沐若水轮发电机推力轴承设计

李　雷，肖先照，刘　宇，武倩倩

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

沐若水轮发电机推力轴承设计

李雷，肖先照，刘宇，武倩倩

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：介绍了沐若水轮发电机推力轴承润滑计算和结构设计特点，通过对推力轴承的计算，得出了推力轴承运行性能。同时，阐述了悬式水轮发电机推力轴承采用单波纹弹性油箱支撑结构的合理性和运行的安全性。

关键词：推力轴承；润滑计算；单波纹弹性油箱

0引言

沐若水电站工程地处马来西亚婆罗洲岛的砂捞越州，坝址位于拉让(Rajang)河流域源头沐若河。电站总装机容量为944 MW，装有4台单机容量为236 MW的混流式发电机组，为哈尔滨电机厂有限责任公司(以后简称“哈电”)提供。发电机为立轴、悬式、全封闭双路自循环空气冷却、三相、凸极同步发电机。机组额定转速为300 r/min，飞逸转速为485 r/min，飞轮力矩不小于12 000 t·m2，发电机型号为SF236-20/7500。笔者介绍了沐若水轮发电机推力轴承关键部件的设计以及推力轴承运行性能。

1推力轴承结构特点

推力轴承承受机组运行时的全部轴向推力负荷，推力轴承支撑结构以及润滑油循环方式的选取对整个推力轴承运行的安全稳定性起到至关重要的作用。沐若推力轴承(如图1)位于转子上方，上机架中心体上，采用单波弹性油箱支撑，设置10块乌金瓦。推力油槽采用整体结构，在工地与上机架把合连接，油槽内设置两个相连的半环形油冷却器，为内循环冷却方式。推力头为“L”形推力头，具有足够的刚强度。推力头上端与轴通过卡环连接，与轴采用间隙配合，配车间隙为0～0.03 mm。

2推力轴承计算

沐若推力负荷为885 t，采用10块扇形乌金推力瓦，推力支撑为单波纹弹性油箱偏心支撑结构，润滑油为46号汽轮机机油。推力轴承润滑计算、推力瓦的热变形计算、单波纹弹性油箱有限元分析等相关计算是推力轴承结构设计、运行稳定的前提保证。

2.1润滑计算

沐若推力轴承参数如表1所示，用THRUST-DES程序对推力轴承进行分析计算，其额定工况润滑参数计算分析结果如表2所示。

表1　沐若推力轴承参数

表2　额定工况分析计算结果

2.2推力瓦计算

采用ANSYS软件对推力瓦进行计算，通过计算可知推力瓦变形，推力瓦温，油膜温度、厚度等重要参数都在哈电设计规范内，故推力轴承能满足机组的长期稳定运行。推力瓦计算结果如图2～图6所示。

图2　推力瓦轴向变形

图3　推力瓦温度

图4　油膜温度分布

图5　油膜厚度分布

图6　油膜压力分布

2.3弹性油箱计算

推力轴承共设置10个单波纹弹性油箱，油箱内充满密闭的透平油，通过连通管使油连通在一起形成液压支柱，每个单波纹弹性油箱受力为88.5 t。单波纹弹性油箱的形状以及受力状态属空间轴对称问题，用ANSYS程序进行分析，用轴对成单元PLANE42划分网格。有限元模型如图7所示，额定运行工况状态下的应力分布如图8所示，额定运行工况状态下的变形如9所示。根据哈电设计经验，可以不考虑机组运转一段时间后油槽与油箱内油温温度差对于弹性油箱而产成的附加应力。另外，弹性油箱的疲劳寿命在材料使用性能满足的基础上，也可得到有效的保证。

图7　单波纹弹性油箱有限元模型

图8　额定运行工况状态下的应力分布

图9　额定运行工况状态下的变形分布

3推力轴承运行性能

推力轴承的推力瓦温、油槽润滑油温以及水温度是考核推力轴承设计的关键指标。沐若电站4台机组全部投入商业运行，机组整体运行性能良好，推力轴承运行稳定可靠。表3为3号机组额定工况热稳定后的温度数据。从温度数据可知,最高瓦温不超过68 ℃，瓦温差在2.83 ℃以内，热油温度仅为34.5 ℃，小于40 ℃的要求，进出水温差在2 ℃以内。由此可见，单波纹弹性油箱具有良好的自我调节平衡的优点。另外，机组运行的振动摆度数据也完全满足相关规范要求。所有数据表明推力轴承的设计完全满足机组运行要求，并且还有一定的裕度。

表3　推力轴承额定工况热稳定温度数据　℃

4结语

推力轴承支撑采用单波纹弹性油箱为传统的支撑结构，多见于半伞式机组、推力瓦面为塑料瓦的结构，哈尔滨电机厂有限责任公司在此类型结构方面具有丰富的设计和生产经验。然而，沐若发电机为悬式机组，推力瓦为乌金瓦，推力轴承支撑采用单波纹弹性油箱支撑尚属首例。沐若发电机的成功并网发电，并且运行性能优越，各项参数满足设计要求，充分说明推力负荷在700～1 000 t的悬式水轮发电机采用单波纹弹性油箱支撑结构的合理性和可行性。沐若水轮发电机填补了单波纹弹性油箱用作悬式发电机推力支撑的空白，为后续结构类似机组的设计、安装和调试运行提供了宝贵经验。

作者简介：

李雷，1982年生，主要从事水轮发电机的设计与研究，工程师。