【《某水电站发电机推力组合轴承设计案例》5600字】

某水电站发电机推力组合轴承设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u739某水电站发电机推力组合轴承设计案例 155921.1推力组合轴承设计参数 1238631.2推力组合轴承结构设计和性能计算 39142.2.1推力瓦及其支撑方式 3254822.2.2下导瓦及其支撑方式 6125982.2.3推力轴承性能计算 629232.2.4下导轴承性能计算 9203042.2.5特殊运行工况计算 10305981.3高压油顶起系统设计 1284242.3.1解析法计算选型 1214432.3.2GENMAT软件模拟瓦面压力 1481892.3.3CFD模拟分析 15301372.3.4设计参数选取 16191621.4外循环冷却系统设计 16149562.4.1外循环系统结构 1623102.4.2自泵系统设计计算 17181001.5油雾吸收装置设计 19196901.6小结 20WDD水电站左岸发电机由VHS生产制造，型号为SF850-66/18700，右岸发电机由GE生产制造，型号为SF850-64/18900，均为立轴半伞式结构的全空冷机组[20]。左岸发电机的最大容量为944.5MVA，额定电压22kV，额定电流24787A，额定频率50Hz，额定转速90.91r/min，磁极数量33对，定子槽数891槽。转子直径17.493m，重达1910t。定子设置24台（12组）水冷式空冷器，用于对线圈和铁心产生的热量进行冷却。发电机设计有机械制动和电气制动两种制动方式，通常情况下两种制动方式配合使用，特殊情况下也可以单独使用机械制动方式。左岸发电机推力组合轴承位于转子下部的下机架上，共设置有16块推力瓦和32块下导瓦。本章结合WDD水电站发电机的实际情况，重点研究、分析左岸机组推力组合轴承的结构和性能设计特点。1.1推力组合轴承设计参数表1.1列出了WDD水电站左岸机组推力组合轴承的具体参数。WDD水电站左岸机组推力组合轴承主要技术参数序号项目单位参数1推力轴承瓦支撑方式/弹簧簇2推力轴承的内径mm28953推力轴承的外径mm51904推力轴瓦的内径mm29005推力轴瓦的外径mm51856推力轴瓦块数块167推力轴承有效面积cm²7186×168额定推力负荷t45713kN9单位面积上的负荷MPa3.9410滑动面的平均速度m/s19.211PV值/75.612推力轴瓦间负荷不平衡量%+/-513额定转速和额定负荷时推力轴承的温度℃7014额定转速和最大负荷时推力轴承的温度℃7215飞逸转速时推力轴承的温度(5min)℃7716角速度rad/s9.5217摩擦系数/0.0007018油膜最小厚度mm0.041619因负荷引起的轴承瓦面变形mm-0.13220因温度引起的轴承瓦面变形mm0.1121推力轴承油循环冷却方式\镜板泵22轴承油槽油量L2000023在水温为25℃、额定MVA时推力轴承需要的冷却水量l/min343024在额定MVA时推力轴承冷却器的水压降MPa0.0525推力轴承冷却水工作压力范围MPa0.3–1.026高压油顶起装置油泵的压力MPa2027高压油顶起装置需要的润滑油量l/min10028高压油顶起系统油泵的额定值kW2229尺寸（长×宽×高）m4x3x230重量t231镜板硬度不小于HB20032镜板硬度差不大于HB2033两平面的平行度不大于mm0.0334镜板平面度不大于mm0.0335镜面粗糙度不大于mm0.00041.2推力组合轴承结构设计和性能计算WDD水电站左岸机组推力组合轴承结构见图1.1，主要有推力头、镜板、推力瓦、下导瓦、油槽以及相关管路、附件组成。其中油槽与下机架是一个整体。左岸机组推力组合轴承结构图推力瓦及其支撑方式左岸机组推力瓦瓦面材质为巴氏合金，单层瓦结构，单块瓦重量901.2kg,瓦厚度160mm，巴氏合金层厚4mm，共16块。推力瓦采用弹簧簇支撑方式，在每块推力瓦下面安装240个等高的弹簧柱。推力瓦见图1.2，弹簧簇见图1.3、1.4。左岸机组推力瓦实物图左岸机组推力瓦弹簧簇布置图左岸机组推力瓦弹簧簇安装图左岸机组推力瓦采用销钉和挡块相结合的方式进行固定，见图1.5、1.6。推力瓦内径侧安装竖直方向销钉，限制推力瓦的周向和向轴心侧的移动，外径侧安装径向销钉和挡块限制推力瓦的周向、远离轴心侧和向上的移动。左岸机组推力瓦固定方式示意图左岸机组推力瓦固定销钉和挡块下导瓦及其支撑方式左岸机组下导瓦瓦面材质为巴氏合金，单块瓦重量24.41kg,瓦厚度160mm，巴氏合金层厚1.5mm，共32块。下导瓦采用楔子板加垫块的支撑方式，该支撑方式通过调整楔子板的高度来调整导瓦间隙，具有间隙调整便捷简单的优点，见图1.7。下导瓦支撑结构示意图（左）和下导瓦实物图（右）推力轴承性能计算采用克劳斯塔尔大学开发COMBROS-A软件（版本1.2）和常见的三维热弹流体分析工具GENMAT（版本35a6.1），对推力瓦温度和油膜厚度进行了模拟计算。计算的几何模型和边界条件推力瓦外形图和弹簧簇支撑配置情况见图1.8，模拟计算边界条件见表1.2，轴承载荷与主要布置参数见表1.3。推力瓦外形图和弹簧簇配置图推力轴承模拟计算的边界条件序号项目参数1推力瓦外径5120mm2推力瓦内径2940mm3瓦的数量164推力瓦尺寸1090mm×665.2mm5支点的位置（弹簧簇支撑平衡点位置）周向：0.588×L；径向：R2071.5mm6额定转速90.91rpm7飞逸转速186rpm8旋转方向顺时针9润滑油ISOVG46推力轴承载荷与主要布置参数序号项目参数1发电机转动部件重量2185000kg2水转机转动部件重量538000kg3额定水推力19000kN4瞬态水推力22500kN5总推力负荷45713kN6单位压力4.0MPa7平均周速19.2m/s8油槽温度40°C9瓦间冷油温度35°C10最小油膜厚度61μm11推力瓦温度69°C12额定摩擦损耗800kW13泵孔损耗16计算结果推力瓦温度：在额定载荷4.0Mpa的条件下计算得到的推力瓦温度为69℃，小于规定的80℃[21]。最小油膜厚度：推力瓦最小油膜厚度选取参数为不小于30μm，计算结果是61μm[22]。油膜厚度、瓦温、摩擦损耗与瓦面单位压力的关系见图1.9。油膜厚度、瓦温、摩擦损耗与瓦面压力关系4.0MPa单位压力下的推力瓦瓦面压力分布、推力瓦温度和油膜厚度的三维分布计算结果见图1.10。图中X轴表示推力瓦周向长度，Y轴表示推力瓦径向长度（由于仿真计算工具的原因，旋转方向显示为逆时针，实际为顺时针）。推力瓦瓦面压力、瓦温、油膜厚度分部图下导轴承性能计算采用VHS开发的GENMAT计算程序对下导轴承的下导瓦温度进行模拟仿真计算。计算的几何模型和边界条件下导轴承模拟计算的边界条件见表1.4，下导轴承载荷以及性能参数见表1.5。下导轴承模拟计算的边界条件序号项目参数1轴承直径4385mm2导瓦数量323导瓦尺寸（高×长）180mm×225mm4运行间隙0.13mm5额定转速90.91rpm6飞逸转速186rpm7旋转方向顺时针8润滑油ISOVG46下导轴承载荷以及性能参数序号项目参数1机械不平衡力和磁拉力引起的径向动态载荷：额定工况下/飞逸工况下817.2kN/603.2kN2瓦面最大单位压力（额定工况）1.52MPa3平均周速20.9m/s4油槽温度45℃5最小油膜厚度47.5μm6下导瓦温度63℃7轴承损耗116kW计算结果下导瓦温度：在给定载荷1.52MPa的条件下计算得到的下导瓦温度为63℃，小于合同规定的75℃。特殊运行工况计算根据合同要求，推力组合轴承应能在最大飞逸转速时安全连续运行5min，油槽容量应满足在推力组合轴承油冷却器的冷却水中断时，机组在额定转速下带额定负荷安全运行15min。推力组合轴承油槽中约有15000升润滑油，轴承部件的体积约为12立方米，钢材的体积比热容大于润滑油的2倍，考虑适当的安全余量后，计算中采用等效的润滑油体积为27000升。鉴于相同工况下下导瓦温度较推力瓦温度偏低，此处仅对推力瓦温度和油温进行计算。额定工况下断水运行额定工况断水运行时，轴承损耗将直接加热轴承。计算结果如下：在额定工况下断水运行15分钟后，油槽油温将达到57℃，低于VHS规范所规定的70℃许用值，推力瓦的温度将上升至83℃，低于VHS规范所规定的90℃许用值。额定工况下断水运行过程中，油槽油温和推力瓦温度随时间变化曲线见图1.11。额定工况断水运行时油温和推力瓦温度变化曲线飞逸工况下有水运行在飞逸工况下轴承的摩擦损耗要高于冷却系统的冷却容量，两者的差值直接导致轴承温度上升。计算结果如下：在飞逸工况下有水运行5分钟之后，油槽油温将上升至51℃，低于福伊特规范所规定的70℃许用值，推力瓦的温度将上升至80℃，低于福伊特规范所规定的90℃许用值。飞逸工况下有水运行过程中，油槽油温和推力瓦温度随时间变化曲线见图1.12。飞逸工况有水运行时油槽油温和推力瓦温度变化曲线图1.3高压油顶起系统设计立式水轮发电机组在启停过程中，其推力瓦和镜板之间难以形成连续油膜，通常设计高压油顶起系统，通过油泵将压力油注入推力瓦高压油室，迫使镜板抬升，强制建立连续油膜，避免干摩擦，确保安全[23-26]。下文对高压油顶起系统的设计参数进行计算确定。解析法计算选型通过解析法计算确定高压油顶起系统的压力和流量，具体如下：几何模型推力轴承共有16块推力瓦，每块推力瓦都有2个独立的高压油室，这2个油室分别布置在内径侧和外径侧弹簧簇支撑阵列的径向方向上的中心处，如图1.13所示。推力瓦面高压油顶起用油室的位置压力和流量计算高压油顶起系统计算所需的设备基础参数见表1.6。下导轴承载荷以及性能参数序号参数符号值参数说明1F26752kN旋转部件重量2Z16推力瓦数量348mm油槽外径（在此范围内的压力是常数）4272mm半径和半径之间的区域内，压力呈对数式从P连续降低，直至为0570μm油膜厚度60.027N·s/㎡50°C时油的动态黏度推力瓦表面半径48mm区域（图1.14中圆心位置无阴影区）内的压力为常数P，而在半径48mm和半径272mm之间的区域（图1.14中阴影区）内，压力呈对数式从P连续降低，直至为0。根据表1.6中性能参数和上述压力关系，计算单个油室所受载荷为836kN，单个油室的流量Q为1.96lit/min，压力P为129bar。高压油顶起系统的参数选取还应考虑以下因素：P的安全系数取1.2，管路的压力损耗取10bar，瓦内带节流孔板（板上有直径1.2mm的油通道）压力损耗取25bar。综合考虑以上因素，高压油顶起系统应能提供190bar的压力和在此压力下的95lit/min的供油，以满足计算所需的129bar压力和95lit/min的供油要求。压力和半径示意图GENMAT软件模拟瓦面压力使用GENMAT软件进行模拟计算停机状态瓦面压力。由于此工具不能直接模拟停机时的状态，因此将转速设定为2转/分，转动极慢，基本上相当于是静止。模拟计算得到在油室以及相邻油室之间的最大压力为63bar，压力的分布比较均匀（见图1.15）。采用该软件计算的最大压力值为解析法计算的0.49。GENMAT软件模拟的在2转/分速度下的压力分布图CFD模拟分析进行CFD模拟分析时考虑了推力瓦的形态和油室的位置及大小，并设定50℃的油按每分钟3升的速度充入。模拟得到油室内的压力为67.8bar，为解析法计算压力值的0.53，对应的每块瓦面上的压力为1637KN，大约是每块推力瓦所承受的转动部件重量的98%。推力瓦面上压力分布比较均匀，见图1.16。CFD分析得到的推力瓦瓦面压力分布图设计参数选取GENMAT模拟计算和CFD摸拟计算都表明解析法的计算结果很保守，有比较大的安全裕量。计算表明高压油室的大小和位置的选择是合适的，能保证在停机状态高压油顶起系统投入运行时，推力瓦瓦面和镜板在高压油的作用下相互分离不接触。根据计算的压力和流量，并将数据取整，选取高压油顶起系统的额定设计压力为200bar，流量为100lit/min。1.4外循环冷却系统设计推力组合轴承的油循环冷却方式为外循环，可以采用两种不同的结构：一种为外加泵外循环，使用外部油泵产生循环的动力；另一种为自泵外循环，一般采用镜板泵或导瓦泵产生外循环的动力[27-28]。自泵外循环具有无需供电、无外设油泵、油槽外管路简单、外部空间要求小、自动化系统简单、维护工作量小等一系列优点，故WDD左岸机组推力组合轴承采用自泵外循环方案，由镜板泵产生循环所需的动力[29]。外循环系统结构WDD左岸机组推力组合轴承采用的镜板泵外循环方案相比外加泵方案系统压力较小。该方案在油槽内部设有热油管、冷油环管和供油支管，供油支管分别伸到推力瓦和下导瓦的瓦间，油槽外部仅设有油冷却器及管路、附件等，具体结构见图1.17。镜板上加工有40个Φ50的径向孔，在镜板的旋转作用下，径向孔的外侧建立一定压力，并通过热油管流入油冷器进行冷却，冷却后的润滑油经冷油环管和供油支管分配至推力瓦和下导瓦的瓦间，形成循环冷却回路[30-31]。外循环系统结构示意图为应对设计和实际运行的偏差，该外循环系统设计有镜板泵流量调整和下导瓦与推力瓦间冷油流量分配调整功能。在镜板泵孔的外侧设计有内径可调的节流丝堵，以实现总流量的调整。在下导瓦的供油支管上设置有内径可调的节流孔，用以调整下导瓦的冷油流量，进而改变下导瓦与推力瓦之间的冷油分配。自泵系统设计计算WDD左岸机组推力组合轴承自泵外循环系统示意见图1.18，图中相关参数符号的含义见表1.7。自泵外循环系统参数符号含义序号参数符号参数说明1镜板泵的总流量2到冷却器的额定油流量3上部密封处的漏油量4下部密封处的漏油量5旋转部件建立的压力6通过节流元件后压力损失7集油槽压力8管路与冷却器的压力损耗9镜板外径尺寸10镜板内径尺寸自泵系统循环示意图经计算，镜板泵产生的压力为1.39bar[32]，镜板泵总流量为6689lit/min，总的泄露流量为2644lit/min，需要的通过冷却器流量为4045lit/min。在考虑２倍的安全系数后，油冷却器及管路的压力损耗，即集油槽压力为0.5bar，所以节流元件设计为能将压力调整减少0.89bar。经计算，自泵外循环系统性能数据见表1.8。自泵外循环系统性能数据序号项目参数说明1推力瓦额定载荷的比压4.0MPa2油槽温度40℃3瓦间油温35℃4推力瓦温度69℃5推力瓦最小油膜厚度61μm6额定速度下摩擦损耗932kW1.5油雾吸收装置设计大型立