登錄  |  注冊
河北華利機械配件有限公司

大型水輪發電機彈性金屬塑料瓦推力軸承技術

2016/7/14 10:59:03
水輪發電機組推力軸承應用巴氏合金瓦已成功地使用了多年,隨著機組容量的擴大,推力軸承的負荷也越來越大,象三峽機組6000t級推力軸承,采納普通結構的巴氏合金瓦推力軸承,達到或超過了巴氏合金瓦推力軸承的應用極限。為了解決國產鎢金瓦推力軸承在一些電站運行中的缺欠,特殊是解決三峽機組推力軸承國產化的問題,從1989年開始,國內展開了彈性金屬塑料瓦的研制,1990年8月,第一套100t級彈性金屬塑料瓦投人運行,此后相繼研制出700t級、1800t級、3000t級的塑料瓦,均獲得了相比中意的效果。1997年研制作成功三峽彈性金屬塑料瓦推力軸承。先后在數十家電站的水輪發電機組中運用了這種軸承,運行狀況普遍良好。近年來彈性金屬塑料瓦在水輪發電機組導軸承跟臥式機組徑向軸承中也得到了應用。

1.彈性金屬塑料瓦推力軸承的優點塑料瓦推力軸承的優點跟瓦面材料的機械特性跟物理特性密切相關,主要原因在于以下幾個角度:第一,瓦面材料的絕熱性使瓦體溫度分布相對均勻,軸瓦熱變形較小。第二,瓦面復合材料在分布壓力下的壓縮變形,對軸瓦的熱變形能夠產生適當的補償。

第三,塑料瓦面的變形合理,在一模一樣工況下,塑料瓦推力軸承的承載能力比巴氏合金瓦的大。第四,因為塑料瓦的自潤滑性能好,其許用最小油膜厚度比巴氏合金瓦的小。

根據水輪發電機組塑料瓦推力軸承的運行跟試驗經驗,跟巴氏合金瓦比較,有以下優點:安裝、檢修簡單,不需刮研瓦。

許用單位壓力高,使得其許用單位壓力可達6.0MPa,已運行的機組中,最大已達6.33MPa(白山4號機)。

不需要高壓油頂起系統,能夠滴油潤滑盤車,并允許熱啟動。

允許冷卻水意外斷水時間長,一般為15min,最長做過2h試驗(石泉電廠)。

~15%額定轉速(平均線速度1.8~2m/S)下,加閘停機,減少了閘的磨損程度及其感染。

能在潤滑油中進水5%狀況下正常運行(運行時間不超過4h)。當有雜質進人時能產生包容,減少磨損跟延緩事故發生。

有絕緣作用,使軸承跟軸之間持續絕緣。

彈性金屬塑料瓦除了在水輪發電機組推力軸承上應用外,還應用在水輪發電機組導軸承;火電站的鍋爐空氣預熱器旋轉裝置軸承、大型球磨設備的導軸承跟托輪軸承及循環滎電機推力軸承跟導軸承等;陶瓷廠大型球磨設備導軸承跟托輪軸承;大型栗站的水栗電機推力軸承跟導軸承;水泥廠托輪軸承;大型礦山設備采掘機械軸承等大型設備的滑動軸承上。

2.彈性金屬塑料瓦推力軸承熱彈流潤滑性能分析瓦面油膜的不等溫、不等壓性跟瓦及鏡板的熱彈變形是大型水輪發電機推力軸承的運行特點。油膜溫度、油膜壓力及油膜厚度可充足體現推力軸承性能的優劣,而這3個重要參數取決于負荷、轉速、瓦面人油溫度、油粘度、瓦尺寸大小、幾何形狀、鏡板工作面的平面度、瓦面及鏡板面的熱彈變形等。一般可通過聯立求解潤滑油膜的動壓(雷諾方程)、熱能量、粘度-溫庹、油膜厚度等方程及瓦跟鏡板的熱傳導、熱彈變形等方程來迭代求解出推力軸承的性能參數,進而描述其潤滑經歷的特征。因為塑料瓦面可能存在(瓦面)滑移現象,對塑料瓦軸承性能進行數值求解經歷中,跟巴氏合金瓦軸承性能的數值求解比較,僅在雷諾方程上有不一樣的考慮。對推力軸承跟鏡板推力頭的熱彈變形也要進行全面考慮。

因為潤滑油是一種極性分子,跟金屬表面可以形成較強的吸附層,經典雷諾方程就是以這種無滑移邊界條件假定建設的,但對于彈性金屬塑料瓦推力軸承,氟塑料的表面能很低,對潤滑油的吸附作用較小,在一定條件下,潤滑油膜在塑料瓦表面可能產生滑移。對彈性金屬塑料瓦推力軸承的熱彈流分析就要考慮到這種影響。

計人滑移影響的油膜速度邊界條件:壓力,"為油膜粘度,cy為鏡板旋轉角速度,V為徑向壓力滑移因子,為周向壓力滑移因子,為周向剪切滑移因子。

柱坐標形式的運動方程跟連續方程分別為:對方程組(3)的前兩式進行z向積分并計人油膜速度邊界條件,進行推力軸承跟鏡板推力頭的熱彈變形計算,所得計算結果的準確性較高且不受軸承結構跟鏡板推力頭的結構限制。

推力軸承三維熱彈變形分析,瓦面溫度按油膜溫度分布輸人,瓦面力載荷按油膜壓力分布輸人,其它各面按對流換熱邊界進行計算,推力瓦跟托瓦間為三維接觸表面,根據支承結構加相應的鉸支約束,限制住瓦的剛體位移。

推力軸承的熱彈變形計算鏡板推力頭的熱彈變形計算塑料瓦推力軸承跟鏡板熱彈變形計算考慮到鏡板推力頭結構跟受力周期對稱的特點,取其瓦塊數Z的倒數為三維熱彈變形分析模型。根據鏡板溫度的測量結果,發現對油膜溫度分布經適當處理后可表征鏡板面的溫度分布。鏡板面的力載荷按油膜壓力分布輸人,并計人鏡板推力頭的重力跟離心力。其它各面按對流換熱邊界條件進行計算,推力頭跟鏡板接合面為三維接觸表面,根據鏡板推力頭的具體結構加相應的鉸支約束,限制住鏡板推力頭的剛體位移。

所示的彈性金屬塑料瓦推力軸承為雙托盤支承結構,在較高的負荷下可出現瓦面整體為凸形。但在瓦的中部微凹,這是因為其復合層的壓縮模量較小所致。塑料瓦面的進、出油邊均有楔形坡口,有利于啟動時進油跟調整瓦面形狀。鏡板面的變形沿徑向下凸,沿周向上凹,即沿周向為波浪形。鏡板在力載荷作用下,周向變形的高點處在瓦上,低點處在瓦間,徑向變形在外徑側上翹;鏡板在溫度載荷作用下,周向因為恒溫而不產生變形3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。

鏡板面的徑向傾斜幾乎能夠跟瓦面的徑向傾斜相抵消,這是由于油膜上產生的壓力跟推力瓦支承產生的力矩為了達到平衡使推力瓦自動傾斜所造成的。別的,塑料瓦面的凹變形能夠抵消鏡板面的徑向凸變形,這也是彈性金屬塑料瓦推力軸承提升承載能力的主要角度之一。

彈性金屬塑料瓦的滑移影響彈性金屬塑料瓦面的剪切滑移跟壓力滑移使得軸承的承載能力略有降低,而在實踐中彈性金屬塑料瓦較相應的巴氏合金瓦的承載能力高。這歸因于彈性金屬復合層在推力軸承上表現出的優良性能。換言之,彈性金屬塑料瓦的瓦面整體變形比巴氏合金瓦的整體變形更合理,油膜厚度分布更均勻,最小油膜厚度增大,滑移對軸承性獻的影響小于瓦面的整體變形對軸承性能的影響。

3.彈性金屬塑料瓦推力軸承的設計彈性金屬塑料瓦推力軸承的一般運行條件為單位壓力不大于7.0MPa,平均線速度不大于40m/s,機組啟動時軸承油槽內油溫度不低于5T,運行時熱油溫度不超過50*.三峽彈性金屬塑料瓦試驗推力軸承在電站應用的塑料瓦,以摩擦面材料的類型大體分為兩類,即純聚四氟乙稀材料跟有添加劑的聚四氟乙稀材料。無論哪種材料,在結構上均大體一模一樣,即在摩擦材料跟金屬瓦基之間是一層繞簧狀的青銅絲,這種材料被稱為彈性金屬層,其作用是連接塑料材料跟金屬瓦基并改善塑料層的物理性能。

因材料不一樣,在制造工藝上有一定的區別,有添加劑的塑料瓦面材料的加工是將塑料及添加劑粉末按要求壓縮成型,然后在加熱爐進行氣體保護加熱燒結,最后跟金屬瓦基進行釬焊及表面加工。這種彈性金屬塑料瓦面為灰色。純聚四氟乙稀材料的塑料瓦一般制造工藝是用聚四氟乙稀材料跟繞簧狀銅絲層、金屬瓦基進行加熱壓焊跟燒結、加工表面的。這種彈性金屬塑料瓦面為白色。成品瓦的彈性金屬塑料復合單位壓力較大,其復合層的壓縮模量相應選取較大值,這樣可使瓦面的熱彈變形控制在合理的范圍內。

從能夠看到,含有添加劑的聚四氟乙烯比純聚四氟乙烯耐磨。對于頻繁啟動的調峰水輪發電機組,其推力軸承的瓦面材料選用含有添加劑的聚四氟乙烯為宜,可提篼推力軸承的運用壽命。其它機組的推力軸承,兩種瓦面均可選用,其制造成本沒差多少。

含有添加劑的聚四氟乙烯的相對磨損率因為彈性金屬塑料瓦推力軸承的許用單位壓力高,跟巴氏合金瓦比較;能夠運用一模一樣大小的瓦基,但瓦面能夠縮小一些?;蛘哌m當減小瓦基尺寸,以達到減小瓦面的目標。這樣,即能利用彈性金屬塑料瓦的優良性能,又可降低成本。

彈性金屬塑料瓦推力軸承的型面根據瓦面材質的不一樣而有所區別。試驗研究表明,白色瓦面的彈性金屬塑料復合層的壓縮模量相對較小,其型面的設計是否合理,尤為重要。因為水輪發電機組的轉子重量在機組啟動之前就由推力軸承承擔,相當于推力軸承存在預負荷,從能夠看到,隨著兩次啟動時間間隔的擴大,彈性金屬塑料瓦推力軸承在啟動時的靜摩擦系數增加,這主假如因為彈性金屬復合層的蠕變特性,使瓦面跟鏡板面越來越趨于全面的接觸,接觸面之間的潤滑油逐漸減少。在機組啟動時,瓦面不具備快速建設油膜的條件,很容易產生事故。而灰色瓦面的彈性金屬塑料復合厚的壓縮模量相對較大,對型面的要求次之,某一大型電站的灰色瓦的彈性金屬塑料瓦推力軸承,未進行型面設計,而其運行正常。彈性金屬塑料瓦推力軸承的理想型面為曲面,因為其曲率十分小,機械加工相比困難,因此其型面一般設計成梯形,對于單向運行的塑料瓦推力軸承,進油邊的斜邊比出油邊的斜邊大,可根據塑料瓦推力軸承的結構跟工況,對其進行熱彈流潤滑性能分析,并作出較精確的設計。不論是白色瓦面,還是灰色瓦面,擁有合理的型面,對塑料瓦推力軸承有利而無弊。彈性金屬塑料瓦推力軸承要擁有一定的型面,就是要在機組啟動時,瓦面能夠較快地建設油膜,并能適當調整瓦面形狀,充足發揮彈性金屬塑料瓦推力軸承所應擁有o*礫班50的優良性能。

塑料瓦推力軸承摩擦罕、數跟停機時間的關系為了方便檢測瓦面的磨損狀況,在同一套瓦中的數塊瓦的瓦面出油一側,加工數個同心環溝槽,深度彈性金屬塑料瓦推力軸承的溫度監測,一般沿用巴氏合金瓦推力軸承的溫度監測方法,在瓦基上安裝熱電阻,這樣所測量的溫度跟瓦面的實際溫度相差較大,因為塑料層的導熱性能非常差,監測到的溫度比瓦面的實際溫度要低不少,一般為10~30K,且反應滯后,不能代表推力軸承運行溫度的實際狀況。實驗測量結果表明,瓦面溫度的最高區域在平均半徑附近的出油邊一側。而瓦面壓力分布則是在瓦面的相應支承位置為高壓區,瓦面周邊壓力為零。這樣,在彈性金屬塑料瓦的出油邊一側,距瓦邊20~50mm的平均半徑附近,軸向安裝小型溫度傳感器,傳感器探頭可在瓦面下0.2mm左右。這一位置是高溫區,且油膜壓力又低,不容易發生泄漏。采納半導體溫度傳感器,熱敏電阻或熱電阻,均可完成在線監測塑料瓦的最高溫度。傳感器安裝孔要采取適當的防漏措施。

4.小結
    從1989年開始,國內進行彈性金屬塑料瓦推力軸承的研制,目前所研制作成功的彈性金屬塑料瓦推力軸承,負荷從幾十噸到最大為6000t級。目前已有不少廠家可以生產。彈性金屬塑料瓦推力軸承也已在水電站等運用推力軸承的設備中普及應用。

三峽彈性金屬塑料瓦推力軸承于1997年在哈爾濱大電機研究所研制作成功,標志著彈性金屬塑料瓦推力軸承的研究、設計、制造等核心技術已趨于成熟。

目前正向彈性金屬塑料瓦導軸承跟徑向軸承普及推廣。彈性金屬塑料瓦的滑移現象有也已有所認識,進一步的研究將使彈性金屬塑料瓦技術更加完善。

彈性金屬塑料瓦推力軸承解決了水輪發電機向超大型化發展的難題,提升了水輪發電機組的安全可靠性,降低了事故率。彈性金屬塑料瓦的研制作成功,使滑動軸承技術出現了一次大的飛躍。它的廣泛應用,必將產生重大的經濟跟社會效益。
華利膠木手輪