水轮发电机推力轴承安装调整的稳健性评估

吴红光，胡丰

(五凌电力有限公司挂治水力发电厂，贵州 锦屏 556700)

0 引言

推力轴承被称为水轮发电机的心脏，其性能的好坏对发电设备的运行可靠性影响极大，为保证机组的安全稳定运行，推力轴承应能在机组启动过程中迅速建立油膜，在各种负荷工况下保持必要的油膜厚度，轴瓦受力均匀、变形量小，轴承损耗低、温升正常，循环油路畅通、冷却效果好[1－4]。推力轴承的这些性能与其材料、结构及安装调整质量都有着密切联系[5－7]。

按轴瓦材料不同，推力轴承可以分为巴氏合金瓦和弹性金属塑料瓦，而支承结构形式除了常见的刚性支承、液压弹性油箱、平衡块、弹簧束(簇)外，还有弹性圆盘式、弹性杆式、支点加弹性梁式、多盘多线式、压缩管式等。对于各种支承形式的推力轴承，其安装调整要求也不尽相同，国家、行业标准主要明确了刚性支承式、液压支承式推力轴承的相关要求；对于其他支承结构的推力轴承，其安装调整大多参照设计制造单位的要求进行[8－9]，尚没有统一的规范标准，因此，相关问题值得进一步探讨。

1 项目介绍

某电站安装有三台单机容量为50 MW的立式水轮发电机组，发电机为伞式结构。推力轴承安装于下机架中心体上的轴承油槽内，设有12块扇形弹性金属塑料推力瓦，采用弹性圆盘支承形式，由上、下两个弹性圆盘组成，属于单支点弹性支承结构。与其他弹性支承形式相比，该结构具有形状尺寸小巧、结构简单、检修拆装方便等优点，轴瓦与弹性圆盘为面接触，可有效减小瓦面受力后的变形。

运行多年后，在推力轴承检修时发现所有轴瓦瓦面磨损过度，甚至发生钎焊层脱开，机组的安全运行无法保证，电站决定更换推力瓦。查阅机组投产时的推力轴承安装作业指导文件，其中明确要求了推力轴承安装后，应保证12块推力瓦的组合高度一致，最大偏差不得超过0.02 mm。但现场进行推力瓦更换时无法满足上述要求，12块推力瓦组合高度的最大偏差达0.06 mm，而要保证满足原指导书要求，必须重新加工修配弹性圆盘，延误检修进度，造成经济损失。

该电站推力轴承的主要结构如图1所示，推力瓦及上、下弹性圆盘共12组，均布于下机架中心体内，机组运行中转动部件的全部重力及轴向水推力通过镜板—推力瓦—弹性圆盘—下机架传递到混凝土基础。

图1 推力轴承主要结构

要使各轴瓦受力相等，应保证各组推力瓦与相应上、下弹性圆盘的组合高度一致，在这种理想条件下，当发电机以最大推力负载1 020 t运行时，推力轴承润滑计算结果见表1。

在弹流分析中，瓦面相对于滑动表面的变形已纳入计算范畴，油膜厚度是衡量推力轴承好坏及其使用限度的最主要因素。在经典润滑分析中，通常认为油膜厚度应不低于0.03 mm，否则推力瓦与镜板之间可能发生混合摩擦、边界摩擦等严重问题。由表1可知，若以0.03 mm为危险油膜厚度，最小油膜厚度约有0.02 mm的安全余量，相关作业指导书提出要求各推力瓦组合高度偏差应不大于0.02 mm。

表1 推力轴承润滑计算结果

对推力轴承运行参数的稳健性评估结果表明，对于弹性支承式推力轴承而言，支承结构的安装调整偏差对关键参数的影响是有限的，通过掌握相关耦合参数的变化机理，可以适当放宽对弹性支承式推力轴承的安装调整要求，同时也能够保证机组的安全稳定运行。而加工修配支承结构的方法，既耽误检修工期，又影响经济效益。

2 关键参数的稳健性评估

稳健性原则是统计学中的一个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来，用以表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性，在系统的可检测性等基本要求得不到满足时，帮助设计出更好的决策规则，是保证系统可靠运行的重要技术手段[10]。将其引入发电设备可靠性评估，对某一措施(包含不采取任何行动)的可行性作稳健性评估，其原则是当该措施可能导致某些难以确切描述的后果时，应当选用乐观程度最低的后果作为分析依据，用以评估该措施是否可行[11]。

2.1 关键参数的稳健性求解

立式水轮发电机的安装，要求承重机架水平、镜板水平，如图2所示，在发电机运行中，镜板到承重机架之间由润滑油膜、推力瓦、支撑结构传递受力，由于承重机架与镜板平行，所有推力瓦的承压组合高度C一致，仅与推力负载有关，定义如下:

图2 承压组合高度分析

式中，H－X为推力瓦和支撑结构压缩后的高度；h为油膜厚度。

在推力轴承弹流分析的理想工况下，各推力瓦初始组合高度H0完全一致，带负载运行后组合高度的压缩量X0、油膜厚度h0均一致，设为:

对水轮发电机而言，一般来说，出力越大时推力轴承总负载越高，推力瓦安全系数越低；在推力轴承总负载最大时，对各分块瓦而言，初始组合高度最大的，其分担的推力负载最大，油膜厚度最小，失效可能性最大。对组合高度较大的推力瓦，相关定性分析如下，以弹流分析的理想条件为参考基准，若该瓦组合高度增加ΔH，单块瓦受力变大ΔF，其压缩量将增加ΔX，油膜厚度减小Δh，式(1)可以改写为:

根据式(1)、式(2)，在非理想工况下，推力瓦组合高度压缩量及油膜厚度的变化满足以下关系:

对于多分块瓦的推力轴承而言，在单块瓦组合高度增加ΔH、受力增大的情况下，其他推力瓦的受力都将略微减小，相应的瓦变形量减小、油膜厚度增大，使得推力瓦的承压组合高度略微增大，即:

根据材料力学的一般分析，在受力发生变化的小幅度范围内，结构变形量基本与受力变化呈正比，推力轴承组合高度的压缩量与受力ΔF的变化关系可以拟合为:

式中，E为压缩刚度，即推力瓦的支承刚度。

推力轴承运行中，油膜压力会随着油膜厚度的减小而急剧增大。传统流体动压润滑理论认为，油膜压力与油膜厚度的平方成反比，最新的理论研究及试验数据均表明，油膜压力F基本与油膜厚度h的n次方成反比，1

对结构受力及油膜厚度的耦合关系求导得:

因此，当推力瓦及支承结构受力发生小幅度变化时，其油膜厚度的变化满足下式:

将式(5)、式(6)代入式(3)中求解得:

由于:

对于弹性支承结构的推力轴承而言，机组运行中，支承结构的压缩量X远大于油膜厚度h。

因此:

由式(4)、式(11)可以推导以下稳健性关系:

根据式(12)、 (13)，在式(7)—(9)的基础上，对推力轴承运行参数的变化作稳健性求解:

应当明确，以上计算是针对各参数平均值的求解，实际上，由于推力瓦受力增大，轴瓦的变形使得高压油膜作用区域增大。这种变化对于最大压力峰值的增加和最小油膜厚度的减小均有一定的抑制作用，尤其是对于弹性金属塑料瓦。由于瓦面层是由铜丝弹性复合层组成的，瓦面的压力变形与瓦体的压力变形、轴瓦的温度变形大体上方向相反，两者的变形能相互抵消一部分，因而减小了推力瓦的综合变形，改善了推力轴承运行性能，这些特性使得极限参数的实际变化幅度小于上述计算结果[13]。显然，在稳健性原则下，可参照上述计算对极限参数进行评估。

2.2 关键耦合参数评估

分析式(14)—(16)可以得到以下结论:对于弹性支承式推力轴承，以弹流分析的理想工况为参考基准，当某瓦组合高度增加时，支承结构压缩量的增大值近似等于组合高度的变化值；轴瓦及支承结构的受力变化与压缩量变化趋势一致；最小油膜厚度的减小量远小于组合高度的变化值，并与支承结构的刚性系数成正比。这表明，轴瓦支承刚度越大，油膜厚度变化越大，也说明了在维持瓦面润滑所必要的油膜厚度方面，弹性支承结构能够起到更好的作用。相对而言，在刚性支承结构的推力轴承中，对于受力较大的推力瓦，其润滑油膜更容易被破坏。因此，有必要采取更加严苛的安装调整措施，以保证各分块瓦受力均衡、油膜润滑可靠[14]。

以该电站弹性圆盘支承式推力轴承为例，相关结构设计参数见表2。

表2 推力轴承结构设计参数

推力轴承在设计运行的额定工况下，对于各分块瓦，支承结构的总压缩量X0约0.83 mm，对应推力负载F0为85 t，若单瓦组合增加高度ΔH＝0.06 mm，支承结构的压缩量及推力负载增加幅度κ约7%，远低于一般结构设计的安全限值，单从结构力学方面来说，这个变化基本可以忽略不计。

在推力轴承的油膜润滑方面，根据式(15)，最小油膜厚度的减小量远小于0.06 mm，以弹流润滑计算的理想工况为参考基准，非理想工况下，精确计算如下:

根据表1，弹流计算工况的最小油膜厚度h0为0.046 mm，当n取值1时，得油膜厚度减小量的最大值:

以上述变化为参考，计算非理想工况下的最小油膜厚度:

该值仍明显大于0.03 mm的危险油膜厚度，说明推力轴承的油膜润滑是没有问题的。需要指出，以0.03 mm为危险油膜厚度是基于实践经验积累的保守值，该值依然是有一定安全裕度的，该安全系数为推力轴承危险油膜厚度与许用油膜厚度的比值，若许用油膜厚度减小，该安全系数也会增大，能够进一步保证轴承运行的可靠性。这可以通过采取某些措施去实现，如改善推力镜板和推力瓦的表面粗糙度、提高润滑系统的用油品质等。

由上述参数的变化关系可知，在对非理想工况的稳健性分析中，单瓦推力负载及最小油膜厚度的相对变化幅度均不超过组合高度的偏差量与额定负载下支承结构的压缩量之比，该值可以参照«水轮发电机组推力轴承、导轴承安装调整工艺导则»中，进行推力瓦受力调整的要求，不超过10%即可[9]；对于最小油膜厚度较大的场合，该值甚至还可以进一步上浮。就该电站的具体情况来看，组合高度的偏差按不超过0.08 mm控制是相对稳健的。

2.3 其他重要耦合参数评估

在推力轴承的润滑分析中，最小油膜厚度是评估轴承能否正常运行的最关键参数，该参数直接决定了轴承能否避开边界摩擦、混合摩擦，保证其运行于流体内摩擦状态。当轴承处于流体内摩擦状态时，油膜压力、油膜温度也是影响轴承结构运行可靠性的重要参数。

当推力瓦的安装调整存在偏差时，基于某些瓦负载的略微增加，平均油膜压力也会上升，但轴瓦本身的变形会使高压油膜作用区增大，因此，峰值压力上升很小。特别是对弹性金属塑料瓦而言，其综合变形的特性使峰值压力的上升幅度极为有限。

对于不同的推力轴承而言，轴瓦的运行温度是由轴承周速、负荷、冷却循环方式与散热能力等因素决定的。油膜温度固然是影响推力瓦运行性能的重要因素，但在其他条件基本不变的前提下，主要是油膜厚度、轴瓦变形量等内在因素相互作用的结果，因此，在类似情况下可不以温度作为限制轴瓦运行的参数[6]。

该电站推力瓦更换前后，机组运行中相关温度参数见表3，数据证明，各轴瓦的平均温度和最大偏差温度完全可控。

表3 机组运行中推力瓦温度 ℃

3 结语

水轮发电机推力轴承的支承结构类型繁多，相应的安装调整工艺要求也不尽相同，本文以某电站弹性圆盘支承式推力轴承为例，采用稳健性处理方法，定量求解支承结构受力、润滑油膜厚度等关键参数与安装调整偏差的关系，分析支承结构的刚度对相关参数变化的影响，并对推力轴承安装调整的可靠性进行技术把关，达到缩短检修工期、降低检修成本、提高发电效益的目的。

大中型水轮发电机的推力轴承普遍采用弹性支承结构，由于该类结构的支承刚度相对较低，具有良好的自调节能力，其安装调整应当充分结合实际条件(主要考虑轴承的支承刚度及最小油膜厚度)，不宜过分严苛，做到在保证设备安全可靠的前提下，尽可能地减少成本投入[15]。本文采用的稳健性评估方法，对类似问题的分析与处理，具有借鉴意义。