双向推力轴承支承结构对润滑性能的影响

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Efects of support structure on lubricating properties ofbi-directional thrust bearingsHuang Bin ，Wu Junling。，Wu Zhongde ，Jiao Lei ，Wang Leqin(1.Institute of Chemical Machinery Engineering，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310027，China；2.Department of ElectricaMachinery，Harbin Institute of Large Electrical Machinery，Harbin，Heilongjiang 150040，China)Abstract：A three-dimensional thermo-elastic-hydrodynamic mathematical model ot thrust bearing was setup and the boundary conditions was adopted for analysis of the effects of support structure Oil hydrodynami clubrication performance of bi-directional thrust bearing in pump-turbine.The finite difference method wasemployed to solve the THD model，and the thermal-elastic deform ations in the pad were obtained by the fi-nite element software ANSYS11.0.Th e data transfer between the THD model and ANSYS1 1.0 was carriedout automatically by an interface program.The calculation model set up in this paper was then applied to acalculating example.Th e oil fihn thickness distribution，oil film pressure distribution and pad temperaturedistribution were obtained.Good agreement between the theoretical calculating results and experimental testwas obtained.On this basis，the static performance distribution and therm o-elastic deformation distributionon the pad surface of three different support disks were analyzed.Th e results show that improving lubricantperformance can be obtained if the support structure is chosen correctly，and the thermo-elastic deform ationdistribution on the pad surfaee of cutting away disk or double-disk supported thrust bearing are better thanthe single-disk one，which leads to prior lubricant performance。

Key words：bi-directional thrust bearing；suppo structure；thermo-elastic deformation；lubricant performance；pumped storage unit双向推力轴承作为抽水蓄能电站中水泵水轮 机机组的核心部件之-，其性能优劣将直接影响整收稿 日期 ：2012～05-17基金项目：浙江省重大科技专项项 目(2011C01008)；宁波市择优委托罩点工业项目(2009B10007)作者简介：黄滨(1985-)，男，辅古田人，博士研究生(huangbin486###slna corn)，主要从事流体机械及推力轴承分析与优化设计研究吴军令(1963-)，男，陕西咸阳人，高级工程师(wujunling126###163.corn)，主要从事发电机滑动轴承研究。

个机组运行的可靠性.常规的推力轴承多为单向旋转，其支承中心相对于瓦块几何 中心采用偏心布置，当周向偏心率为 0.58～0.60时，推力轴承具有最佳的承载能力 .可逆式水泵水轮机机组要求推力轴承具有 良好的正、反向润滑性能，因此该类推力轴承采用周向偏心率为 0.50的中心支承，以满足机组双向、高速运行的要求.国内学者虽然对大型水轮发电机推力轴承支承结构进行了理论和试验上的研究工作 J，但主要针对存在周向偏心和长宽比较小的推力轴承结构.文中在常规推力轴承三维热弹流动力润滑性能研究 -71和双向推力轴承试验研究的基础上，发展水泵水轮机双向推力轴承三维热弹流动力润滑理论，并结合Ansys有限元软件分析不同支承结构下瓦面热弹变形对双向推力轴承润滑性能的影响，具有-定的理论价值和工程意义。

双向推力轴承的试验根据目前蓄能机组的需要和试验台本身的特点，在哈电公司3 000 t推力轴承试验台上进行了水泵水轮机双向推力轴承的试验研究.试验模型的主要几何尺寸和工作参数：轴承外径为 3 850 mil；轴承内径为2 850 mm；瓦块数为 12；瓦块夹角 0.255 rad；瓦宽500 rain；瓦长427 roan；径向支点位置为0.542；周向支点位置为0.5；推力负荷为9.6 MN；额定转速为140 r/rain；比压为3.7 MPa；平均半径处线速度为24.6 m/s。

为了获得各试验瓦的油膜压力、油膜厚度和瓦块温度的详细情况，压力传感器和光学位移传感器安装在镜板上，这样在试验时可对 l2块瓦不同半径位置进行同时测量；温度传感器安装在瓦块和镜板的不同位置，测量温度分布情况，尤其对于瓦块在不同厚度位置进行测量以得到其温度梯度.镜板和推力瓦上的传感器分布如图 1所示。

图 1 镜板和推力瓦上的传感器分布Fig.1 Sensor distribution in runner and thrust pad2 双向推力轴承三维热弹流计算模型2.1 厂 义冒 话方 程(rF2 oap，)÷ (F op) r旦0f Fo)，( )式中：F。： F ： ；F ： 丛 d ；P为油膜压力； 为镜板的转动角速度； 为润滑油的动力黏度；F为瓦块边界；F 为油膜破裂边界，边界条件为P l，1：o，oaP ，1 0。

2.2 油膜能量方程pc (考 Vo Ot) 02t [(蓑) Oz] ]，(2)式 ( Ix瓢軎)为径向速度分 为油 膜 温 了1- 瓢 )力rf 1-厂 /F1为周向速度分量；边界条件t(r，0， )、 J0ti 为 进油边；推力盘 u0， 。S2r，t(r，q，0)；油膜和瓦体界面 瓦 油，( ) ( )油，- o。

2.3 油膜厚度方程hh p[rsin(0p-0)-Fmsin(0p-0 )]M -u。， (3)式中： 为最小油膜厚度；y。为瓦绕其节线P倾斜的角度；0 为瓦体初始平面与瓦体倾 向后平面的交线坐标 ；0 为最小油膜处与起始边的夹角；下标P为瓦块支点处的参数 ；。为瓦面轴向热弹变形值； 为瓦面在最小膜厚处的轴向热弹变形值。

2.4 润滑油黏温方程lg lg(v0.6)ABlg t， (4)式中： 为润滑油的运动黏度；系数A，B为与润滑油种类有关的试验测定系数。

2.5 瓦块导热方程笔 02 tOr Or O0 Oz (5) - -- - -1 U. 1)r式中：瓦工作表面 瓦 ，( 塞)瓦k )油；其余各表面为-( ) ( - )( 2，3，，6)； 为油池温度； ；为瓦体各表面的对流换热系数，可根据经验公式选取。

2.6 瓦块热弹变形方程在有限元分析程序中，三维实体结构的热弹变形控制方程为K×URr， (6)式中： 为结构刚度矩阵；U为节点位移向量；R为节点力载荷向量；r为节点变温等效载荷向量。

3 结果分析与讨论3.1 计算结果与试验测量结果的对比根据试验模型的具体结构，建立了双向推力轴承的j维热弹流润滑计算模型，并针对额定工况进行了相关计算，汁算结果和试验结果见表 1.表中 凡为转速； 为推力负荷；To为油槽厚度；h 为最小油膜厚度；JP 为最大油膜压力；T为最高瓦面温度表 1 计算结果和试验结果对比Tab.1 Com parison of calculated and measured results图2为计算膜厚和试验测量膜厚的具体分布情况，左侧均为润滑油出口边.可以看出，最小膜厚值均出现在靠近出油边的位置，但是计算值和实测值还存在-定差距，而且实贝0油膜分布在最小值 附近，并未像理论计算-样形成-个封闭场.造成误差的主要原因在于试验测量采用 AKIMAC插值得到膜厚分布情况，且受到测量精度和瓦块加工精度的限制，而理论计算是在理想情况下进行的。

图2 计算和试验测量膜厚分布Fig.2 Calculated and experimental oil fibnthickness distribution图3为计算和试验测量由膜压力分布情况，由图可知，计算和试验测量油膜压力分布趋势比较-致，只是由于高压油顶起系统导致实测压力中心呈现周向凸起的椭圆形，最大压力均出现在中心略偏出口位置，而且理论计算值的最大油膜压力(9.1MPa)和实测值的最大油膜压力(9.2 MPa)在数值上也相当接近。

图3 计算和试验测量油膜压力分布Fig.3 Calculation and experimental pressuredistribution in oi1 fihn图4为计算和试验测量瓦块温度分布，由图可知，计算和试验测量瓦块温度分布较为相似.但最高瓦面温度的计算值与实测值之间存在较大差别，计算得到的最高瓦面温度为73.3℃，而实测最高瓦面温度达到了83.2℃.此外，理论计算值的最高瓦面温度区域更倾向于出油边，2者的瓦面温度等值线分布也略有差别，实测值的瓦面温度等值线分布存在向周向和径向的凸起，而理论计算得到的瓦面温度等值线分布则呈现较平缓的趋势。

图4 计算和试验测量瓦块温度分布Fig.4 Calculated and experimental temperaturedistribution on pad3.2 支承结构对推力轴承润滑性能的影响单托盘和双托盘支承结构已经广泛应用于大型水轮机组，同时乐再元 认为双托盘支承结构更适用于瓦宽较长及瓦长较窄的长条形轴瓦推力轴承.文中选取图5所示的3种支承结构型式的推力瓦块进行分析，为了更好地表现出不同结构型式对轴承润滑性能的影响，此处 计算 的单 瓦载荷为l25%额定载荷。

4 结 论针对水泵水轮机双向推力轴承，采用试验方法和三维热弹流动力润滑性能计算方法进行研究，并针对其支承结构进行了深入分析 ，得到以下结论 ：1)推力轴承的三维热弹流计算结果与试验测试结果相比，各项性能指标在数值上和分布趋势上基本吻合。

2)条形支承结构和双托盘支承结构的润滑性能要明显优于单托盘支承结构，特别体现在对最小膜厚和最大油压这 2项指标的改进上。

3)受瓦面热弹变形分布趋势和数值的影响，单托盘支承结构使推力轴承最小油膜厚度显著降低，进而产生更高的油压和油温。