摘要：三峽水輪發電機采用了巴氏合金瓦今后還可能采用彈性金屬塑料瓦推力軸承。巴氏合金瓦推力承軸采取小支柱雙層瓦的結構形式，由于小支柱將推力瓦和托瓦分開了，使推力瓦的不均勻溫度分布對托瓦影響極小，不會引起較大的熱變形。彈性金屬瓦具有運行可靠性高，安裝維護簡單、運行性能優良和省去高壓油頂起系統等優點外，其復合層的隔熱作用也使托瓦熱變形很小，克服了普通雙層巴氏瓦軸承瓦面變形不易調整的問題。

　　關鍵詞：水輪發電機；推力軸承；巴氏合金瓦；彈性金屬塑料瓦；三峽工程

　　在大型水輪發電機電組中，推力軸承是Z重要的組成部分之一，它的設計是否合理將直接影響水輪發電機組的可靠運行。1990年代，哈電機公司和ALSTOM公司投入了大量的人力和物力，對三峽6000t級彈性金屬塑料瓦和巴氏合金瓦在3000t推力軸承試驗臺上進行真機全尺寸模擬實驗，對基本性能取得了更為深入的了解，并對實驗表現出的一些問題也進行深層次的理論分析和補充試驗，這些工作為巨型推力軸承的試驗研究積累了經驗，為確保三峽推力軸承可靠和穩定運行奠定了基礎。　　

　　哈電機公司和ALSTOM公司的主要工作：1）設計制造并投入運行推力負荷大于40MN的巴氏合金瓦推力軸承，哈電公司還有推力負荷達35?2MN的彈性金屬塑料瓦推力軸承；2）試驗6000t級彈性金屬塑料瓦推力軸承和6000t級巴氏合金瓦的推力軸承。

　　1 三峽推力軸承

　　1970年代，ALSTOM公司為研制巴西依泰普電站發電機，針對該機組推力軸承設計負荷高達4700t，開發了圖1所示的小支柱雙層瓦推力軸承，并申請了專利。這種軸承有推力瓦（薄瓦）和托瓦（厚瓦）兩層，之間布置了一系列直徑不等的小支柱，在托瓦底部有一小托盤，軸承瓦通過托盤支撐在一個長支柱上面，長支柱可以通過螺紋調整高程。

圖1　三峽巴氏合金瓦推力軸承

圖2　軸瓦變形對油膜壓力分布的影響

　　當瓦面為一剛性平面時，油膜壓力比較平緩，峰值壓力與平均壓力之比_Pmax/P_m一般在2.5附近，見圖2。實際瓦面在油膜壓力和油膜溫度聯合作用下會發生變形，瓦面的變形會影響油膜厚度分布，瓦面變形越大，油膜中的峰值壓力與平均比壓之比越大，而Z小油膜厚度會變小。對于重載大型推力軸承，瓦面和鏡板面的綜合變形可能會超過Z小油膜厚度量級，軸承就可能發生磨損和燒瓦。

　　小支柱雙層瓦推力軸承控制瓦面變形的原理：由于小支柱將推力瓦和托瓦分開了，循環油可以在托瓦和推力瓦之間自由流動，推力瓦中的不均溫度分布對托瓦的影響極小，托瓦溫度沿軸向、徑向和周向基本上是均勻的，托瓦的熱變形很小，托瓦在支柱壓力作用下，主要產生彈性變形。推力瓦由于厚度很小，通過調整小支柱的直徑，可以使瓦面在油膜壓力和溫度聯合作用下的熱彈變形控制在較小的范圍。推力瓦的變形主要由支柱在載荷作用下的壓縮變形所決定。由于溫度梯度引起的變形相對壓力變形小很多，溫度對支柱變形影響也很小，支柱的直徑和長度是根據計算的壓力分布并且考慮軸瓦變形，以使在載荷作用下瓦面平行下移來確定的。

　　三峽推力軸承就采用這種結構。1999年在哈電公司完成的三峽推力軸承試驗，實測推力瓦面溫度35～71℃，托瓦面溫度32～34℃，托瓦溫度基本上是均勻的。

　　托瓦溫度均勻，瓦的熱變形的影響降低，瓦面沿徑向微凹，而鏡板面沿徑向是微凸的，這兩面相對應，瓦面微凹使鏡板面微凸對軸承性能的影響相對降低，這就是所謂進一步優化小支柱的彈性，還可抵消鏡板的大部分變形。

　　小支柱雙層瓦推力軸承與國內普遍采用的雙層巴氏合金瓦推力軸承是有區別的。國內雙層推力軸承是將推力瓦和托瓦直接疊放在一起，盡管在托瓦表面有周向油溝，但推力瓦中的不均勻溫度分布對托瓦中的溫度分布仍會產生較大影響，托瓦較厚，這種溫度不均勻會引起較大的熱變形，從而影響瓦面的變形。因此，國內雙層巴氏合金瓦推力軸承瓦面變形不易調整。

　　2 三峽塑料瓦推力軸承

　　1980年代后期，彈性金屬塑料瓦推力軸承已經在哈爾濱大電機研究所和哈爾濱電機廠有限責任公司研制成功，并先后應用在巖灘水電站（推力負荷2 750t），白山水電站推力負荷1 800t），五強溪水電站（推力負荷2 700t）和天生橋水電站（推力負荷1 240t）等。對于大型推力軸承，采用了彈性油箱或彈性梁雙托盤等支承系統。在設計技術上，有推力軸承熱彈流潤滑性能分析程序，能夠準確地計入推力軸承和鏡板推力頭的熱彈變形。有3 000t推力軸承試驗臺。1997年，研制成功三峽6000t級彈性金屬塑料瓦推力軸承，并完成了全尺寸模擬試驗，試驗非常成功，并取得了大量可靠的數據。實測推力瓦面溫度32～73℃，推力瓦體溫度32～46℃。Z高瓦面溫度與推力瓦體溫度相差27 K。復合層的隔熱作用使得托瓦溫度均勻，即托瓦的熱變形很小，克服了普通雙層巴氏合金瓦推力軸承瓦面變形不易調整的問題。

　　2.1 彈性金屬塑料瓦的優點

　　與巴氏合金瓦相比，彈性金屬塑料瓦推力軸承的優點如下：

　　1)彈性金屬塑料瓦在大負荷條件下比相同工況的巴氏合金瓦油膜厚度大。

　　2)彈性金屬塑料瓦省去了高壓油頂起系統。

　　3)許用單位壓力大，損耗相對小。

　　4)彈性金屬塑料瓦推力軸承允許頻繁地啟動或熱啟動。

　　5)在油槽內冷卻器短時停水時，推力軸承可以正常運行。

　　6)彈性金屬塑料瓦推力軸承吸收沖擊的性能高，降低振動。

　　彈性金屬塑料瓦推力軸承的優點和彈性金屬復合層的物理和機械性能密切相關。推力軸承變形大小的Z終體現還是瓦面（及鏡板面）變形對油的直接影響程度。油膜形狀要更符合流體動壓潤滑要求，就得有適宜的瓦面變形。

　　鏡板在力載荷作用下，周向變形的高點處在瓦上，低點在瓦間，徑向變形在外徑側上翹；鏡板在溫度載荷作用下，周向由于恒溫而不產生變形，徑向變形為下凸，鏡板面的綜合變形為徑向下凸，外徑側上翹，沿周向為波浪形。塑料瓦的凹變形較大，這是由于其復合層的壓縮模量較小所致，托瓦溫度均勻，瓦的熱變形的影響降低，而塑料瓦面的進、出油邊均有楔形坡口，有利于啟動時進油和調整瓦面形狀。
鏡板面的徑向傾斜幾乎可以和瓦面的徑向傾斜相適應，這是因為油膜上產生的壓力與推力瓦支承產生的力矩為了達到平衡，推力瓦自動傾斜所造成的。另外，塑料瓦復合層的影響，使瓦面產生凹變形，這種凹變形可以部分抵消瓦體的凸變形，還對應鏡板面的徑向凸變形，這是塑料瓦推力軸承承載能力大的主要方面之一。

　　2.2 彈性金屬塑料瓦的應用

　　根據彈性金屬塑料瓦推力軸承在國內數十個水電機組中的運行經驗，總結出如下特點：

　　1)運行可靠性高

　　除了由于安裝不當發生的幾起事故外，彈性金屬塑料瓦推力軸承在水電機組中基本沒有發生過事故。如果其中的一塊瓦發生磨損，不會影響其它塊瓦。

　　2)安裝維護簡單

　　與巴氏合金瓦相比，彈性金屬塑料瓦推力軸承在安裝時不需刮瓦，機組盤車容易，整套瓦的負荷均勻性要求較低。

　　3)運行性能優異

　　彈性金屬塑料瓦推力軸承的許用單位壓力和溫升比巴氏合金瓦推力軸承的高，瓦體溫度和損耗比巴氏合金瓦推力軸承的低。在每年累計運行5 000h的運行和1200次起停機的條件下，彈性金屬塑料瓦推力軸承的壽命可達40年。

　　4)運行條件限制較少

　　允許頻繁啟動，并允許熱啟動。轉速低于額定轉速的10％情況下加閘制動。油槽內冷卻器短時停水時，推力軸承仍可正常運行。

　　5)無需高壓油頂起系統

　　彈性金屬塑料瓦省去了高壓油頂起系統。設備簡單，運行可靠性高。

　　3 小結

　　小支柱雙層瓦結構巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦使托瓦的溫度梯度減小到幾乎為0，因此控制了瓦的熱變形。

　　小支柱的彈性可抵消瓦的剩余機械變形以及鏡板的熱變形和彈性變形，塑料瓦復合層的彈性同樣抵消了瓦的剩余機械變形以及鏡板的熱變形和彈性形，同樣都進一步改善了油膜的形狀。

　　試驗證明，三峽巴氏合金瓦和彈性金屬塑料瓦推力軸承設計是合適的，并且工作性能良好。

　　參考文獻：

　　[1] Daniel Schafer, Shen Liangwei, Axel Fuerst, QuDazhang. Investigations into a 6000 tons Thrust Bearing with Teflon or Babbitt Layer for the Three Gorges Units.Shenyang China, ICEMS'2001

　　[2] 武中德，張宏，王黎欽，曲大慶. 大型水輪發電機彈性金屬塑料瓦推力軸承技術.潤滑與密封.2002,（2）59～62

　　作者簡介：武中德，哈爾濱大電機研究所，高級工程師。