大型水轮机转轮与主轴摩擦联轴技术研究

陈维勤，熊建平

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

大型水轮机转轮与主轴摩擦联轴技术研究

陈维勤，熊建平

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

结合东芝水电对水轮机转轮与主轴摩擦联轴技术的开发研究与试验，总结了用碳化硅粉末作为介质增加摩擦系数的摩擦联轴的技术特性及作业保障措施，为大型水电站水轮机摩擦联轴的实施提供了技术依据。供同行参考。

水轮机；碳化硅粉末；摩擦系数；摩擦联轴技术；研究

1 前言

水轮机摩擦联轴是指水轮机主轴与转轮联接采用法兰螺栓联接摩擦传递扭矩的方式，通过给定主轴与转轮联轴螺栓足够大的预紧力，以获取相应的摩擦力，满足机组摩擦传递扭矩的要求。摩擦传递扭矩相对于使用键或销来传递扭矩的联轴方式，其具有互换性好、装拆方便等突出的优点，并因此受到用户青睐。

目前摩擦联轴主要有两种方式，一种是无摩擦剂方式，该方式主轴与转轮直接刚性联接，也称纯摩擦联轴方式，该方式联轴螺栓给定的预紧应力需要足够大；另一种是加摩擦剂方式，即在与主轴联接的转轮接触面上喷涂摩擦剂从而增大摩擦系数的方式，也称摩擦剂摩擦联轴方式，该方式联轴螺栓预紧应力可以适当降低。目前这两种方式在中、小型水轮发电机组上都有较广泛的应用，东芝水电也均有应用业绩。

对于单机容量200 MW以上大型水轮机，由于输出功率大、需要传递的扭矩大幅度增加，主轴与转轮联接法兰尺寸也需要很大，如果采用摩擦联轴传递扭矩，则需要在设计、制造、安装及检验等方面进行全面考虑。根据东芝水电的研究成果，推荐优先采用摩擦系数较大的加摩擦剂的方式，以适当降低机组联轴螺栓的预紧应力，提高机组运行的可靠性。

东芝水电在总结以往的摩擦联轴传扭技术基础上，作了进一步研究，充分考虑到大型水轮机主轴、转轮及联轴螺栓等材料性能、结构布置空间、联轴螺栓预紧力限制，以及加工制造难度、现场喷涂摩擦剂作业存在的不稳定因素等，通过试验进行了相关研究，完善了性价比和现场组装作业性更优良、且具有较高摩擦系数的摩擦联轴传扭技术，探究和论证了推广应用于200MW以上大容量机组的可行性。

本文主要对上述两种摩擦联轴传递扭矩方式进行了对比研究和应用介绍，供同行参考。

2 两种摩擦联轴方式的特性比较

下面表1、表2以某电站设计为例，从设计计算、制造、安装及检验等多方面对无摩擦剂和加摩擦剂两种摩擦联轴方式的特性进行比较说明。

表1 某电站摩擦联轴方案设计计算对比分析

表2 两种摩擦联轴方案的制造、检验及安装安全性、难度比较

从表1和表2对两种摩擦联轴方案的比较，可以看出：

（1）无摩擦剂的摩擦联轴方式

1）优点

设计：主轴法兰与转轮直接联接，简单；

安装：简单方便，可操作性强。

2）缺点

设计：计算用摩擦系数一般不超过0.2，相对较小，要求的联轴螺栓预紧力应力较大，螺母面压较高，给定的联轴螺栓安全系数较小；

制造：联轴法兰面的表面平面度和粗糙度等有较高的要求，增加了制造的难度，特别是对于大型机组，其主轴联轴法兰直径较大，保证法兰平面度、粗糙度的难度也将增大。

（2）加摩擦剂的摩擦联轴方式

1）优点

设计：计算用摩擦系数通常可取0.3，约为无摩擦剂联轴方式的1.5倍左右，要求的联轴螺栓预紧应力相对较低，螺母面压也降低，给定的螺栓安全系数可适当提高；

制造：轴法兰面的表面平面度和粗糙度要求可适当降低，便于制造，特别是对于大型机组，其主轴联轴法兰直径较大，保证法兰平面度、粗糙度的难度降低，更易达成设计目标。

2）缺点

安装：在转轮联接法兰面上喷涂摩擦剂，需要按规范操作，有一定工作量和难度；

检验：对照喷涂样板进行摩擦剂喷涂要求检查，需要进行多次确认。

通过上述对比分析可以看出，采用摩擦剂联轴方案时，联轴螺栓应力、螺母面压可有效降低，并增大了安全系数，确保摩擦联轴的可靠性，同时可适当降低联轴法兰制造、检验的难度。难点在于需要规范喷涂方法，制定可操作性好的标准作业规范，以有效控制安装质量。

3 摩擦剂喷涂方法研究

摩擦剂包括摩擦粉和粘接剂两部分，我们采用碳化硅粉末作为摩擦粉，粘接剂采用无铅清漆或凡士林，碳化硅粉末被稳定地粘接在联轴法兰面上，形成均匀的摩擦剂层，增加联轴接触面的摩擦系数。

在联轴法兰面上喷涂摩擦剂，是获取更大的表面摩擦系数，确保可靠传递扭矩的有效方式。针对摩擦剂喷涂在现场组装作业中可能存在的不确定性，为获取不低于0.3的摩擦系数，保证喷涂质量，东芝水电在以往中小型机组应用业绩的基础上，进一步通过试验研究，验证了法兰面间喷涂摩擦剂增强摩擦传扭性能、获取了质量稳定的预期摩擦系数的方法，形成了容易操作的作业规范。

首先，为获取质量稳定的摩擦剂涂膜，我们进行了多次喷涂尝试、调整，以及重复性改善试验，最终规范了操作流程、作成了标准检验样板。其喷涂方法简介如下：

在大试板上用喷枪喷洒无铅油漆和碳化硅粉末，如图1所示。喷洒时应确保按规定的距离，手势稳定、速度均匀地喷洒，喷洒后检查法兰表面油漆附着情况，保证油漆均匀分布，局部不得有未喷洒部位或液滴凝聚现象。粉末均匀并基本不重叠。

图1 摩擦剂喷涂示意图

采用放大镜观察和确认涂膜厚度和粉末均匀度基本达到预期要求后，再采用相同的方法，在整齐排列并编号的小试板上均匀喷涂，然后将喷好涂膜的小试板，拿到显微镜下观察。

通过多次喷涂试验和观察，确认采用以上方法喷涂后，在分布于不同位置的各块小试板上获得的涂膜质量基本无差异；之后采用试验成功的喷涂方法，反复进行喷涂试验和确认，直到每次喷涂获得的涂膜质量稳定为止。

通过以上试验，确立了获取稳定的摩擦剂涂膜的喷涂方法，形成了摩擦剂喷涂作业和检查企业规范。今后在实际安装中可按规范实施喷涂作业，并采用标准样板检查、比对，以确认涂膜质量。

采用凡士林作为粘接剂时，用毛刷均匀涂抹凡士林，喷粉的方式与采用油漆作为粘接剂时的方法相同。

4 摩擦系数测试试验研究

对法兰面之间无摩擦剂和喷涂碳化硅粉末作为摩擦剂两种摩擦联轴传递扭矩方式进行摩擦系数测试。两种方式的研究成果互为参照，以准确掌握各自特性和差异性，更好地应用于水电站机组设计制造、安装和运行维护。

4.1 试验装置和方法

试验装置如图2所示，用于摩擦系数测试试验的法兰，一个模拟原型机转轮的法兰，采用与原型水轮机转轮通常使用的优质高强度不锈钢相当的材料；另一个模拟主轴法兰，材料采用主轴广泛使用的锻20SiMn。法兰用螺栓联接，摩擦传递扭矩。

图2 摩擦系数测试装置

虽然已通过研究确认了摩擦系数并不随着材质的变化而变化，但为了获取与原型机实际尽可能一致的试验数据，用于试验的两个法兰的材料还是与原型机转轮和主轴使用较广泛的材料保持了一致性。

联轴螺栓采用力矩扳手预紧。在螺栓的预紧作业中，通过预先设定预紧力矩的方法，尽量确保每个螺栓预紧力矩基本相等，并通过经验公式计算出每个螺栓的预紧应力，转换成轴向力。

载荷试验时，用千斤顶及油泵系统加力，借助力臂模拟传递主轴的回转扭矩。油压千斤顶产生的载荷通过测力计传感器及显示装置逐次测量并读取。

4.2 摩擦系数测试试验结果

我们在法兰面无介质（不喷涂摩擦剂）和喷涂摩擦剂两种情况下，以及不同的螺栓预紧应力和法兰表面粗糙度条件下，进行了多次试验，并对试验时的作用载荷、螺栓预紧力等法兰位移瞬间的相关系列数据进行了测量和记录。通过测力计测得的油压千斤顶的载荷，以及根据螺栓预紧力矩计算的联轴螺栓的轴力等，可算出摩擦系数。

作业时需要对螺栓预紧力进行控制，计算使用了紧固完毕时的数据。每次试验后，及下一次试验开始前，都需要重新确认螺栓预紧应力。

通过对不同试验条件下的试验结果进行分类和对比分析，可以得出如下结论：

（1）按同等条件实施试验时，可以得到相当的结果。据此可以认为，试验方法的可靠性得到了确保。

（2）摩擦系数试验结果如下：

无摩擦剂时：0.20～0.30；

加摩擦剂时：0.35～0.40。

（3）无摩擦剂时，螺栓预紧应力变化对摩擦系数无明显影响，但表面粗糙度为Ra1.6时，较Ra3.2时，摩擦系数有增大，增幅在15%左右，因此在无摩擦剂时，提高表面光洁度，能获得较高的摩擦系数，但表面加工的难度增大。

（4）喷涂摩擦剂后，从试验结果可以看出，将螺栓的预紧应力从0.4 σs增大到0.5 σs，摩擦系数提高了15%左右；预紧应力从0.5 σs增大到0.6 σs摩擦系数没有明显变化，在此，如扣除因多次试验摩擦面变粗糙导致的摩擦系数下降因素，摩擦系数应该是稍有增加的。

（5）每次试验拆解法兰后，不加工法兰面，仅用油石修整后便再次试验时，无论是无摩擦剂还是喷涂摩擦剂，都会使表面粗糙度变得较之前粗糙，如图3所示，但试验结果显示出如下差异：

无摩擦剂的摩擦面的摩擦系数有逐次减小趋势，且每次减小了约5%左右，但在多次试验后，法兰面重新加工至Ra3.2，再进行试验，摩擦系数又有所增加。由此表明，无摩擦剂摩擦面的摩擦系数，随光洁度提高而增大，对表面光洁度质量要求高，在实际应用中，表面通过长时间运行及反复拆解检修，法兰面可能会变得较新机组粗糙，摩擦系数也会有减小的趋势；

喷涂摩擦剂的法兰面，在连续使用多次后，摩擦面也会变得更粗糙，但重新喷涂摩擦剂联轴后，摩擦系数却基本没有变化。因此说明其重复使用的性能相比无摩擦剂方式稳定。

图3 摩擦系数试验法兰面

4.3 螺栓预紧应力及面压评价

使用摩擦剂时，需要使摩擦剂嵌入法兰面来获得较高的摩擦系数，因此需要一定的螺栓预紧应力，预紧应力一般建议在0.4～0.6 σs范围内（σs：螺栓材料的屈服强度），根据综合结构参数的设计计算选取，可确保面压满足要求。

4.4 有效作用面积范围研究

以下试验对法兰面有效作用面积的范围进行了研究。

采用喷涂摩擦剂的方式实施摩擦传扭的法兰面，载荷试验后表面粗糙度变粗的范围基本涉及法兰面整个区域（图3）。我们通过在法兰止口根部加工凹槽，使法兰摩擦面接触面积相应减小的方式，再进行试验时，测定的操作力和摩擦系数，与法兰止口不加工凹槽比较，基本没有差异，可见摩擦力的有效作用面积主要在螺栓附近的范围，距离螺栓较远的位置，由于螺栓压紧力作用的影响逐渐减小，法兰面压也呈现减小的趋势，因此较远处的法兰面积适当减小，对摩擦力矩的大小影响很小。

实际应用中，可以适当减小法兰面精加工的范围，确保有效作用面的加工精度。

5 大型机组摩擦联轴应用研究

为了评价和确认大型机组的大尺寸法兰面实施粉末摩擦剂喷涂后，所形成的增摩擦涂膜对联接法兰面形位公差（主要是倾斜度）产生的影响，实施了以下模拟大型机组转轮与主轴联轴法兰的倾斜度测试模拟试验。

（1）试验装置

试验装置详见图4所示，装置根据某单机容量为250 MW的转轮、主轴法兰尺寸，按1:1制作测试模型，法兰直径为2.2 m；联接螺栓的预紧作业采用液压拉伸器实施，螺栓的预紧应力与原型机组设计值基本相同。

（2）试验方法

在法兰面不喷涂摩擦剂和喷涂摩擦剂两种情况下，按相同的预紧力分别预紧螺栓，将法兰把紧，之后分别测定螺栓分布位置及2个螺栓中间位置对应的内、外侧法兰的厚度，根据对喷涂摩擦剂前、后测定数据的对比分析，确认摩擦剂喷涂作业方法应用于大型机组的可行性。法兰面螺栓紧固后，测点位置如图5所示。

经过多次测试试验，并对两种摩擦联轴方式的法兰面倾斜度测量结果进行分类汇总和对比分析，结果显示，法兰面无摩擦剂时和喷涂摩擦剂时，其倾斜度没有明显的差异，其结果均小于0.01mm/m，满足GB/T8564-2003标准要求(0.02 mm/m)。

图5 法兰面测点位置

6 结语

无摩擦剂摩擦联轴方式在中小水轮机有较广泛的应用业绩。

喷涂摩擦剂与无摩擦剂摩擦联轴方式相比，在法兰面摩擦系数、法兰面加工要求和工艺、现场组装作业性、重复使用性等方面，均表现出更优秀的特性。

采用喷涂摩擦剂的摩擦联轴方式，摩擦系数可达到0.4以上，但考虑到使用环境和条件的差异，以及充分确保设计安全等因素，建议计算时摩擦系数取0.30，以保证有足够的安全裕量。

通过试验研究，东芝水电进一步明确了使用摩擦剂的摩擦联轴方式的作业方法，形成了企业规范，同时在探究200 MW以上大型机组上应用的可行性方面，也得到了验证。本研究成果已在南欧江五级机组上实际使用获得成功，值得今后进一步推广应用。

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TM312

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1672-5387（2017）08-0003-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.002

2017-03-22

陈维勤（1970-），女，高级工程师，从事水力机械设计制造技术工作。