦、彈簧和彈簧底座通過(guò)止動(dòng)板連在一起，形成一個(gè)相對(duì)的整體彈性結(jié)構(gòu)；彈簧底座與推力軸承座無(wú)螺栓把合，但通過(guò)2顆φ60mm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。

圖4為推力軸承結(jié)構(gòu)圖。

推力軸承設(shè)有12塊巴氏合金推力瓦，推瓦長(zhǎng)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(rùn)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，而清遠(yuǎn)抽水蓄能電站采用分繞制推力彈簧工藝。每塊推力瓦下有34個(gè)帶有無(wú)預(yù)壓螺旋彈簧簇，每個(gè)彈簧的高度為51.41mm，直徑為φ65mm，額定受力2T以上；推力瓦的最大負(fù)荷可達(dá)1009.5T。彈簧簇采用中心對(duì)稱布置方式，保證每塊瓦推力彈簧合力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最佳組合狀態(tài)。

對(duì)于推力瓦與推力瓦間隔塊之間間隙，要控制在0.50～0.70mm，以保證推力瓦在運(yùn)行中能夠靈活擺動(dòng)形成潤(rùn)滑油膜，擋塊同時(shí)起到承受推力瓦周向力作用。推力瓦外徑側(cè)在底座與推力瓦間設(shè)置了2塊止浮板（如圖6所示），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(rùn)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

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站推力瓦的油膜，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(duì)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(jiàn)圖7。

從解析圖8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(guò)程，最小油膜厚度達(dá)到40μm以上，而在瓦面的周向中心位置最小油膜厚度達(dá)到8μm，瓦面的大部分溫度在60℃左右，最高油膜溫度出現(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(duì)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)到最大后又開(kāi)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(shuō)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 推力軸承油循環(huán)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站推力瓦和下導(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)擋圈注入，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)。為避免冷油直接流至油槽外，軸承臺(tái)座上設(shè)置封油板。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，按油槽總油量12000L，當(dāng)冷卻水中斷15min后，在最惡劣的假設(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(wú)損運(yùn)行15min，并安全停機(jī)”的合同要求。推力承軸油循環(huán)系統(tǒng)見(jiàn)圖9。

4.4 推力軸承安裝與檢修

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站無(wú)預(yù)壓縮型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(guò)特別嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和探傷，無(wú)論彈性系數(shù)還是外形尺寸，必須經(jīng)過(guò)專用程序嚴(yán)格按瓦按機(jī)組挑選分組。無(wú)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(hào)，推力彈簧現(xiàn)場(chǎng)按分組方案布置，可以縮短現(xiàn)場(chǎng)安裝工期。據(jù)廠家資料，由于彈簧簇的壓縮量達(dá)到2.69mm（54.1-51.41=2.69mm），機(jī)組空載/額定負(fù)載/最大推力負(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，安裝的時(shí)候下機(jī)架的高程與最終軸承使用時(shí)彈簧高度對(duì)應(yīng)，安裝時(shí)將下機(jī)架高程調(diào)整高出1.07mm（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(lái)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(lái)完成，下機(jī)架油槽壁在180o對(duì)稱位置開(kāi)出2個(gè)檢修窗口。推力軸承支撐臺(tái)設(shè)計(jì)為上下分開(kāi)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(tái)底部打入高壓油利用特殊工具轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸承臺(tái)，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)部空間方便檢修。

4.5 推力軸承運(yùn)行情況

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站2015年10月～2016年7月，1、2、3號(hào)機(jī)組先后投放商業(yè)運(yùn)行，幾臺(tái)機(jī)組推力軸承瓦溫監(jiān)測(cè)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)與目標(biāo)值。以3號(hào)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，最高瓦溫63.3℃，而發(fā)電工況最高瓦溫59.3℃，大部分RTD傳感器裝在軸瓦中部，其溫差小于3℃，抽水工況進(jìn)出油溫差11℃左右，而發(fā)電工況進(jìn)出油溫差6.7℃，說(shuō)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(duì)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(wú)明顯波動(dòng)，這也就是造成水泵工況推力瓦溫相對(duì)發(fā)電工況要高的主要成因。但推力軸承瓦溫最大值均小于64℃，小于要求值75℃，可以滿足機(jī)組運(yùn)行性能的要求，可以長(zhǎng)期、安全穩(wěn)定運(yùn)行，見(jiàn)圖10和圖11。

5 結(jié)束言

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(zhǎng)期、安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，其采用的無(wú)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）彈簧簇支撐結(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℃，說(shuō)明瓦壓力分布均勻，壓力峰值小，承載能力大。

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

（4）電站現(xiàn)場(chǎng)安裝不需要調(diào)整彈簧和瓦面以及受力，安裝方便。相對(duì)于其他兩種預(yù)壓結(jié)構(gòu)，無(wú)預(yù)壓小彈簧簇有以下優(yōu)點(diǎn)：①小彈簧一次加工成型，無(wú)須二次組裝，制造周期短；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便；③彈簧高度精度高，受力均勻。

[1]DL/T 293—2011抽水蓄能可逆式水泵水輪機(jī)運(yùn)行規(guī)程[S]． 北京：中國(guó)電力出版社，2011．DL/T 293—2011 Code of operation of reversible pump-turbine of pumped storage[S]． Beijing： China electric power press， 2011．

[2]梅祖彥．抽水蓄能技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．MEI Yanzu． Technology of pumped storage[M]． Beijing： China Machine Press， 2000．

[3]何少潤(rùn)．天荒坪抽水蓄能電站彈簧簇支撐式推力軸承剖析[J]．水電站機(jī)電技術(shù)，1999， 4．HE Shaorun． The analysis of spring cluser spported thrust bearing in Tianhuangping punped storage station[J]． Electromechanical technology of hydropower station， 1999， 4．

[4]胡建文．推力軸承小彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)[J]． 大電機(jī)技術(shù)， 1997，6．HU Jianwen． The small springs cluser supported structure of thrust bearing[J]． Large electric machine and hydraulic turbine， 1997， 6．

[5]吳鵬．小彈簧簇多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)在大型推力軸承上的應(yīng)用[J]． 水力發(fā)電，2013，04．WU Peng． The application of small spring cluser and multiply supporting structure for thrust bearing[J]． Water Power，2013，04．

2016-07-11

2016-07-25

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。E-mail：542120791@qq．com

楊小龍，男，工程師，主要研究方向：電站生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

程振宇，男，學(xué)士，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。

黃運(yùn)福，男，學(xué)士，主要研究方向：電站機(jī)電設(shè)備安裝管理工作。

Small Springs Cluser Without Preloading Supported Thrust Bearings Used in Qingyuan Pumped Storage Powerplant

CHEN Hongyu1，YANG Xiaolong2，CHENG Zhengyu1，HUANG Yunfu1
（Qingyuan Pumped Storage Power Co. Ltd，Qingyuan 511853，China； Power generation company of China Southern Power grid Co.Ltd， Guangzhou 510640， China）

The thrust bearing is one of the core components of turbine generator， turbine generator motor set under combined loads all rotating parts and the weight of the water thrust structure，this paper introduces and analyzes the Qingyuan pumped storage units without the application of preloading springs support the thrust bearing， no preloading supporting structure of small bomb cluster is Toshiba mining technology the power station installation does not need to adjust the spring force， and the tile surface， convenient installation.

pumped storage unit； thrust bearing； no preloaded small spring cluster support； high speed large capacity； application

TV743

A學(xué)科代碼：570．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．015