大型水轮发电机弹性金属塑料瓦推力轴承技术

水轮发电机组推力轴承应用巴氏合金瓦已成功地使用了多年，随着机组容量的扩大，推力轴承的负荷也越来越大，象三峡机组6000t级推力轴承，采纳普通结构的巴氏合金瓦推力轴承，达到或超过了巴氏合金瓦推力轴承的应用极限。为了解决国产钨金瓦推力轴承在一些电站运行中的缺欠，特殊是解决三峡机组推力轴承国产化的问题，从1989年开始，国内展开了弹性金属塑料瓦的研制，1990年8月，第一套100t级弹性金属塑料瓦投人运行，此后相继研制出700t级、1800t级、3000t级的塑料瓦，均获得了相比中意的效果。1997年研制作成功三峡弹性金属塑料瓦推力轴承。先后在数十家电站的水轮发电机组中运用了这种轴承，运行状况普遍良好。近年来弹性金属塑料瓦在水轮发电机组导轴承跟卧式机组径向轴承中也得到了应用。

1.弹性金属塑料瓦推力轴承的优点塑料瓦推力轴承的优点跟瓦面材料的机械特性跟物理特性密切相关，主要原因在于以下几个角度：第一，瓦面材料的绝热性使瓦体温度分布相对均匀，轴瓦热变形较小。第二，瓦面复合材料在分布压力下的压缩变形，对轴瓦的热变形能够产生适当的补偿。

第三，塑料瓦面的变形合理，在一模一样工况下，塑料瓦推力轴承的承载能力比巴氏合金瓦的大。第四，因为塑料瓦的自润滑性能好，其许用最小油膜厚度比巴氏合金瓦的小。

根据水轮发电机组塑料瓦推力轴承的运行跟试验经验，跟巴氏合金瓦比较，有以下优点：安装、检修简单，不需刮研瓦。

许用单位压力高，使得其许用单位压力可达6.0MPa，已运行的机组中，最大已达6.33MPa（白山4号机）。

不需要高压油顶起系统，能够滴油润滑盘车，并允许热启动。

允许冷却水意外断水时间长，一般为15min，最长做过2h试验（石泉电厂）。

~15%额定转速（平均线速度1.8~2m/S）下，加闸停机，减少了闸的磨损程度及其感染。

能在润滑油中进水5%状况下正常运行（运行时间不超过4h）。当有杂质进人时能产生包容，减少磨损跟延缓事故发生。

有绝缘作用，使轴承跟轴之间持续绝缘。

弹性金属塑料瓦除了在水轮发电机组推力轴承上应用外，还应用在水轮发电机组导轴承；火电站的锅炉空气预热器旋转装置轴承、大型球磨设备的导轴承跟托轮轴承及循环荥电机推力轴承跟导轴承等；陶瓷厂大型球磨设备导轴承跟托轮轴承；大型栗站的水栗电机推力轴承跟导轴承；水泥厂托轮轴承；大型矿山设备采掘机械轴承等大型设备的滑动轴承上。

2.弹性金属塑料瓦推力轴承热弹流润滑性能分析瓦面油膜的不等温、不等压性跟瓦及镜板的热弹变形是大型水轮发电机推力轴承的运行特点。油膜温度、油膜压力及油膜厚度可充足体现推力轴承性能的优劣，而这3个重要参数取决于负荷、转速、瓦面人油温度、油粘度、瓦尺寸大小、几何形状、镜板工作面的平面度、瓦面及镜板面的热弹变形等。一般可通过联立求解润滑油膜的动压（雷诺方程）、热能量、粘度-温庹、油膜厚度等方程及瓦跟镜板的热传导、热弹变形等方程来迭代求解出推力轴承的性能参数，进而描述其润滑经历的特征。因为塑料瓦面可能存在（瓦面）滑移现象，对塑料瓦轴承性能进行数值求解经历中，跟巴氏合金瓦轴承性能的数值求解比较，仅在雷诺方程上有不一样的考虑。对推力轴承跟镜板推力头的热弹变形也要进行全面考虑。

因为润滑油是一种极性分子，跟金属表面可以形成较强的吸附层，经典雷诺方程就是以这种无滑移边界条件假定建设的，但对于弹性金属塑料瓦推力轴承，氟塑料的表面能很低，对润滑油的吸附作用较小，在一定条件下，润滑油膜在塑料瓦表面可能产生滑移。对弹性金属塑料瓦推力轴承的热弹流分析就要考虑到这种影响。

计人滑移影响的油膜速度边界条件：压力，"为油膜粘度，cy为镜板旋转角速度，V为径向压力滑移因子，为周向压力滑移因子，为周向剪切滑移因子。

柱坐标形式的运动方程跟连续方程分别为：对方程组（3）的前两式进行z向积分并计人油膜速度边界条件，进行推力轴承跟镜板推力头的热弹变形计算，所得计算结果的准确性较高且不受轴承结构跟镜板推力头的结构限制。

推力轴承三维热弹变形分析，瓦面温度按油膜温度分布输人，瓦面力载荷按油膜压力分布输人，其它各面按对流换热边界进行计算，推力瓦跟托瓦间为三维接触表面，根据支承结构加相应的铰支约束，限制住瓦的刚体位移。

推力轴承的热弹变形计算镜板推力头的热弹变形计算塑料瓦推力轴承跟镜板热弹变形计算考虑到镜板推力头结构跟受力周期对称的特点，取其瓦块数Z的倒数为三维热弹变形分析模型。根据镜板温度的测量结果，发现对油膜温度分布经适当处理后可表征镜板面的温度分布。镜板面的力载荷按油膜压力分布输人，并计人镜板推力头的重力跟离心力。其它各面按对流换热边界条件进行计算，推力头跟镜板接合面为三维接触表面，根据镜板推力头的具体结构加相应的铰支约束，限制住镜板推力头的刚体位移。

所示的弹性金属塑料瓦推力轴承为双托盘支承结构，在较高的负荷下可出现瓦面整体为凸形。但在瓦的中部微凹，这是因为其复合层的压缩模量较小所致。塑料瓦面的进、出油边均有楔形坡口，有利于启动时进油跟调整瓦面形状。镜板面的变形沿径向下凸，沿周向上凹，即沿周向为波浪形。镜板在力载荷作用下，周向变形的高点处在瓦上，低点处在瓦间，径向变形在外径侧上翘；镜板在温度载荷作用下，周向因为恒温而不产生变形3径向变形为下凸，镜板面的综合变形为径向下凸，外径侧上翘，沿周向为波浪形。

镜板面的径向倾斜几乎能够跟瓦面的径向倾斜相抵消，这是由于油膜上产生的压力跟推力瓦支承产生的力矩为了达到平衡使推力瓦自动倾斜所造成的。别的，塑料瓦面的凹变形能够抵消镜板面的径向凸变形，这也是弹性金属塑料瓦推力轴承提升承载能力的主要角度之一。

弹性金属塑料瓦的滑移影响弹性金属塑料瓦面的剪切滑移跟压力滑移使得轴承的承载能力略有降低，而在实践中弹性金属塑料瓦较相应的巴氏合金瓦的承载能力高。这归因于弹性金属复合层在推力轴承上表现出的优良性能。换言之，弹性金属塑料瓦的瓦面整体变形比巴氏合金瓦的整体变形更合理，油膜厚度分布更均匀，最小油膜厚度增大，滑移对轴承性献的影响小于瓦面的整体变形对轴承性能的影响。

3.弹性金属塑料瓦推力轴承的设计弹性金属塑料瓦推力轴承的一般运行条件为单位压力不大于7.0MPa，平均线速度不大于40m/s，机组启动时轴承油槽内油温度不低于5T，运行时热油温度不超过50*.三峡弹性金属塑料瓦试验推力轴承在电站应用的塑料瓦，以摩擦面材料的类型大体分为两类，即纯聚四氟乙稀材料跟有添加剂的聚四氟乙稀材料。无论哪种材料，在结构上均大体一模一样，即在摩擦材料跟金属瓦基之间是一层绕簧状的青铜丝，这种材料被称为弹性金属层，其作用是连接塑料材料跟金属瓦基并改善塑料层的物理性能。

因材料不一样，在制造工艺上有一定的区别，有添加剂的塑料瓦面材料的加工是将塑料及添加剂粉末按要求压缩成型，然后在加热炉进行气体保护加热烧结，最后跟金属瓦基进行钎焊及表面加工。这种弹性金属塑料瓦面为灰色。纯聚四氟乙稀材料的塑料瓦一般制造工艺是用聚四氟乙稀材料跟绕簧状铜丝层、金属瓦基进行加热压焊跟烧结、加工表面的。这种弹性金属塑料瓦面为白色。成品瓦的弹性金属塑料复合单位压力较大，其复合层的压缩模量相应选取较大值，这样可使瓦面的热弹变形控制在合理的范围内。

从能够看到，含有添加剂的聚四氟乙烯比纯聚四氟乙烯耐磨。对于频繁启动的调峰水轮发电机组，其推力轴承的瓦面材料选用含有添加剂的聚四氟乙烯为宜，可提篼推力轴承的运用寿命。其它机组的推力轴承，两种瓦面均可选用，其制造成本没差多少。

含有添加剂的聚四氟乙烯的相对磨损率因为弹性金属塑料瓦推力轴承的许用单位压力高，跟巴氏合金瓦比较；能够运用一模一样大小的瓦基，但瓦面能够缩小一些。或者适当减小瓦基尺寸，以达到减小瓦面的目标。这样，即能利用弹性金属塑料瓦的优良性能，又可降低成本。

弹性金属塑料瓦推力轴承的型面根据瓦面材质的不一样而有所区别。试验研究表明，白色瓦面的弹性金属塑料复合层的压缩模量相对较小，其型面的设计是否合理，尤为重要。因为水轮发电机组的转子重量在机组启动之前就由推力轴承承担，相当于推力轴承存在预负荷，从能够看到，随着两次启动时间间隔的扩大，弹性金属塑料瓦推力轴承在启动时的静摩擦系数增加，这主假如因为弹性金属复合层的蠕变特性，使瓦面跟镜板面越来越趋于全面的接触，接触面之间的润滑油逐渐减少。在机组启动时，瓦面不具备快速建设油膜的条件，很容易产生事故。而灰色瓦面的弹性金属塑料复合厚的压缩模量相对较大，对型面的要求次之，某一大型电站的灰色瓦的弹性金属塑料瓦推力轴承，未进行型面设计，而其运行正常。弹性金属塑料瓦推力轴承的理想型面为曲面，因为其曲率十分小，机械加工相比困难，因此其型面一般设计成梯形，对于单向运行的塑料瓦推力轴承，进油边的斜边比出油边的斜边大，可根据塑料瓦推力轴承的结构跟工况，对其进行热弹流润滑性能分析，并作出较精确的设计。不论是白色瓦面，还是灰色瓦面，拥有合理的型面，对塑料瓦推力轴承有利而无弊。弹性金属塑料瓦推力轴承要拥有一定的型面，就是要在机组启动时，瓦面能够较快地建设油膜，并能适当调整瓦面形状，充足发挥弹性金属塑料瓦推力轴承所应拥有o*砾班50的优良性能。

塑料瓦推力轴承摩擦罕、数跟停机时间的关系为了方便检测瓦面的磨损状况，在同一套瓦中的数块瓦的瓦面出油一侧，加工数个同心环沟槽，深度弹性金属塑料瓦推力轴承的温度监测，一般沿用巴氏合金瓦推力轴承的温度监测方法，在瓦基上安装热电阻，这样所测量的温度跟瓦面的实际温度相差较大，因为塑料层的导热性能非常差，监测到的温度比瓦面的实际温度要低不少，一般为10~30K，且反应滞后，不能代表推力轴承运行温度的实际状况。实验测量结果表明，瓦面温度的最高区域在平均半径附近的出油边一侧。而瓦面压力分布则是在瓦面的相应支承位置为高压区，瓦面周边压力为零。这样，在弹性金属塑料瓦的出油边一侧，距瓦边20~50mm的平均半径附近，轴向安装小型温度传感器，传感器探头可在瓦面下0.2mm左右。这一位置是高温区，且油膜压力又低，不容易发生泄漏。采纳半导体温度传感器，热敏电阻或热电阻，均可完成在线监测塑料瓦的最高温度。传感器安装孔要采取适当的防漏措施。

4.小结
    从1989年开始，国内进行弹性金属塑料瓦推力轴承的研制，目前所研制作成功的弹性金属塑料瓦推力轴承，负荷从几十吨到最大为6000t级。目前已有不少厂家可以生产。弹性金属塑料瓦推力轴承也已在水电站等运用推力轴承的设备中普及应用。

三峡弹性金属塑料瓦推力轴承于1997年在哈尔滨大电机研究所研制作成功，标志着弹性金属塑料瓦推力轴承的研究、设计、制造等核心技术已趋于成熟。

目前正向弹性金属塑料瓦导轴承跟径向轴承普及推广。弹性金属塑料瓦的滑移现象有也已有所认识，进一步的研究将使弹性金属塑料瓦技术更加完善。

弹性金属塑料瓦推力轴承解决了水轮发电机向超大型化发展的难题，提升了水轮发电机组的安全可靠性，降低了事故率。弹性金属塑料瓦的研制作成功，使滑动轴承技术出现了一次大的飞跃。它的广泛应用，必将产生重大的经济跟社会效益。