塑料瓦推力轴承在770MW溪洛渡机组上应用

张东胜，武中德，王建刚，刘平安，刘长波



塑料瓦推力轴承在770MW溪洛渡机组上应用

张东胜1，武中德2,3，王建刚3，刘平安3，刘长波4

（1. 中国长江三峡集团公司机电工程局，成都610000；2. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；3. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；4. 大连三环复合材料技术开发有限公司，大连 116103）

在巨型水轮发电机组中，推力轴承是最重要的组成部分之一，其他的设计是否合理将直接影响水轮发电机组的可靠运行。本文介绍了塑料瓦特点、小支柱推力轴承结构、在溪洛渡770MW机组上应用情况等。机组运行情况表明，塑料瓦推力轴承可用于巨型水轮发电机组。

塑料瓦；推力轴承；巨型机组；应用

0 前言

弹性金属塑料瓦推力轴承于1989年在哈尔滨大电机研究所研制成功，历经机组运行验证和试验台试验[1,2]，目前大中型水轮发电机组应用塑料瓦推力轴承已很广泛[3,4]。2010年在哈尔滨大电机研究所的3000t推力轴承试验台上进行了塑料瓦推力轴承应用于巨型机组的试验研究，采用弹性油箱支撑结构或小支柱支撑结构，试验结果表明，两种支撑结构的塑料瓦推力轴承均是可行且可靠的方案。

长江三峡集团公司和哈尔滨电机厂有限责任公司及大连三环复合材料技术开发有限公司进行塑料瓦推力轴承应用于溪洛渡770MW水轮发电机组的可行性研究，并于2012年开展设计、制造。2014年3月在溪洛渡3号机进行安装、运行。

1 塑料瓦特点

1.1 塑料瓦主要性能指标

塑料瓦由金属丝形成的多孔弹性垫为基体，与改性高性能聚四氟乙烯复合而成的自润滑复合材料瓦面（如表1）。虽然各公司的复合层略有不同而表现的颜色有差异，但都是经钎焊工艺将复合材料瓦面与不同几何形状的钢基体牢固结合在一起，形成高性能弹性金属塑料瓦[3]。

表1 塑料瓦主要性能指标

1.2 塑料瓦特点

塑料瓦具有以下主要特点：

（1）适用于不同支撑方式和不同润滑油循环冷却方式；

（2）摩擦系数小；

（3）具有极佳的耐磨损性能，使用寿命长；

（4）承载能力比巴氏合金轴瓦提高20％以上；

（5）适应油润滑、脂润滑，在油水混合润滑条件下，仍可正常工作；

（6）有优异的抗咬合性能，避免发生粘着磨损；

（7）具有优异自润滑性能，取消高压油顶起仍可安全起、停机，简化操作程序；

（8）具有顺应性和独特的自调性能，有效改善瓦面压力分布以及瓦之间的受力状况，运行可靠、安全裕度大；

（9）安装、检修不需刮研瓦面，缩短安装检修周期等。

1.3 塑料瓦摩擦磨损特性

塑料瓦面的主体材料为聚四氟乙烯塑料，具有摩擦系数最低、优良的减摩和自润滑特性等。但存在某些缺点，如：线膨胀系数大、尺寸稳定性不好、机械性能较低、在干摩擦条件下的耐磨性较差等。在工程上，特别是用于水轮发电机组推力轴承等的关键部件。经过改性，大幅度提高了机械物理性能和摩擦磨损性能。大连理工大学国家力学测试中心对国外同类产品进行了摩擦磨损性能对比测试，摩擦磨损性能优于国外同类产品。

1.4 塑料瓦设计

弹性金属塑料瓦推力轴承的一般运行条件为单位压力不大于7.0MPa，平均线速度不大于40m/s，机组起动时轴承油槽内油温度不低于5℃，运行时热油温度不超过50℃。

在电站应用的塑料瓦，有纯聚四氟乙稀材料和有添加剂的复合聚四氟乙稀材料两种。其结构大体相同，即在摩擦材料和金属瓦基之间是一层绕簧状的青铜丝，这种材料被称为弹性金属层，其作用是连接塑料材料和金属瓦基并改善塑料层的物理性能。

因材料不同，在制造工艺上有一定的区别。有添加剂的塑料瓦面材料的加工是将塑料及添加剂粉末按配方要求混合，与弹性金属层复合压制成型，然后在真空烧结炉进行塑化烧结，最后与金属瓦基进行钎焊及精加工。这种弹性金属塑料瓦面为浅黄色或灰色。纯聚四氟乙稀材料的塑料瓦，一般制造工艺是用聚四氟乙稀板料与弹性金属层进行加热成型，再与金属瓦基进行钎焊及表面加工，这种弹性金属塑料瓦面为白色。成品瓦的弹性金属塑料复合层的压缩模量可控制在800~3500MPa。如塑料瓦的单位压力较大，压缩模量相应选取较大值，这样可使瓦面的热弹变形控制在合理的范围内。

含有添加剂的聚四氟乙烯瓦面的耐磨性优于纯聚四氟乙烯瓦面。对于频繁起动的调峰水轮发电机组，其推力轴承的瓦面材料选用含有添加剂的聚四氟乙烯为宜，可提高推力轴承的使用寿命。其他机组的推力轴承，两种瓦面均可选用，其制造成本相差无几。

由于弹性金属塑料瓦推力轴承的许用单位压力高，与巴氏合金瓦相比，可使用大小相同的瓦基，但瓦面可缩小一些。或者适当减小瓦基尺寸，以达到减小瓦面的目的。这样，既能利用弹性金属塑料瓦的优良性能，又可降低成本。

弹性金属塑料瓦推力轴承的型面根据瓦面材质的不同而有所区别。试验研究表明，白色瓦面的弹性金属塑料复合层的压缩模量相对较小，其型面的设计是否合理尤为重要。由于水轮发电机组的转子重量在机组起动之前就由推力轴承承担，相当于推力轴承存在预负荷，随着两次起动时间间隔的加大，弹性金属塑料瓦推力轴承在起动时的静摩擦系数增加，这主要是由于弹性金属复合层的蠕变特性，使瓦面和镜板面越来越趋于全面的接触，接触面之间的润滑油逐渐减少。在机组起动时，瓦面不具备快速建立油膜的条件，很容易产生事故。而浅黄色或灰色瓦面的弹性金属塑料复合层的压缩模量相对较大，对型面的要求同样重要。弹性金属塑料瓦推力轴承的理想型面为曲面，由于其曲率非常小，机械加工比较困难，所以其型面一般设计成梯形。对于单向运行的塑料瓦推力轴承，进油边的斜边比出油边的斜边大，可根据塑料瓦推力轴承的结构和工况，对其进行热弹流润滑性能分析，并进行较精确的设计。不论是白色瓦面，还是浅黄色或灰色瓦面，具有合理的型面对塑料瓦推力轴承有利。弹性金属塑料瓦推力轴承要具有一定的型面，就是要在机组起动时，瓦面可以较快地建立油膜，并能适当调整瓦面形状，充分发挥弹性金属塑料瓦推力轴承所应具有的优良性能。

弹性金属塑料瓦推力轴承可采用单层瓦或双层瓦结构。弹性金属塑料瓦的复合层是由一层聚四氟乙烯和一层青铜丝经压力成型而成，复合层钎焊到钢瓦基上，瓦面复合层的厚度一般为8~9mm。

基于小支柱结构的推力轴承特点，巴氏合金瓦运行时瓦面的径向为凹变形，而塑料瓦面的径向和周向均为凹变形，这是两种瓦运行时的显著差异[4,5]（如图1所示）。

在推力轴承上应用弹性金属塑料瓦，其瓦面形线设计很重要[6]。塑料瓦面形线设计，瓦面进、出油边楔形坡口的宽度如图2所示。

图1 小支柱巴氏合金瓦和塑料瓦推力轴承

图2 塑料瓦面形线设计

2 推力轴承结构

2.1 支撑结构

支撑结构是推力轴承的重要组成部分，它对在瓦间负荷分配有很大影响。采用可调支柱螺钉支撑结构[7]，支柱螺钉使瓦上的负荷可调，也就增加了轴承座上支撑结构的弹性。这样可调的结果补偿了不同轴向载荷下负荷分布的差异。支柱螺钉的长度也保证了支柱和瓦之间的接触区有相同的压力分布，这种支撑结构保证了瓦的倾斜支点的最佳位置。通过测量单瓦受力和调整支柱螺钉，实现各瓦受力均衡。

大型推力瓦必须控制瓦面的热变形和弹性变形，小支柱双层瓦可有效地控制瓦的热、弹变形。安装在推力瓦和托瓦之间的弹性小支柱是经过特别设计的（如图3所示）。小支柱可使托瓦的温度远低于推力瓦的温度，所以很厚的托瓦几乎没有热变形。尽管很薄的推力瓦有很大的温度梯度，但又厚、刚度又大的托瓦可使推力瓦保持为平面。用补偿推力瓦弹性变形，只保留推力瓦上温度梯度引起的热变形的方法选择小支柱的不同直径。进一步优化小支柱的弹性，还可补偿镜板的大部分变形[8]。小支柱的优化不但要考虑到额定转速和负荷下稳态变形，而且还要保证推力轴承在所有可能工况下安全运行。

图3 支撑结构

巴氏合金瓦的瓦面径向变形为凹变形（图1左）。随着载荷的增加，这种凹变形加大，这主要是小支柱簇的变形加大，进而影响瓦的变形。这与镜板面的下凸变形相对应，也就是小支柱结构的推力轴承的综合变形较小，承载能力大的原因。巴氏合金瓦的瓦面周向变形相对较小，塑料瓦的瓦面周向凹变形较大（图1右），所以塑料瓦面都要进行瓦面的形状设计。

小支柱的直径可根据推力轴承的具体工况实现最优性能的要求，进行具体地设计。工况不同，轴承参数差异、小支柱的直径也就会不一样。

2.2 连接板

采用弹性金属塑料瓦，其与小支柱和托瓦的连接方式与巴氏合金瓦的相同。但瓦间隔板改为带有连接板的隔板，如图4所示。

图4 瓦间隔板及连接板

瓦间隔板带有连接板，一方面具有隔油挡板的作用，保持润滑油循环路径不变；另一方面保证顶转子时，避免推力瓦被镜板带起，从而保证推力瓦位置准确。由于取消了高压油顶起系统，小支柱结构的推力轴承采用塑料瓦，必须安装相应的可连接板。隔板安装在推力瓦间，安装时保证隔板与推力瓦的间隙要求。

3 推力轴承运行

3.1 推力轴承参数

推力轴承主要结构参数如表1所示。

表1 轴承主要结构参数

3.2 推力轴承运行

推力轴承瓦运行温度见图5。

在机组功率701MW时，油温为24.2~32.5℃< [50℃]，推力瓦温度44.7~47.5℃< [60℃]（RTD），推力瓦间温度差2.8K。

同样工况下，溪洛渡巴氏合金瓦的运行温度为62℃。

图5 推力轴承运行瓦温

4 结论

溪洛渡3号发电机推力轴承采用小支柱双层瓦支承结构的塑料瓦、外循环润滑冷却方式。小支柱双层瓦结构的弹性金属塑料瓦使托瓦的温度梯度减小，因此控制了瓦的热变形。小支柱和塑料瓦复合层的弹性可抵消或降低瓦的剩余机械变形以及镜板变形的影响，进一步改善油膜形状。

机组运行证明，溪洛渡弹性金属塑料瓦推力轴承设计是合适的，并且运行稳定性能良好。弹性金属塑料瓦推力轴承可推广应用于巨型水轮发电机组。

[1] Daniel Schafer, Shen Liangwei, Axel Fuerst, Qu Dazhuang. Investigations into a 6000 tons Thrust Bearing with Teflon or Babbitt Layer for the Three Gorges Units[A]. Shenyang China, ICEMS, 2001: 184-189

[2] 吴军令. 岩滩水轮发电机推力轴承弹性金属塑料瓦运行试验[J]. 大电机技术, 1994(4): 1-4.

[3] 武中德, 张宏. 水轮发电机组推力轴承技术的发展[J]. 电器工业, 2007, 1: 32-36.

[4] 武中德, 张宏, 王黎钦, 曲大庄. 大型水轮发电机弹性金属塑料瓦推力轴承技术[J]. 润滑与密封. 2002(2): 59-62.

[5] 武中德, 张宏, 任忠海, 王黎钦, 曲大庄, 齐毓霖. 小支柱簇双层瓦推力轴承热弹流润滑性能分析[J]. 哈尔滨工业大学学报. 2003, 35(1): 81-84.

[6] 刘平安, 武中德. 水轮发电机弹性金属塑料瓦推力轴承瓦面形状[J]. 大电机技术, 2008(2): 5-6.

[7] 武中德, 张宏, 梁广泰, 吴军令, 张仁江. 三峡水轮发电机推力轴承[J]. 中国三峡建设, 2003(9): 7-8.

[8] 刘平安, 武中德. 水轮发电机镜板推力头热弹变形分析[J]. 大电机技术, 2008(2): 5-6.

Applying of Thrust Bearing with Teflon Layer on Xiluodu 770MW Unit

ZHANG Dongsheng1, WU Zhongde2,3, WANG Jiangang3, LIU Pingan3, LIU Changbo4

（1. China Three Gorges Corporation, Chengdu 610000, China; 2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China; 3. Harbin Electric Machinery Co. Ltd, Harbin 150040, China; 4. Dalian Sanhuan Composite Material Technology Development Co. Ltd, Dalian 116103 China）

The thrust bearing is one of the most important parts for large hydro-generators and strongly impacts on the reliability of the units of power station. This paper presents the features of thrust bearing with Teflon layer; thrust bearing with pins structure, applying of thrust bearing with Teflon layer on Xiluodu 770MW unit and so on. Thrust bearing with Teflon layer is available for large hydro-generator.

teflon-layer; thrust bearing; large hydro-generator; applying

TM312

A

1000-3983(2014)04-0001-04

2014-04-24

国家科技支撑计划(2007BAA05B04)1000MW水电机组推力轴承研究。

张东胜（1965-），1986年毕业于河海大学，现主要从事机电工程管理工作，高级工程师。

审稿人：刘公直