某水電站發(fā)電機(jī)推力組合軸承設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u739某水電站發(fā)電機(jī)推力組合軸承設(shè)計(jì)案例 155921.1推力組合軸承設(shè)計(jì)參數(shù) 1238631.2推力組合軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能計(jì)算 39142.2.1推力瓦及其支撐方式 3254822.2.2下導(dǎo)瓦及其支撐方式 6125982.2.3推力軸承性能計(jì)算 629232.2.4下導(dǎo)軸承性能計(jì)算 9203042.2.5特殊運(yùn)行工況計(jì)算 10305981.3高壓油頂起系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1284242.3.1解析法計(jì)算選型 1214432.3.2GENMAT軟件模擬瓦面壓力 1481892.3.3CFD模擬分析 15301372.3.4設(shè)計(jì)參數(shù)選取 16191621.4外循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16149562.4.1外循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1623102.4.2自泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 17181001.5油霧吸收裝置設(shè)計(jì) 19196901.6小結(jié) 20WDD水電站左岸發(fā)電機(jī)由VHS生產(chǎn)制造，型號為SF850-66/18700，右岸發(fā)電機(jī)由GE生產(chǎn)制造，型號為SF850-64/18900，均為立軸半傘式結(jié)構(gòu)的全空冷機(jī)組[20]。左岸發(fā)電機(jī)的最大容量為944.5MVA，額定電壓22kV，額定電流24787A，額定頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速90.91r/min，磁極數(shù)量33對，定子槽數(shù)891槽。轉(zhuǎn)子直徑17.493m，重達(dá)1910t。定子設(shè)置24臺（12組）水冷式空冷器，用于對線圈和鐵心產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)有機(jī)械制動和電氣制動兩種制動方式，通常情況下兩種制動方式配合使用，特殊情況下也可以單獨(dú)使用機(jī)械制動方式。左岸發(fā)電機(jī)推力組合軸承位于轉(zhuǎn)子下部的下機(jī)架上，共設(shè)置有16塊推力瓦和32塊下導(dǎo)瓦。本章結(jié)合WDD水電站發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況，重點(diǎn)研究、分析左岸機(jī)組推力組合軸承的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)。1.1推力組合軸承設(shè)計(jì)參數(shù)表1.1列出了WDD水電站左岸機(jī)組推力組合軸承的具體參數(shù)。WDD水電站左岸機(jī)組推力組合軸承主要技術(shù)參數(shù)序號項(xiàng)目單位參數(shù)1推力軸承瓦支撐方式/彈簧簇2推力軸承的內(nèi)徑mm28953推力軸承的外徑mm51904推力軸瓦的內(nèi)徑mm29005推力軸瓦的外徑mm51856推力軸瓦塊數(shù)塊167推力軸承有效面積cm27186×168額定推力負(fù)荷t45713kN9單位面積上的負(fù)荷MPa3.9410滑動面的平均速度m/s19.211PV值/75.612推力軸瓦間負(fù)荷不平衡量%+/-513額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)荷時推力軸承的溫度℃7014額定轉(zhuǎn)速和最大負(fù)荷時推力軸承的溫度℃7215飛逸轉(zhuǎn)速時推力軸承的溫度(5min)℃7716角速度rad/s9.5217摩擦系數(shù)/0.0007018油膜最小厚度mm0.041619因負(fù)荷引起的軸承瓦面變形mm-0.13220因溫度引起的軸承瓦面變形mm0.1121推力軸承油循環(huán)冷卻方式\鏡板泵22軸承油槽油量L2000023在水溫為25℃、額定MVA時推力軸承需要的冷卻水量l/min343024在額定MVA時推力軸承冷卻器的水壓降MPa0.0525推力軸承冷卻水工作壓力范圍MPa0.3–1.026高壓油頂起裝置油泵的壓力MPa2027高壓油頂起裝置需要的潤滑油量l/min10028高壓油頂起系統(tǒng)油泵的額定值kW2229尺寸（長×寬×高）m4x3x230重量t231鏡板硬度不小于HB20032鏡板硬度差不大于HB2033兩平面的平行度不大于mm0.0334鏡板平面度不大于mm0.0335鏡面粗糙度不大于mm0.00041.2推力組合軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能計(jì)算WDD水電站左岸機(jī)組推力組合軸承結(jié)構(gòu)見圖1.1，主要有推力頭、鏡板、推力瓦、下導(dǎo)瓦、油槽以及相關(guān)管路、附件組成。其中油槽與下機(jī)架是一個整體。左岸機(jī)組推力組合軸承結(jié)構(gòu)圖推力瓦及其支撐方式左岸機(jī)組推力瓦瓦面材質(zhì)為巴氏合金，單層瓦結(jié)構(gòu)，單塊瓦重量901.2kg,瓦厚度160mm，巴氏合金層厚4mm，共16塊。推力瓦采用彈簧簇支撐方式，在每塊推力瓦下面安裝240個等高的彈簧柱。推力瓦見圖1.2，彈簧簇見圖1.3、1.4。左岸機(jī)組推力瓦實(shí)物圖左岸機(jī)組推力瓦彈簧簇布置圖左岸機(jī)組推力瓦彈簧簇安裝圖左岸機(jī)組推力瓦采用銷釘和擋塊相結(jié)合的方式進(jìn)行固定，見圖1.5、1.6。推力瓦內(nèi)徑側(cè)安裝豎直方向銷釘，限制推力瓦的周向和向軸心側(cè)的移動，外徑側(cè)安裝徑向銷釘和擋塊限制推力瓦的周向、遠(yuǎn)離軸心側(cè)和向上的移動。左岸機(jī)組推力瓦固定方式示意圖左岸機(jī)組推力瓦固定銷釘和擋塊下導(dǎo)瓦及其支撐方式左岸機(jī)組下導(dǎo)瓦瓦面材質(zhì)為巴氏合金，單塊瓦重量24.41kg,瓦厚度160mm，巴氏合金層厚1.5mm，共32塊。下導(dǎo)瓦采用楔子板加墊塊的支撐方式，該支撐方式通過調(diào)整楔子板的高度來調(diào)整導(dǎo)瓦間隙，具有間隙調(diào)整便捷簡單的優(yōu)點(diǎn)，見圖1.7。下導(dǎo)瓦支撐結(jié)構(gòu)示意圖（左）和下導(dǎo)瓦實(shí)物圖（右）推力軸承性能計(jì)算采用克勞斯塔爾大學(xué)開發(fā)COMBROS-A軟件（版本1.2）和常見的三維熱彈流體分析工具GENMAT（版本35a6.1），對推力瓦溫度和油膜厚度進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算的幾何模型和邊界條件推力瓦外形圖和彈簧簇支撐配置情況見圖1.8，模擬計(jì)算邊界條件見表1.2，軸承載荷與主要布置參數(shù)見表1.3。推力瓦外形圖和彈簧簇配置圖推力軸承模擬計(jì)算的邊界條件序號項(xiàng)目參數(shù)1推力瓦外徑5120mm2推力瓦內(nèi)徑2940mm3瓦的數(shù)量164推力瓦尺寸1090mm×665.2mm5支點(diǎn)的位置（彈簧簇支撐平衡點(diǎn)位置）周向：0.588×L；徑向：R2071.5mm6額定轉(zhuǎn)速90.91rpm7飛逸轉(zhuǎn)速186rpm8旋轉(zhuǎn)方向順時針9潤滑油ISOVG46推力軸承載荷與主要布置參數(shù)序號項(xiàng)目參數(shù)1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部件重量2185000kg2水轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)動部件重量538000kg3額定水推力19000kN4瞬態(tài)水推力22500kN5總推力負(fù)荷45713kN6單位壓力4.0MPa7平均周速19.2m/s8油槽溫度40°C9瓦間冷油溫度35°C10最小油膜厚度61μm11推力瓦溫度69°C12額定摩擦損耗800kW13泵孔損耗16計(jì)算結(jié)果推力瓦溫度：在額定載荷4.0Mpa的條件下計(jì)算得到的推力瓦溫度為69℃，小于規(guī)定的80℃[21]。最小油膜厚度：推力瓦最小油膜厚度選取參數(shù)為不小于30μm，計(jì)算結(jié)果是61μm[22]。油膜厚度、瓦溫、摩擦損耗與瓦面單位壓力的關(guān)系見圖1.9。油膜厚度、瓦溫、摩擦損耗與瓦面壓力關(guān)系4.0MPa單位壓力下的推力瓦瓦面壓力分布、推力瓦溫度和油膜厚度的三維分布計(jì)算結(jié)果見圖1.10。圖中X軸表示推力瓦周向長度，Y軸表示推力瓦徑向長度（由于仿真計(jì)算工具的原因，旋轉(zhuǎn)方向顯示為逆時針，實(shí)際為順時針）。推力瓦瓦面壓力、瓦溫、油膜厚度分部圖下導(dǎo)軸承性能計(jì)算采用VHS開發(fā)的GENMAT計(jì)算程序?qū)ο聦?dǎo)軸承的下導(dǎo)瓦溫度進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。計(jì)算的幾何模型和邊界條件下導(dǎo)軸承模擬計(jì)算的邊界條件見表1.4，下導(dǎo)軸承載荷以及性能參數(shù)見表1.5。下導(dǎo)軸承模擬計(jì)算的邊界條件序號項(xiàng)目參數(shù)1軸承直徑4385mm2導(dǎo)瓦數(shù)量323導(dǎo)瓦尺寸（高×長）180mm×225mm4運(yùn)行間隙0.13mm5額定轉(zhuǎn)速90.91rpm6飛逸轉(zhuǎn)速186rpm7旋轉(zhuǎn)方向順時針8潤滑油ISOVG46下導(dǎo)軸承載荷以及性能參數(shù)序號項(xiàng)目參數(shù)1機(jī)械不平衡力和磁拉力引起的徑向動態(tài)載荷：額定工況下/飛逸工況下817.2kN/603.2kN2瓦面最大單位壓力（額定工況）1.52MPa3平均周速20.9m/s4油槽溫度45℃5最小油膜厚度47.5μm6下導(dǎo)瓦溫度63℃7軸承損耗116kW計(jì)算結(jié)果下導(dǎo)瓦溫度：在給定載荷1.52MPa的條件下計(jì)算得到的下導(dǎo)瓦溫度為63℃，小于合同規(guī)定的75℃。特殊運(yùn)行工況計(jì)算根據(jù)合同要求，推力組合軸承應(yīng)能在最大飛逸轉(zhuǎn)速時安全連續(xù)運(yùn)行5min，油槽容量應(yīng)滿足在推力組合軸承油冷卻器的冷卻水中斷時，機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下帶額定負(fù)荷安全運(yùn)行15min。推力組合軸承油槽中約有15000升潤滑油，軸承部件的體積約為12立方米，鋼材的體積比熱容大于潤滑油的2倍，考慮適當(dāng)?shù)陌踩嗔亢?，?jì)算中采用等效的潤滑油體積為27000升。鑒于相同工況下下導(dǎo)瓦溫度較推力瓦溫度偏低，此處僅對推力瓦溫度和油溫進(jìn)行計(jì)算。額定工況下斷水運(yùn)行額定工況斷水運(yùn)行時，軸承損耗將直接加熱軸承。計(jì)算結(jié)果如下：在額定工況下斷水運(yùn)行15分鐘后，油槽油溫將達(dá)到57℃，低于VHS規(guī)范所規(guī)定的70℃許用值，推力瓦的溫度將上升至83℃，低于VHS規(guī)范所規(guī)定的90℃許用值。額定工況下斷水運(yùn)行過程中，油槽油溫和推力瓦溫度隨時間變化曲線見圖1.11。額定工況斷水運(yùn)行時油溫和推力瓦溫度變化曲線飛逸工況下有水運(yùn)行在飛逸工況下軸承的摩擦損耗要高于冷卻系統(tǒng)的冷卻容量，兩者的差值直接導(dǎo)致軸承溫度上升。計(jì)算結(jié)果如下：在飛逸工況下有水運(yùn)行5分鐘之后，油槽油溫將上升至51℃，低于福伊特規(guī)范所規(guī)定的70℃許用值，推力瓦的溫度將上升至80℃，低于福伊特規(guī)范所規(guī)定的90℃許用值。飛逸工況下有水運(yùn)行過程中，油槽油溫和推力瓦溫度隨時間變化曲線見圖1.12。飛逸工況有水運(yùn)行時油槽油溫和推力瓦溫度變化曲線圖1.3高壓油頂起系統(tǒng)設(shè)計(jì)立式水輪發(fā)電機(jī)組在啟停過程中，其推力瓦和鏡板之間難以形成連續(xù)油膜，通常設(shè)計(jì)高壓油頂起系統(tǒng)，通過油泵將壓力油注入推力瓦高壓油室，迫使鏡板抬升，強(qiáng)制建立連續(xù)油膜，避免干摩擦，確保安全[23-26]。下文對高壓油頂起系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定。解析法計(jì)算選型通過解析法計(jì)算確定高壓油頂起系統(tǒng)的壓力和流量，具體如下：幾何模型推力軸承共有16塊推力瓦，每塊推力瓦都有2個獨(dú)立的高壓油室，這2個油室分別布置在內(nèi)徑側(cè)和外徑側(cè)彈簧簇支撐陣列的徑向方向上的中心處，如圖1.13所示。推力瓦面高壓油頂起用油室的位置壓力和流量計(jì)算高壓油頂起系統(tǒng)計(jì)算所需的設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)見表1.6。下導(dǎo)軸承載荷以及性能參數(shù)序號參數(shù)符號值參數(shù)說明1F26752kN旋轉(zhuǎn)部件重量2Z16推力瓦數(shù)量348mm油槽外徑（在此范圍內(nèi)的壓力是常數(shù)）4272mm半徑和半徑之間的區(qū)域內(nèi)，壓力呈對數(shù)式從P連續(xù)降低，直至為0570μm油膜厚度60.027N·s/㎡50°C時油的動態(tài)黏度推力瓦表面半徑48mm區(qū)域（圖1.14中圓心位置無陰影區(qū)）內(nèi)的壓力為常數(shù)P，而在半徑48mm和半徑272mm之間的區(qū)域（圖1.14中陰影區(qū)）內(nèi)，壓力呈對數(shù)式從P連續(xù)降低，直至為0。根據(jù)表1.6中性能參數(shù)和上述壓力關(guān)系，計(jì)算單個油室所受載荷為836kN，單個油室的流量Q為1.96lit/min，壓力P為129bar。高壓油頂起系統(tǒng)的參數(shù)選取還應(yīng)考慮以下因素：P的安全系數(shù)取1.2，管路的壓力損耗取10bar，瓦內(nèi)帶節(jié)流孔板（板上有直徑1.2mm的油通道）壓力損耗取25bar。綜合考慮以上因素，高壓油頂起系統(tǒng)應(yīng)能提供190bar的壓力和在此壓力下的95lit/min的供油，以滿足計(jì)算所需的129bar壓力和95lit/min的供油要求。壓力和半徑示意圖GENMAT軟件模擬瓦面壓力使用GENMAT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算停機(jī)狀態(tài)瓦面壓力。由于此工具不能直接模擬停機(jī)時的狀態(tài)，因此將轉(zhuǎn)速設(shè)定為2轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)動極慢，基本上相當(dāng)于是靜止。模擬計(jì)算得到在油室以及相鄰油室之間的最大壓力為63bar，壓力的分布比較均勻（見圖1.15）。采用該軟件計(jì)算的最大壓力值為解析法計(jì)算的0.49。GENMAT軟件模擬的在2轉(zhuǎn)/分速度下的壓力分布圖CFD模擬分析進(jìn)行CFD模擬分析時考慮了推力瓦的形態(tài)和油室的位置及大小，并設(shè)定50℃的油按每分鐘3升的速度充入。模擬得到油室內(nèi)的壓力為67.8bar，為解析法計(jì)算壓力值的0.53，對應(yīng)的每塊瓦面上的壓力為1637KN，大約是每塊推力瓦所承受的轉(zhuǎn)動部件重量的98%。推力瓦面上壓力分布比較均勻，見圖1.16。CFD分析得到的推力瓦瓦面壓力分布圖設(shè)計(jì)參數(shù)選取GENMAT模擬計(jì)算和CFD摸擬計(jì)算都表明解析法的計(jì)算結(jié)果很保守，有比較大的安全裕量。計(jì)算表明高壓油室的大小和位置的選擇是合適的，能保證在停機(jī)狀態(tài)高壓油頂起系統(tǒng)投入運(yùn)行時，推力瓦瓦面和鏡板在高壓油的作用下相互分離不接觸。根據(jù)計(jì)算的壓力和流量，并將數(shù)據(jù)取整，選取高壓油頂起系統(tǒng)的額定設(shè)計(jì)壓力為200bar，流量為100lit/min。1.4外循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)推力組合軸承的油循環(huán)冷卻方式為外循環(huán)，可以采用兩種不同的結(jié)構(gòu)：一種為外加泵外循環(huán)，使用外部油泵產(chǎn)生循環(huán)的動力；另一種為自泵外循環(huán)，一般采用鏡板泵或?qū)弑卯a(chǎn)生外循環(huán)的動力[27-28]。自泵外循環(huán)具有無需供電、無外設(shè)油泵、油槽外管路簡單、外部空間要求小、自動化系統(tǒng)簡單、維護(hù)工作量小等一系列優(yōu)點(diǎn)，故WDD左岸機(jī)組推力組合軸承采用自泵外循環(huán)方案，由鏡板泵產(chǎn)生循環(huán)所需的動力[29]。外循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)WDD左岸機(jī)組推力組合軸承采用的鏡板泵外循環(huán)方案相比外加泵方案系統(tǒng)壓力較小。該方案在油槽內(nèi)部設(shè)有熱油管、冷油環(huán)管和供油支管，供油支管分別伸到推力瓦和下導(dǎo)瓦的瓦間，油槽外部僅設(shè)有油冷卻器及管路、附件等，具體結(jié)構(gòu)見圖1.17。鏡板上加工有40個Φ50的徑向孔，在鏡板的旋轉(zhuǎn)作用下，徑向孔的外側(cè)建立一定壓力，并通過熱油管流入油冷器進(jìn)行冷卻，冷卻后的潤滑油經(jīng)冷油環(huán)管和供油支管分配至推力瓦和下導(dǎo)瓦的瓦間，形成循環(huán)冷卻回路[30-31]。外循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖為應(yīng)對設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行的偏差，該外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有鏡板泵流量調(diào)整和下導(dǎo)瓦與推力瓦間冷油流量分配調(diào)整功能。在鏡板泵孔的外側(cè)設(shè)計(jì)有內(nèi)徑可調(diào)的節(jié)流絲堵，以實(shí)現(xiàn)總流量的調(diào)整。在下導(dǎo)瓦的供油支管上設(shè)置有內(nèi)徑可調(diào)的節(jié)流孔，用以調(diào)整下導(dǎo)瓦的冷油流量，進(jìn)而改變下導(dǎo)瓦與推力瓦之間的冷油分配。自泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算WDD左岸機(jī)組推力組合軸承自泵外循環(huán)系統(tǒng)示意見圖1.18，圖中相關(guān)參數(shù)符號的含義見表1.7。自泵外循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)符號含義序號參數(shù)符號參數(shù)說明1鏡板泵的總流量2到冷卻器的額定油流量3上部密封處的漏油量4下部密封處的漏油量5旋轉(zhuǎn)部件建立的壓力6通過節(jié)流元件后壓力損失7集油槽壓力8管路與冷卻器的壓力損耗9鏡板外徑尺寸10鏡板內(nèi)徑尺寸自泵系統(tǒng)循環(huán)示意圖經(jīng)計(jì)算，鏡板泵產(chǎn)生的壓力為1.39bar[32]，鏡板泵總流量為6689lit/min，總的泄露流量為2644lit/min，需要的通過冷卻器流量為4045lit/min。在考慮２倍的安全系數(shù)后，油冷卻器及管路的壓力損耗，即集油槽壓力為0.5bar，所以節(jié)流元件設(shè)計(jì)為能將壓力調(diào)整減少0.89bar。經(jīng)計(jì)算，自泵外循環(huán)系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)見表1.8。自泵外循環(huán)系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)序號項(xiàng)目參數(shù)說明1推力瓦額定載荷的比壓4.0MPa2油槽溫度40℃3瓦間油溫35℃4推力瓦溫度69℃5推力瓦最小油膜厚度61μm6額定速度下摩擦損耗932kW1.5油霧吸收裝置設(shè)計(jì)大型立