大电机推力轴承研究
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摘要：水轮发电机一般为大直径、低转速、 立式的电机，由转动部分质量及水轮机水推力所产生的负荷需由推力轴承支撑，最大推力负荷达到4000吨以上。推力轴承是大型电机研发的关键技术之一，影响着电站的安全稳定运行。所有现代大型推力轴承均设计为环型，由多块推力瓦组成，其支撑方法和结构有多种型式。本文分析的是弹簧支撑式大型推力轴承，采用弹簧簇为推力瓦提供分布式支撑，着重分析了弹簧支撑式推力轴承的设计原理、结构和性能。
关键词：推力轴承；弹簧簇；热凸起；变形
Abstract： Normally a large hydro generator is large size， low rotating speed and vertical arrangement. The weight of rotating parts and force from hydraulic thrust of turbine are supported by the thrust bearing. The maximum thrust load is up to 4000 tons. Thrust bearing is a key technology of large generator. It affects the safe operation of hydro power plant. All modern large thrust bearing is designed as a thrust ring. It is consist with several thrust pads. There are some type of thrust bearing support system. This paper introduce a spring supported large thrust bearing. The bearing is supported by a set of distributed springs. It is mainly analyzed for the design philosophy， structure and performance.
Key words： Thrust bearing， spring support， thermal crown， deform
1.主要结构型式
推力头与镜板之间用螺杆把合，并配套以绝缘套筒和垫圈使推力头与镜板保持良好的绝缘状态。镜板上开有径向油孔，在机组运转时能有效地将热油抽出，使热油经过的冷却器后充分冷却，促进油流良好循环。瓦与瓦之间用键隔开，然后用螺钉把键固定在基础环上。单块推力瓦下面密集放置着带有上下夹板和预压螺杆的小弹簧。四周设置挡块固定在基础环上；弹簧的布置要根据轴承的分析软件GENMAT的计算结果进行调整，以获得最佳轴承性能。
2.推力轴承油膜中的流体流动
当轴承在运转时，其推力瓦的表面和镜板表面之间存在着一层液体薄膜。油膜中的流体流动符合Reynolds方程。镜板的剪切作用夹带油进入位于推力瓦和镜板之间的楔型油膜，由于空间减小致使压力上升从而支撑了轴承的负荷。 在油膜几何形状不变及常温的理想状态下，求解Reynolds方程以确定油膜的压力分布相对简单。但是，对问题真实情况的分析却十分困难。由油膜中的压力带来的负荷会引起推力瓦的偏转，并改变油膜的几何形态。另外，转子的剪切作用使油从推力瓦进油边流向出油边的过程中温度升高，这一温度的升高致使推力瓦中存在三维温度分布，从而导致热偏差而进一步改变了油膜的几何形态；分布式支撑系统还会因其基底的弹性特征而带来另一个显著的偏差；最后一个复合因素是油的粘度与温度之间的非线性关系。因此，完善的传热与流体动力分析应综合考虑以上所有因素，然后调整油膜的厚度以获得所需的负荷。
虽然在分析过程中有很多简化的假设。但是，式7的确表明了轴承参数与油膜中油的温升之间一些基本比例关系。表面速度V，由轴承尺寸及旋转速度所决定。油膜的厚度h取决于轴承中的流体动力学流动。提高负荷，h会降低从而导致温度的升高。提高μ和L亦会使h升高，但是这些变化从整体上讲会对降低温度起到负面作用。扩大轴承半径使平均压力降低，h升高，但这同时也使速度升高从而导致温度升高。一个好的轴承设计需要对油膜厚度，轴承尺寸，损耗及温度等参数进行优化。如果一个轴承的设计只考虑使轴承在最低温度下操作是不会满足其他的设计要求的。
3.温度分布和热凸起
在确定轴承的工作情况时轴承推力瓦的温度分布要远比绝对温度重要。在轴承厚度上存在的温度梯度会导致推力瓦的热凸起。如果不对热凸起加以控制，则会对轴承的工作情况产生极大的负面影响，推力瓦越大则热凸起的影响越大，而弹簧簇的分布式支撑系统正好克服了这个缺点，能有效抑制热凸起的产生。分布支撑系统的存在，同时也减低了由于油膜压力产生的负荷所引起的凸起。
另一降低热凸起的方法是采用隔热材料以减少流入推力瓦的热量。一个采用隔热材料的例子是用聚四氟乙烯（PTFE）取代巴氏合金，作为推力瓦的表面材料。PTFE的热导比巴氏合金低几个数量级，这能将推力瓦与高温的油膜有效地隔离起来。PTFE的隔离效应在显著降低了推力瓦温度及温度梯度的同时，也提高了油膜的温度。
4.轴承温度监测
每一个轴承均需配备一套性能稳定的测温设备，轴承温度通过安装在推力瓦上的传感器来监测。此传感器为一电阻温度计，通常安装在推力瓦厚度的中间，并接近推力瓦出油边
在稳态状况下，若任何时候轴承温度迅速升高，都可确定轴承出现了故障。故障的产生是由于转子表面接触到了轴承瓦表面，在接触点由于干磨擦产生的热使轴承温度迅速升高。这一结果使得轴承磨损并最终烧瓦。每一台发电机均应安装报警及停机装置，以便在轴承温度超过设定温度时能够迅速使发电机停止运转，避免事故扩大。
若轴承的操作温度很缓慢地上升，则表明轴承可能在老化。可能引起温度逐渐上升的原因如下：
4.1.冷却系统的性能退化
4.2.负荷的改变
4.3.轴承合金表面的老化
在检查轴承温度变化时应该将冷却水温度的季节性变化考虑进去。温度渐变可以通过趋势分析来确定，这样可以在轴承被损坏之前采取有效的措施加以防护。对轴承温度的监测通常是建立在温度变化，而不是绝对温度值的基础上的。报警和停机参数应适当设置在正常操作温度的一定数值以上，以便有问题及早发现，且不会经常发出错误的报警信号。
5.总结
弹簧支撑推力轴承具有良好的、冷却性能和安全、稳定的承载功能，弹簧簇支撑的变形特性能够有效地吸收不均匀负荷，控制推力瓦面最高温度点的温度，提高轴承的安全可靠性。
参考文献：
[1]Ettles， C.M.， “Some Factors Affecting the Design of Spring Supported Thrust Bearings in Hydroelectric Generators”， ASME Journal of Tribology， 113， pp 626-632， 1991.
[2]白延年.主编 《水轮发电机设计与计算》机械工业出版社。