抽水蓄能电站推力轴承安装调试中几项关键技术的应用

葛军强，佟德利，熊 涛，刘同帅，魏春雷，郝 峰

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安县 330603；3.上海福伊特水电设备有限公司，上海市 201100）

0 引言

推力轴承是抽水蓄能电站发电电动机的关键部件，其性能直接影响到机组的性能和运行可靠性。抽水蓄能机组中使用的双向推力轴承具有运行速度高、轴承损耗大等特点。根据《水轮发电机基本技术条件》（GB/T 7894），推力轴承巴氏合金瓦最高温度不得超过80℃，冷却水中断后，机组无损坏运行不得少于10min。某抽水蓄能电站1号机组安装调试过程中，推力瓦温无法满足规范要求，为机组后续的安全稳定运行带来了一定的质量隐患。

1 该抽水蓄能电站推力轴承结构

该抽水蓄能电站装机容量为1200MW（4×300MW），安装4台单机容量300MW的混流可逆式水泵水轮发电机组，为周调节抽水蓄能电站。电站主要任务是为在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。发电电动机为立轴、悬式、三相、50Hz、空冷、可逆式同步发电电动机，额定转速500r/min，推力轴承布置于转子上方，推力轴承与上导共用一个油槽。推力/上导为外循环冷却，2台片式冷却器为一组，设外循环油泵2台，互为备用，主备用关系每次轮换，即前一次刚起动过的泵作为备用泵，另一台作为主用泵。悬式机组油槽位于转子上方，考虑拆磁极不拆上机架，油槽的外径受到限制，推力油槽明显偏小。因此需要设置外部油槽，导致推力油槽外循环系统的复杂性。该抽水蓄能电站推力轴承设计参数见表1、结构见图1。

表1 某抽水蓄能电站推力轴承设计参数Tab.1 Design Parameters of thrust bearing for HP pumped storage power station

2 推力轴承冷却方式

图1 某抽水蓄能电站推力/上导轴承结构图Fig.1 Structure of thrust/upper guide bearing for HP pumped storage power station

（1）抽水蓄能电站发电机组由于转速高，采用内循环冷却一般难于达到控制推力油槽润滑油温度的要求，因此一般采用外循环冷却方式。推力轴承外循环冷却方式主要有油泵外循环及镜板泵外循环两种。油泵外循环由于油槽小、抽瓦检查方便、冷却器热交换效率高、节省冷却水、冷却器布置在机坑外方便检修等诸多优点，抽水蓄能电站推力轴承冷却一般采用油泵外循环方式。国内高速机组采用镜板泵较少，主要是担心不能建压、无法满足油循环需要，但实际上，由于泵压过高导致密封失效的情况经常发生。

（2）相较于外加泵外循环，镜板泵是在推力轴承转动部件镜板或推力头上开数个径向直泵孔或斜泵孔。镜板外缘装有集油槽（相当于一般油泵的蜗壳），用以汇集泵出的热油，然后送入冷却循环管路。热油经冷却器冷却后送回油槽，完成油槽的热交换，将油槽油温稳定在一定值，以保证轴承的安全运行。机组转动之前，镜板整体浸泡在润滑油中；机组转动时，充满于泵孔中的润滑液在离心力的作用下，从内径被甩向外径，经集油槽排至外循环管路中。与此同时，在泵的内径处形成了低压区，油在液面大气压力的作用下，从油槽内径侧流入镜板泵孔。镜板不断转动，油就不断地流入，又从泵不断流出，这样镜板泵即可源源不断地送油了。镜板泵外循环具有以下特点：

1）可靠性高。镜板泵是利用机组转动部分动力驱动油循环的结构，与机组运行同步工作：机组转动，循环系统开始工作；机组停机，循环系统停止工作。

2）结构简单。镜板泵油槽外结构仅有管路、阀门、冷却器，而无外加泵结构电动机、油泵、控制柜等辅助设施。

3）自适应性强。镜板泵流量与机组转速自动匹配。机组转速高，损耗大，镜板泵压头高、流量大；机组转速低，轴承损耗小，镜板泵压头低，流量小。

3 处理措施

推力瓦温度高主要有以下几方面原因：结构设计不合理，单位面积承受负荷超标；推力轴承进油孔径小，冷却油量不足，摩擦产生的热量无法全部带出；润滑油中带水或其他杂质，推力瓦不能形成完整的液体润滑；轴承进油温度过高，推力瓦工作环境不良等。

3.1 增大推力瓦直径

将推力瓦外径增加到2120mm，将内径增加到890mm，推力瓦宽度增加到325.7mm。改造后与改造前的推力瓦外形尺寸分别见图2、图3。

图2 增大尺寸后的推力瓦及支撑Fig.2 Enlarged thrust bearing pads layout

3.2 将橡胶弹簧垫换成金属弹簧簇支撑

图3 现有的推力瓦及支撑Fig.3 Original thrust bearing layout

图4 弹簧簇支撑结构Fig.4 Structure of steel spring column

单个弹簧簇的结构如图4所示，每块推力瓦布置有47个弹簧簇支撑，工作时，每个弹簧簇将承受11.2kN的工作载荷。与橡胶弹簧垫相比，金属弹簧更软，更有利于载荷在各个瓦之间平均分配。但由于金属弹簧刚度更低，变形更具有线性特征，运行时的压缩量将有微小的增加，该增量可通过增大推力头高度来补偿。表2给出了金属弹簧与橡胶弹簧的参数。

表2 金属弹簧和橡胶弹簧压缩量的比较Tab.2 Deflection of steel spring column and rubber spring

3.3 增加推力头的外形尺寸

将推力头外径由现在的2015mm增加到2125mm，优化后的推力头，应力水平低于许用静应力的推荐值，滑动工作面产生的倾斜和弯曲变形可以被推力瓦和弹簧簇支撑的组合体柔度补偿。现有推力头与改造的推力头外形轮廓见图5。

图5 现有推力头（蓝色轮廓线）与改造的推力头Fig.5 Original and new（with blue outline）thrust runner design

4 优化后的推力瓦性能

4.1 额定工况

表3给出了额定载荷下推力轴承的性能参数，由于实际安装中各块瓦高低不齐，计算载荷选用额定载荷的1.1倍。另外，考虑到设计测量和理论计算的结果可能出现误差，所有温度结果增加了4%的安全值。图6反映了单块瓦压力、温度和油膜厚度的三维分布。

表3 推力轴承主要参数Tab.3 Main layout numbers of shrust bearing

4.2 特殊工况

某抽水蓄能电站推力轴承油的容积为12500L，内部有约800L的空间被金属部件占据，这些金属部件直接与油接触，热容量为油的2倍以上，保守计算，推力轴承有效的油容量达13300L。

图6 推力瓦计算结果分布图(a)瓦表面压力;(b)油膜厚度;(c)瓦表面温度Fig.6 Results plots of thrust bearing pad

（1）额定工况下冷却水中断。根据合同要求，冷却水中断推力瓦应能无损坏运行15min，经计算，冷却水中断15min后，油膜厚度44μm，大于合同规定的22μm，瓦温达89.5℃，小于合同规定跳机值90℃。图7反映了额定转速下，断水运行时轴承的性能曲线。

图7 额定转速下，断水运行时轴承的性能曲线Fig.7 Bearing performance at rated speed，no cooling

（2）飞逸工况下有冷却水运行。机组飞逸时，摩擦生热的速度远大于冷却的速度，摩擦生热和冷却水带走的热量，两者之间差值的部分将使润滑油温度持续升高。经计算，机组飞逸5min后，油膜厚度59μm，大于合同规定的22μm，瓦温达77℃，小于合同规定跳机值90℃。图8反映了飞逸工况时有冷却水情况下推力轴承的性能曲线。

5 现场验证试验

某抽水蓄能电站对推力轴承进行了优化，并对瓦温进行了现场验证试验。

图8 飞逸时，有冷却水情况下推力轴承的性能曲线Fig.8 Bearing performance at runaway with cooling

5.1 设备拆除

（1）依次拆除碳粉吸收装置及割除安装支架（碳刷及刷握，根据安装位置进行标记）、在线监测元件及电缆、碳粉吸收管路及支撑、油雾吸收管路、励磁电缆与碳刷架的连接（拆除前标记电缆连接位置号）、气密封盖（使用彩条布对集电环包裹防护），所有拆除设备需在固定区域摆放，记录并设置标识牌。

（2）拆除推力油槽盖固定螺栓，安装4-M16吊耳在推力油槽盖上，使用导链将油槽盖整体拉高至集电环罩顶部，并可靠固定。

（3）推力瓦拆除。对所有推力瓦RTD进行拆卸，并对RTD进行编号标记，临时固定于油槽内RTD电缆固定支架上，拆除过程中按照要求对RTD电缆进行相应防护，防止损坏；拆卸高压油管路，并进行管口封堵防护，拆出的高压油管路按照规定区域摆放；拆除稳油板和推力瓦径向限位销钉，根据原安装位置进行标记，规定区域摆放；使用拆瓦工具将集电环罩进人门相对区域位置的推力瓦拉出至油槽内临时平台上；使用2-M24吊耳和吊带利用活动式单臂吊将推力瓦吊出油槽，吊出前对推力瓦进行防护，避免推力瓦受损。

5.2 主要设备回装

割除油槽内4个回油方箱，配装新的回油管；重新配钻推力轴承瓦固定销钉孔以及推力瓦支撑固定螺栓孔；复测推力轴承支撑座每块推力瓦安装水平（0.02mm/m），安装推力瓦弹性支撑组件；根据推力瓦测量计算表进行推力瓦安装；采用桥机将推力头吊至加温制定区域；调整推力头水平至符合要求后开始加温，推力头胀量满足要求后进行推力头热套安装，待推力头冷却至室温后进行推力头与转轴配合间隙检查，合格后安装推力卡环。

5.3 整体盘车

推力头安装完毕后进行受力转换，使用顶转子油泵顶起转轴2mm，拆除绝缘垫板，解除制动器机械锁定，缓慢释放油压直至推力头镜板完全落在推力轴承上；进行机组整体盘车，检查各部导轴承及主轴密封滑环轴向跳动。

5.4 试验

设备回装完成后，进行发电空载热稳定、发电100%负荷热稳定、发电调相SCT工况轴承热稳定、SCP工况轴承热稳定、水泵工况轴承热稳定等试验，试验过程中，推力瓦最高温度出现在抽水工况轴承热稳定试验，1号瓦达到75.6℃，满足合同及规范要求。表4给出了各种工况试验时推力瓦的实测温度。

表4 推力瓦温统计表Tab.4 Temperature of thrust bearing pads 单位 ：℃

6 结束语

在抽水蓄能电站运行过程中，推力瓦是比较容易产生问题的部件，比如温度高、合金层脱离、移位等，因此，在推力瓦的设计制造环节，应充分考虑轴瓦外形及结构设计、轴承润滑油路、油槽内部结构、轴承油冷却器冷却效率等因素。本文通过对某抽水蓄能电站瓦温高的原因分析，以及增大推力瓦直径、将橡胶弹簧垫换成金属弹簧簇支撑、增加推力头的外形尺寸等处理措施的介绍，对其他抽水蓄能电站在今后的设计、制造过程中有一定的借鉴意义。

[1] 杨仕福.仙居抽水蓄能电站镜板泵外循环及密封故障处理[J].水电与抽水蓄能，2016，2（6）：25-30.YANG Shifu. Xianju pumped storage power station’s mirror plate pump external circulation and sealing failure treatment[J].Hydropower and Pumped Storage，2016，2（6）：25-30.

[2] 朱顺财，杨仕福，张天鹏.溪洛渡右岸水电站水轮发电机推力轴承及油循环冷却系统设计[J].东方电气评论，2015，29（1）：40-43.ZHU Shuncai，YANG Shifu，ZHANG Tianpeng.Design of thrust bearing and oil circulating cooling system for hydroelectric generator at right bank hydropower station in Xiluodu[J].Eastern Electric review，2015，29（1）：40-43.

[3] 龚在礼，罗成.镜板泵外循环推力轴承冷却系统故障的诊断及处理[J].四川水力发电，2011（6）：160-162.GONG Zaili，LUO Cheng.Diagnosis and treatment of the failure of the cooling system of the outer cycle thrust bearing of the mirror plate pump[J].Sichuan Water Power，2011（6）：160-162.

[4] 张成名，肖维宝，李涛.关于轴瓦温度升高问题的分析研究[J].水电与抽水蓄能，2016，2（2）：28-31.ZHANG Chengming，XIAO Weibao，LI Tao. An analysis of the temperature rise of the axle bush[J]. Hydropower and Pumped Storage，2016，2（2）：28-31.