湖南鎮電站5號發電機推力軸承改造技術

徐劍峰，閆曉輝，陳長游，李冬翠，朱榮華，黃億良

(1．中國華電集團有限公司衢州烏溪江分公司，浙江 衢州 324000；2．浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

湖南鎮電站是位于烏溪江流域兩級開發的第一級電站，距浙江省衢州市區約37 km。電站共有2座廠房，5臺立軸混流式水輪發電機組，其5號發電機于1996年12月投產運行，2009年4月機組增容改造引起推力負荷增加。至本次改造前推力軸承已服役20多年，彈性油箱金屬材料疲勞老化，其軸向變形和壓縮變形誤差值超標，軸瓦溫度偏差較大，修復處理困難且成本較高，因此亟需對推力軸承相關部件進行更新改造。

2 相關參數

湖南鎮電站5號發電機推力軸承改造前負荷為880 t，推力瓦塊數為10塊，推力軸承采用三波紋彈性油箱支撐方式。改造后的推力軸承額定容量120 MW，額定轉速187.5 r/min，飛逸轉速373 r/min。推力瓦材質為彈性金屬塑料瓦，仍然采用多波彈性油箱支撐方式，并保持瓦塊數10塊不變，冷卻方式為外加泵外循環；推力負荷按1 200 t進行推力軸承的改造設計。

3 推力軸承

5號發電機推力軸承主要由推力瓦及彈性油箱支撐組成。彈性油箱具有自動平衡負荷功能，性能優越，因此通常用于推力負荷較大的機組，詳見圖1。

圖1 改造后的推力軸承結構示意圖

3.1 彈性金屬塑料推力瓦

5號發電機推力瓦尺寸外徑φ2 750 mm、內徑φ1 600 mm、薄瓦厚度60 mm，設計面壓4.6 MPa。

薄瓦PTFE(聚四氟乙烯)層硬度較低，一般為4～5 HB，在較大壓力的作用下，容易產生變形；在推力鏡板和瓦面之間容易發生泄壓，因此無法設置高壓油頂起裝置。

不設高頂裝置，既簡化了軸承潤滑系統，增強系統可靠性，又減少了檢修維護的工作量。PTFE瓦不但靜摩擦系數小，而且耐磨損性能優良，可實現機組較長期停機后，不需頂轉子直接開機。

3.2 托瓦

5號發電機由推力瓦(薄瓦)和托瓦組成雙層瓦結構，詳見圖2。通過鴿尾鍵將薄瓦固定在托瓦上，防止運行工況或頂轉子工況下薄瓦向上脫開；同時在瓦外徑側設置擋塊固定，阻止薄瓦的徑向移動。托瓦上表面設置若干條周向溝槽，利用潤滑油的周向旋轉，流過溝槽對薄瓦進行冷卻。

圖2 雙層瓦結構示意圖

機組運行時，推力鏡板相對推力瓦高速滑動，瓦面的潤滑油膜產生的損耗無法快速地從推力瓦側發散，從而使油膜的溫度升高，導致塑料瓦面呈凹形。塑料層具有較低的導熱性，在瓦面層產生很大的溫度梯度，而薄瓦瓦坯的溫度幾乎均勻一致，溫度梯度很小，潤滑油通過托瓦上的周向油溝帶走塑料層傳遞到瓦坯的少量熱量，進一步減小瓦坯的溫度，從而減小薄瓦的熱變形。

托瓦通常由厚鋼板制成，為薄瓦提供足夠的支撐剛度，其上下表面油溫溫差較小，自身熱變形小，從而減小了薄瓦的變形。

大量項目的推力軸承有限元分析結果表明，雙層瓦設計可以改善油膜的形狀，使油膜壓力分布更趨流暢圓弧形，從而大幅提高推力軸承運行的安全裕度；而且薄瓦輕量化設計，拆卸方便，檢修更容易。

3.3 彈性油箱

彈性油箱直徑φ400 mm，通過加工精度保證彈性油箱的彈性模量，嚴格要求所有油箱高度偏差在520±0.04范圍內。

彈性油箱支撐由多只彈性油箱串聯組成，用鋼管焊接成一個整體，詳見圖3。內腔抽真空后充入汽輪機油，并用絲堵封堵。彈性油箱負荷不均勻時，利用連通器原理，壓力油向低負荷油箱快速流動，自動平衡每個彈性油箱所承擔的負荷，并確保推力瓦的荷載不平衡率不大于5%。

圖3 彈性油箱結構示意圖

彈性油箱廠內裝配后整體發貨，現場不需要再做調整，整體安裝方便。機組運行時能夠自動平衡瓦間負荷，而且推力瓦傾斜靈活，可以很好地控制瓦變形等特點，被廣泛應用。但彈性油箱結構復雜，加工用時長，加工精度要求高，裝配工期及耐壓試驗用時周期長，因此制作成本大；而且彈性油箱有漏油風險，一旦發生漏油，會造成瓦溫明顯升高，因此日常巡檢需特別注意。

4 推力軸承潤滑方式

5號發電機推力軸承采用外加泵外循環冷卻方式，該冷卻方式應用廣泛。該系統對電動機、油泵和供電電源的可靠性要求較高，而且油泵和電機需定期進行檢查維護；全套設備需要在一定周期內更換，從而防止冷卻系統突然故障，影響推力軸承甚至機組的運行安全。

5 改造效果

5號發電機更換的推力軸承各項檢測尺寸均滿足設計要求。機組軸線質量得到大幅改善，水導盤

車擺度明顯下降。推力軸承水導盤車擺度從最大的0.89 mm下降為0.18 mm；推力軸承盤車擺度由最大的0.91 mm下降為0.10 mm。

改造后推力軸瓦溫度低于改造前，并滿足合同規定的低于46 ℃的要求，且留有較大裕度，詳見表1。

表1 改造后推力軸瓦溫度

6 結 論

湖南鎮電站5號發電機推力軸承改造采用PTFE薄瓦和托瓦，配合彈性油箱支撐，是當前大型機組的主流設計方案之一；其結構具有自動平衡推力瓦間負荷、過濾水力振動性能好等優點。

改造后推力軸承的運行記錄表明，經受住了夏季高溫的考驗，推力瓦溫滿足合同要求且有較大裕度，瓦溫偏差不高于5 ℃。

因此，湖南鎮電站5號發電機推力軸承此次更新改造是成功的。