关于弹性垫支撑自调节受力推力轴承的研究与应用

王焕栋（浙江双富电力设备有限公司，浙江 杭州 311201）

关于弹性垫支撑自调节受力推力轴承的研究与应用

王焕栋
（浙江双富电力设备有限公司，浙江 杭州 311201）

摘要：由在推力瓦下方安装的特制合成橡胶垫所构成的弹性垫，对受力状态的推力轴承产生自调节，具有结构简单、自调节性能良好、轴瓦温差小、运行性能稳定的特点；而且这种轴承具有自调节机组轴线的功能，可以做到不盘车刮垫，不处理机组轴线，是中小型水轮发电机组刚性支撑推力轴承改为弹性支撑的最佳选择。

关键词：刚性推力轴承；合成橡胶弹性垫；弹性垫推力轴承

1　刚性支撑推力轴承存在的问题

图1内循环刚性支撑推力轴承

中小型水轮发电机推力轴承，基本上都是刚性支撑推力轴承，典型结构如图1。

即在机架内安装有推力轴承支架，在推力支架上安装有支柱螺钉、托盘、推力轴瓦（巴氏合金瓦或弹性金属塑料瓦），推力瓦支撑着由发电机镜板、推力头、卡环、大轴、转轮等构成的机组全部转动部分重量及其水推力。在推力轴承支架外装有推力轴承油箱，油箱内装有油冷器、挡油板、分油板等，构成推力轴承的润滑冷却系统。

中小型水轮发电机推力轴承，基本上是一种传统的刚性支撑结构，其结构简单，但却存在以下问题：

（1）推力瓦受力及镜板水平是以调整支柱螺钉的高度来实现，由于无法准确测量各块轴瓦的受力，往往只能凭操作者的经验和感觉，难以保证各块轴瓦受力均匀，调整困难，误差可能达到各瓦平均受力的10%～25%，如果调整受力不顺利，可能误差达平均受力的±25%。同一台机各瓦温差一般在5～7℃，有的甚至达到10℃以上，难以达到“刚性支撑推力轴承各轴瓦的载荷分布与平均值的偏差应在±10%之内”的技术规范要求。

以新安江电厂刚性支柱推力轴承为例，在调整推力瓦受力时，曾先后用过人工大锤打受力，每打一锤，都要测量抗重螺丝扭转角度（或弦长），以及用千分表测量水机主轴位移等，然后综合分析判断。由于用人工大锤打受力，要求每锤力量均匀是不现实的，再加之抗重螺丝、托盘等部件加工精度的影响，推力瓦很难达到受力调整均匀的状态，一般轴瓦运行温差达到7℃以内已经很理想了。也曾用过在托盘上装千分表，按托盘变形调受力，从理论上讲，在托盘上贴应变片按轴瓦应力来调节受力应当是可行的，但实际运行情况并不理想，10块轴瓦温差达9℃，并不比人工调节受力准确。分析其原因，除加工质量和公差影响外，主要是抗重螺丝头部是圆弧的，抗重螺丝与托盘的接触中心在机组运行中有位移。目前各水电厂还是用人工大锤打受力、依靠综合分析判断来调整推力瓦受力。

由于在调受力时无法准确测定各瓦的受力情况，也无法预知各轴瓦的运行温度，只有等机组试运行时才知道最后的结果，有的机组大修，曾发生多次反复调受力的情况，造成机组无法如期投产。所以调整推力轴瓦受力，是各电厂（站）机组大修时最棘手、最头痛的工作之一。

（2）中小型水轮发电机刚性支撑轴承，由于发电机主轴、推力头、镜板均为刚性连接，在制造和安装中，会产生机组主轴与镜板不垂直，使机组主轴与镜板产生倾斜，导致机组在旋转中产生摆度。这种摆度，往往都用研刮推力头或研刮推力头与镜板间的调整垫（绝缘垫）来处理，也有的用修刮推力头卡环等来调整。不管哪种办法，都要对机组进行盘车找摆度。由于设备加工精度、安装质量、测试方法等都对盘车、调受力有直接影响，尤其是一些老机组，因为加工粗糙，设备老化严重，盘车、调整受力难以找准。曾经在一台7.5MW立式机组上，盘车找摆度，处理轴线花了半个月。既使安装时可以达到技术标准，但实际运行后，往往也会发生机组摆度大、轴瓦温度高、瓦温偏差大等问题，给机组安全运行带来威胁。所以盘车找摆度，处理摆度也是各电厂（站）机组检修比较难干的工作之一。

由于刚性支撑推力轴承普遍存在着以上两个主要问题，而且已经存在了半个世纪以上，直到现在尚没有更好的解决办法，造成了该轴承安全运行可靠性低，调受力、盘车、找轴线、处理轴线时间长。已经成为中小型电站的一个老大难问题，有的电站甚至严重地威胁着机组安全运行，所以笔者认为必须对刚性支撑推力轴承进行改造。

近些年，笔者也参加过一些新的大型机组的安装与调试，由于设计水平提高，新材料、新结构、新工艺的应用，设备加工质量的大幅提高，不仅调整推力轴瓦受力丢掉了榔头，盘车找摆度等工作变得简单易行，而且有的新机组提出现场可以不调受力、不盘车找摆度的技术条件。但这些轴承都是液压推力轴承，即由弹簧束（销）、弹性圆盘、平衡块等支撑的轴承，结构复杂，造价高，都不适用于中小型机组，现急需找到一种结构简单、投资少、见效快、改造方便、运行可靠，适合于中小型水轮发电机组的弹性自调节受力的推力轴承。而弹性垫支撑自调节受力推力轴承的研究与应用的成功，为中小型刚性支撑推力轴承的改造带来了希望。

2　关于弹性垫的试验和研究

弹性垫支撑推力轴承早在20世纪80年代已经开始试用，如国内用耐油橡胶制造的扇形弹性垫支撑推力轴承，在推力载荷50t、450r/min的机组上使用，初期机组运行正常，但运行两年以后，弹性垫发生塑性变形，周边胀出形成鼓形，弹性垫厚度从5 mm降到4.8mm。与此同时，国外用圆形耐油橡胶弹性垫的推力轴承，推力荷载50t，428r/min试验，也出现类似的变形和情况。由于当时的弹性垫材料不过关，而这种支撑的轴承便被搁置。但弹性垫支撑的推力轴承从设计原理到现场试验，都一致认为是可行的。是中小型机组刚性支撑改为弹性支撑的最佳途径。但因当时的条件限制，尤其是对弹性垫的材料研究和试验不够，所以弹性垫支撑轴承一直没有得到应有的发展和推广。时过境迁，随着现代科技的进步和新材料的发展，给弹性垫支撑轴承发展创造了条件。

笔者最近几年，一直进行这方面的研究和试验，先后对用普通耐油橡胶、聚氨脂、聚四氟乙烯、特制合成橡胶做弹性垫进行了试验和分析。

普通耐油橡胶：价格便宜，弹性好，短期应用可以，但在长期高油温下运行，性能不稳定。橡胶会吸入液体、高温油与橡胶发生化学反应，有时吸入量大于抽出量，以致橡胶体积增大。而且普通橡胶硬度低、随着温度、时间、压力的变化，塑性变形增大，而弹性变形减小，弹性模量和硬度变低，逐步失去调节能力。

聚四氟乙烯：俗称“塑料王”，它的抗老化、抗磨损、化学稳定性、耐油、耐高温、吸入量，抽出量都比较理想，是一种不可多得的好材料。但它的硬度比橡胶高，而弹性比橡胶小，它的弹性模量400～800 MPa，在推力瓦单位载荷3～4MPa时弹性变形过小，弹性变形仅为0.02～0.03mm，由于它的调节余量过小，而失去了做弹性垫的可能性。

聚氨酯（简称TPU）是一种重要的合成树脂品种，而其中聚氨脂弹性体，可在较宽的硬度范围，具有较高的弹性及强度，优异的耐磨性、耐油性及抗振性能，具有优异的综合性能，很可能是今后弹性垫的发展方向。但在试验中发现，聚氨脂在高温、高压下工作易软化，失去弹性，甚至比一般耐油橡胶的使用寿命还要短。

综合上述弹性垫的三种材料分析，虽然都不具备选用推力轴承弹性垫的条件，但它给我们研制和探索新的弹性材料提供了很多借鉴。我们通过几年的摸索和试验，选用了一种新的合成橡胶，通过特殊的工艺处理，完全可以用在中小型机组推力轴承的弹性垫上，并且我们在弹性垫的结构、设计计算上也有所突破。通过试验室和真机试验，取得了圆满成功。

特制弹性橡胶垫是根据弹性垫在推力轴承中的运行特性和技术要求，选用的一种优质合成橡胶，经过特殊加工而成。它是一种耐油、耐高温、耐老化、弹性调节性能良好的产品。特制弹性垫的技术性能如下：

（1）该橡胶垫具有优良的耐油性和耐高温性，可以在120℃的高温矿物油中长期工作（发电机推力轴承温度最高运行油温不超过70℃）。

（2）物理机械性能优异，已经成为耐油橡胶制品的标准弹性体。

抗拉强度2.5MPa；

压缩永久变形17%～28%；

拉断伸长率250%以上；

溶胀率20%～30%；

挥发分≤1%；

灰分≤1.5%。

（3）弹性变形

弹性垫在受压时，必然会产生物理和化学变化，当压缩力消失后，会阻止橡胶恢复到原来状态，于是就产生永久变形，而压缩永久变形的大小，它取决于压缩状态的温度、时间、与压强。而在高温下的化学变化是导致弹性垫发生永久变形的主要原因。压缩永久变形是去除施加给弹性垫的压缩力，在标准温度下，恢复高度后测得。

弹性垫的永久变形，经过处理后，可以控制在20%以下。

弹性垫在压缩时，在厚度方向产生的变形（减小）与永久变形的差为弹性变形。弹性变形是压缩力消失后能够恢复的变形。

弹性垫是长期浸在70℃的矿物油中，在压强0～5MPa（正常情况下是在0～4MPa），交变荷载下长期工作，它是利用推力荷载的变化而产生的弹性变形，来调节推力瓦荷载，均衡轴瓦间的温度，所以它对弹性变形要求很高。

弹性垫在压力机上作弹性试验中证实，在压力升高过程中，初始阶段0～6MPa，变形与施加的压力量近似线性变化，弹性变形总值为20%左右。而我们正常应用的压力不会超过4MPa，是弹性垫产生弹性变形的初始阶段。其变形值相当于5%～7%，距弹性垫的最大弹性变形还有相当大的距离。

（4）硬度

弹性垫的硬度与相应材料弹性模量和粘弹性有关，对弹性垫的弹性变形有直接影响。

弹性垫的硬度用邵氏A型硬度计测量85～90度。

（5）外观及外形尺寸

表面光滑，颜色均匀，无凹坑，无压痕和麻点，填充材料无颗粒，材质均匀。

弹性垫切断后，内部无气泡、无气孔、无杂质，材料结构均匀密实。

同块弹性垫厚度差不超过0.03mm；同一台机组弹性垫高度差不超过0.05mm。

同一台机组，弹性垫与推力瓦组合高度差应小于0.05mm。

3　弹性垫支撑推力轴承的结构布置及对刚性支撑推力轴承的改造方案

用弹性垫支撑推力轴承代替传统的刚性支柱螺栓、托盘等，把弹性垫直接放在上机架和下机架的基础面上，在弹性垫上直接安放推力瓦。如托口小电站两台机组，为了有效降低机组高度，就是把弹性垫直接安放在上机架的基础面上，如图2所示。

图2弹性垫直接放在机架上

这种布置方式，对新机组设计上，具有降低机组高度，增加机组刚性，节省投资的优势。

在一般中小型水轮发电机组上，尤其是一些老机组，都选用悬吊式水轮发电机组刚性支柱推力轴承，由于用弹性垫代替了支柱螺钉和托盘，使机组推力轴承转动部分高度降低，显然把弹性垫直接安放在上机架基础面上是不可能的。要在保证原机组转动部分安装高程不变的情况下，从新设计制造一个推力轴承支架，安装在机架上，将弹性垫安放在推力轴承支架上，改造结构简单，方便易行，如图3所示。

图3弹性垫放在轴承座上

从结构上看，弹性垫支撑结构简单，但因为弹性垫支撑无法调节各推力瓦受力，无法调节机组的水平，又要做到机组不进行盘车刮垫处理机组摆度（托口5号、6号机组只进行联轴盘车检查机组轴线），所以安放用弹性垫支撑的支架基础，加工精度、光洁度要求都很高，不是一般设备可以完成的。安装后弹性垫基础面必须达到0.02mm/m。对弹性垫的厚度、推力瓦的厚度、弹性垫和推力瓦的组合厚度都有很高的技术要求。换言之，是用设备加工的高精度和弹性垫的良好性能来保证实现推力瓦受力均匀，和机组运行轴线良好。

4　弹性垫支撑自调节受力推力轴承的试验

4.1弹性垫支撑推力轴承试验电站机组参数

试验机组安装在湖南省托口水电厂小电站（生态电站）的两台机组上，该电站的机组参数为：

水轮机型号HLFF133-LJ-195；设计水头49m；发电机型号 SF15-20/3920；额定功率 15MW；n=300r/min，推力载荷160t；推力瓦设计单位载荷P=3.07MPa；平均周速V=13.87m/s；瓦面径向宽度B=240mm；瓦面周长L=200.48mm；进油温度＜40℃；冷却水温度28℃；冷却水量0.0047m3/s；设计为每台机10块弹性金属塑料瓦。

从以上参数可以看出，无论从机组设计容量、水轮机转轮直径及发电机直径，都达到了中型立式水轮发电机的标准，而且推力轴承、上导、下导、水导轴承布置都具有典型中型水轮发电机组的特点。我们浙江双富电力设备有限公司（FFEP）在这个电站的两台机组推力轴承上，设计制造了弹性垫支撑的自调节受力推力轴承，具有一定的示范作用。从设计结构、机组安装调试、机组盘车、试运行等进行了一系列的试验，并取得了圆满成功。

4.2弹性垫支撑推力轴承的优良特性

（1）弹性垫支撑推力轴承的自调节性能良好，轴瓦温差小，运行性能稳定。

弹性垫支撑推力轴承是把弹性垫直接安装在推力瓦的下方，在机组运行中，在推力载荷的作用下，使每块推力瓦具有足够的弹性变形；另一方面，由于弹性垫在径向设计上有一定的偏心矩，使推力瓦在运行中形成动力压载油楔，推力瓦表面产生油膜。由于弹性垫的良好弹性，及稳定的机械和物理性能，推力瓦相当于在弹簧层或弹性液压油箱上运行，用弹性垫的弹性变形，吸收推力轴承运行中产生的不均衡轴向跳动，以达到调整推力轴承的不均衡荷载。

众所周知，一个自调受力的推力轴承，它的调节性能主要表现在同一台机组每块推力瓦，在同一运行工况下的温度差。瓦温差越小，说明受力均匀度好。一般刚性支柱推力轴承，瓦温差5～7℃，而托口小电站，5号机组，推力瓦最高瓦温50℃，10块推力瓦，最大温差3.1℃，最高油温46℃，油温与瓦温差4℃。6号机组，推力瓦最高瓦温51.4℃，10块推力瓦，最大瓦温差2.9℃，最高油温47.6℃，油温与瓦温差3.8℃。

两台弹性垫支撑的推力轴承均表现推力瓦受力自调节性能良好，10块瓦温均匀，最高瓦温、油温与瓦温差等比较理想，均在设计规范允许范围内；瓦温随着负荷及环境温度变化平稳，是一般刚性支撑轴承无法比拟的，已经基本上达到弹性液压推力轴承的运行水平。

（2）弹性垫支撑推力轴承机组轴线可以自行调整，可以做到不盘车、不刮垫、不处理轴线。

在大部分中小型水力发电机组中，尤其是一些老机组，由于制造质量、设计和安装等原因，机组不同程度存在着发电机主轴与镜板不垂直，使机组转动部分产生倾斜，机组运转中在导轴处产生径向振动（摆度），所以用盘车检查轴线，用刮垫处理摆度，是机组大修一项很重要的工作，它不仅技术要求高，工期长，人员多，而且很烦杂，是发电机检修中最头痛的事，而我们采用弹性垫支撑后，由于机组的径向振动（摆度）可以转化为推力轴承的轴向跳动，将机组的摆度消化在弹性垫的跳动中，只要把放置推力瓦与弹性垫基础平面水平调整达到技术要求后，不需要调整推力瓦的受力，也不需要发电机的单独盘车，省去了发电机盘车、调受力、处理摆度的繁杂工作。在托口小电站的两台机组安装中，发电机没有进行单独盘车，直接进行联轴盘车，检查机组轴线情况，盘车后证明机组轴线良好，上下轴承处轴颈及法兰相对摆度小于0.02mm/m，水导轴承处相对摆度小于0.03mm/m，轴线没有进行任何处理即可安装各导轴承。机组投入运行以后，托口电站5、6号机组最大振动与机组摆度均在国家技术标准范围内（见表1）。

表1托口小电站机组弹性垫支撑推力轴承最大振动与摆度情况

从表1实测记录表明，机组各部位的摆度及振动均明显小于国家标准，无论从托口小电站还是广东、福建等一些安装弹性垫支撑推力轴承的中小型机组上看，不用盘车刮垫是可行的。

（3）机组轴线稳定性提高

机组运行中，由于动不平衡、水力不平衡（尤其是混流式水轮机），在中低负荷下运行，一般都存在着水轮机运行不稳定区，都会促使机组产生轴向和径向振动，在刚性支撑轴承上，反应明显。它造成受力支架振动增加，机组摆度加大。这种外力干扰影响机组轴线，处理十分困难，而弹性垫支撑推力轴承，相当于机组在转动与固定部分过渡段加了一个缓冲器，它可以有效地吸收和消化机组一部分垂直与径向振动，可以明显地提高机组的稳定性，在托口小电站两台机组都是混流式转轮，水轮机在低负荷运行时也出现明显不稳定区，补气阀动作频繁，噪音大，但水轮机与发电机振动、摆度都没有明显增加。在其它一些改用弹性垫支撑的推力轴承，也都感到机组轴线稳定性提高，即使在一些机组上摆度有所增大，但都没有发现导轴瓦温度升高的现象。

（4）由于弹性垫支撑推力轴承结构简单，可以使推力轴承的造价大幅降低；而且从刚性支撑推力轴承改造成弹性垫支撑推力轴承，简易方便，改造费用低，性价比高，也就是说，花不多的钱，就可以把刚性支撑垫推力轴承改造成自调节受力的弹性轴承。

（5）由于弹性垫支撑推力轴承，不需要推力轴瓦受力调整，不需要盘车刮垫处理轴线，所以安装、调试简单，备品更换方便。

5　结语

（1）在中小型水电机组上，普遍采用刚性支柱式推力轴承，由于推力瓦受力人工调整误差大，各轴承瓦运行温差大，运行安全可靠性低；而且需要用盘车办法检查轴线，用刮垫方法处理轴线，耗用工期长，安装调整烦杂，所以需要进行现代化改造。

（2）弹性垫支撑自调节受力推力轴承，自调节性能好，各轴瓦温差小，而且机组轴线可以自行调整，可以做到不盘车、不刮垫。机组轴线运行稳定。

（3）弹性垫支撑推力轴承，安装调试方便。

（4）本文推荐的合成橡胶弹性垫通过实验室和实际机组运行考验，耐油、耐高温、耐老化，弹性调节性能好，能够满足推力轴承运行特性要求。

（5）弹性垫支撑推力轴承结构简单，而且刚性支撑推力轴承改造为弹性垫支撑自调节受力推力轴承尤为方便，改造可靠性高，改造费用低、性价比高，是中小型水电机组刚性支撑推力轴承改造成弹性支撑的最佳选择。

参考文献：

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中图分类号：TK730.3+22

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）01-0005-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.002

收稿日期：2014-09-30

作者简介：王焕栋（1937-），男，高级工程师，从事水电站机电设备检修与改造工作。