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罗先洪，首建威，刘小云
（1.五凌电力有限公司挂治水电厂，贵州 锦屏 556700；
2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）
在立式水轮发电机中，弹性金属塑料推力瓦是承载转子、转轮等转动部件重量、轴向水推力等载荷的重要设备。结构上分为三层，瓦体层由普通钢材加工而成，在外径侧设置有温度探头埋设孔。弹性层由青铜丝绕制而成，钎焊在金属瓦基上。此弹性层具有一定的弹性模量，起到均衡瓦面各负荷的作用。表层由聚四氟乙烯塑料板热压在弹性层上。瓦面设有预置磨损检测环，每组环设4个同心环槽，各环槽深度差为0.05 mm。
（1）推力瓦属进口设备，已无法联系原厂家。库存备件数量逐渐减少，威胁机组安全稳定运行。整体更换进口设备周期长，价格昂贵。
（2）设备运行时间长，故障率逐年升高。隐患排查难度大，若未及时发现根本原因，造成损失大。
（3）引起推力轴承损坏的原因很多，如机组振动故障造成的不稳定性，结构设计及加工质量的影响，安装和运行管理的影响、水推力和电磁力的影响等。同时，所使用推力瓦的材质以及推力轴承的油膜特性也对推力轴承的运行稳定性有着较大影响。
（4）需进行大修时才能整体更换，技术要求高。
（5）弹性金属塑料瓦是巴氏合金推力瓦的升级产品，在JB/T 10180 《水轮发电机推力轴承弹性金属塑料瓦技术条件》中规定：年启停机数不超过1 200次，年运行5 000 h以上的条件下，工作年限不少于15年。但在实际应用中，推力瓦需进行整套更换，在转子起吊后进行安装，综合考虑设备安全性和更换经济性，在运行两个大修周期后进行更换或者换型改造是目前多数电厂采用的管理方式。
（6）国产化产品面临“国产歧视”。管理层害怕承担风险“不敢用”，对国外产品形成依赖“不愿用”。
（7）虽然近些年我国推力瓦制造水平已有所提高，但是大部分水电站在选择时仍然倾向于进口设备，对于国产设备不想用，不敢用，在当前疫情风险严峻、地区冲突营商环境不稳定的背景下，产生极大的运行维护成本。
（8）没有一套系统的推力瓦国产化改造技术路线图。影响因素考虑不全，改造成功与否存在不确定性。
本文从推力瓦设备问题缺陷、运行评估、国产化改造可研性研究、设计阶段复核、生产制造质量控制、运输装配质量控制等多方面对推力轴承国产化改造进行研究，依据科学严谨，实事求是的原则对弹性金属塑料推力轴瓦国产化改造的可行性进行论证，并提出质量控制、结构优化措施，推动国产化改造的成功实施。
推力瓦发生缺陷主要表现为推力轴承温度升高，但是由于造成推力轴承温度升高的因素很多，隐患较为隐蔽，未及时发现易造成烧瓦事故。下面介绍某电厂推力瓦隐患排查过程：
（1）某水电厂2号机组C级检修后，机组运行中出现了推力及下导组合轴承油温瓦温较检修前有明显升高的情况，并且在环境温度较高时，机组长时间高负荷运行后，还会出现油温及推力瓦温一级越限报警。油温瓦温上升显著，幅度达7～8 ℃。
（2）针对该情况，统计分析组合轴承油温、瓦温及各振动摆度数据，均无显著变化；
停机检查组合轴承油位、油质均正常，取油样化验，各项指标均正常。
（3）判断原因有可能为轴瓦间隙偏小或者机组轴系直线度偏大导致轴瓦与大轴摩擦，致使温升变大。需要检修时盘车验证。
（4）对轴承散热性能进行排查。
1）对1～3号发电机风洞内散热设备进行温度测量，分别测量油冷器进出水、进出油、供水总管进出水温度，根据各温度数据，绘制热平衡图，见图1。
图1 油冷却器热平衡图
2）对于两种流体，在理想的热交换情况下，Q=ρ水V水C水Δt水=-ρ油V油C油Δt油，相对流量比为：
式中：ρ、V、C、Δt分别为相应介质的密度、体积流量、比热容、温差，计算油、水的相对流量比值如下：
3）可以发现1、3号机油冷却器的油、水流量比值差别不大，而2号机的则小得多，由于该机组合轴承油温瓦温较高，在冷却水流量不会发生大变化的情况下，判断2号机经过冷却器的循环油流量较小。需要在检修过程中对密封环间隙进行核实。
（5）在机组C修中对上述两种可能性进行核实。
1）对称抱4块下导瓦、4块水导瓦盘车，测量计算联轴法兰对下导滑转子相对摆度为0.002 5 mm/m，远小于要求值0.03 mm/m，说明轴系直线度非常好；
仅对称抱4块下导瓦盘车，测量计算水导滑转子对下导滑转子相对摆度为0.009 8 mm/m，比要求值0.05 mm/m小很多，说明轴系静态摆度很小；
因此排除轴线及导轴承间隙的因素。
2）该水电厂密封环间隙设计值为0.3～0.5 mm，实测间隙多处在1 mm以上。检修中对密封环进行更换。
3）检修后调试，统计推力轴承状态数据发现，密封环处理后下导轴承瓦温恢复正常。推力瓦温有所减小，但是与以前相比仍然偏高。判断可能是推力瓦本体出现问题。
4）在机组A级检修时，发现2号推力瓦小头中部弹性金属复合层与金属瓦基发生开焊，脱开长度25 cm、深4 cm。此时推断，推力瓦温存在上升趋势的根本原因为推力瓦弹性复合层与金属瓦基开焊。检查发现全部推力瓦4个预置磨损检测环已严重磨损，其中2号、8号推力瓦磨损量达到0.23 mm。
（6）对推力瓦的运行状态进行科学评估，是及时发现隐患的先决条件，也是推力瓦国产化改造的重要依据。对推力瓦的状态评估主要步骤为：
1）统计推力轴承油温、瓦温、冷却器进出口温度，通过绘制热平衡图及时掌握系统温度变化情况。
2）统计机组开停机次数、运行小时数、小修中检查推力瓦磨损量，掌握磨损量与机组运行方式的规律。
3）除此之外，部分推力瓦已安装有油膜温度、厚度、瓦温的传感器，可直观掌握推力瓦的运行状态，应定期进行传感器校验。
4.1 国产化改造原则
（1）改造方式为更换整台套推力轴承瓦，在机组A修期间实施。
根据标准要求：同套瓦的力学性能应基本相同，弹性模量、硬度值相差不应大于2倍，或瓦面柔度值相差不超过2倍。瓦间负荷不均匀偏差不得大于3%，从而保证瓦温均匀。部分更换推力瓦，所有瓦面磨合情况不一致，可能会导致部分瓦磨损严重。因此建议进行整台套更换。
（2）新推力瓦采用高性能、应用广泛、环保型、成熟可靠的弹性金属塑料推力瓦。
（3）新推力轴承瓦应满足DL/T 622《立式水轮发电机弹性金属塑料推力轴瓦技术》及JB/T 10180 《水轮发电机推力轴承弹性金属塑料瓦技术条件》的相关要求。
（4）应对原推力轴承相关尺寸进行测量、复核，新推力轴承瓦结构、重要尺寸应与原推力轴承瓦保持一致。
（5）新推力轴承瓦应进行热弹性流体动压润滑计算复核。
4.2 原推力轴承尺寸复核
原推力瓦采用国外进口产品，根据供货商提供的材料特性进行推力轴承润滑特性及推力瓦尺寸设计。现考虑进行国产化替代，则需要对推力轴瓦的尺寸及轴承润滑特性进行复核，必要时调整推力瓦尺寸以满足推力轴承长期安全稳定运行的要求。
推力瓦的重要尺寸为：瓦基内径、外径及厚度，瓦基与弹性层的边距。这些数据决定瓦的承载面积及性能。弹性层总厚度，塑料层有效厚度。周向偏心距（指推力轴瓦支撑中心与瓦面有效承载面积的几何中心在圆周方向的弧长距离）。进出油边的形状及尺寸，决定了油膜的成型及质量。
4.3 计算复核
某电厂每台机组安装12块弹性金属推力轴瓦，推力瓦厂家提供设计参数见表1。
表1 推力设计参数
负荷计算通常采用经典计算、采用有限元计算复核的方法。
4.3.1 经典计算复核
采用经典计算复核推力轴承的损耗小于原计算值。油膜厚度比原计算结果减小0.005 mm，属于可接受误差。温升等其他参数不变。
4.3.2 热弹性流体动压润滑计算复核
热弹性流体动压润滑计算复核结果见图2～图5。
图2 推力瓦变形
图3 推力瓦温度分布
图4 镜板的变形及温度分布
图5 镜板与推力瓦之间的油膜
4.3.3 复核结果
正常运行工况下，油膜的最高温度为66.7 ℃，由于弹性层的导热性差，可以保证油槽温度处于较低水平。推力轴承的最小油膜厚度为46 μm，大于设计基准30 μm，可以满足机组长期的安全稳定运行。
4.3.4 复核结论
对比推力轴承经典润滑计算和热弹性流体动压润滑计算结果，油膜厚度和瓦温略有差异，但是都满足设计基准的要求，确定按照现有尺寸进行加工制造，可以满足机组长期安全稳定运行。
推力瓦的生产制造周期为30～55 d，为了不影响机组A修的主线工期，应提前策划，合理安排合同签订等工作的时间，避免因疫情等不可抗拒的因素，影响最终的主线工期。
5.1 原材料质量控制
5.1.1 金属丝质量把控措施
外观：目测线径均匀、表面颜色一致、无氧化油污现象；
线径：数显卡尺测量；
抗拉强度：参考供方提供的材质报告或性能试验报告中性能参数。
5.1.2 粉料质量把控措施
外观：白色粉末，洁净、质地均匀无色差，不允许夹带金属杂质；
粒度：过筛；
性能：参考供方提供的材质报告中性能参数。
5.1.3 钢基体质量把控措施
外形：符合图纸要求，用样板检测；
厚度：符合图纸要求，检测工具为卡尺；
材质性能及化学成分：参考供方提供的材质报告单，取样进行化验；
内部缺陷：按NB/T 47013.3《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》中质量等级Ⅲ级进行无损检测。
5.2 钢基体退火
加热炉进行退火处理，并做记录。
5.3 钢基体外形加工
铣平面→车内外径及槽→铣两侧边。
质量把控措施：厚度及外形尺寸符合图纸要求，检测工具卡尺。
5.4 瓦面制作
金属丝缠绕、剪断、铺撒、初成型→混料→压制→真空烧结→水切割→真空浸锡。
质量把控措施：混料时环境温湿度控制，混料配比及混合料外观；
瓦面压制后，用千分尺检测瓦面四点厚度，并用强光手电照射瓦面检查无裂纹、气泡、金属丝外露等不良；
瓦面烧结时，设置规定温度及真空度，出炉后用强光手电照射瓦面检查无鼓包、凹坑、裂纹等不良；
水切割后用卡尺检查尺寸符合图纸要求；
真空浸锡后目测外观光亮无杂质附着、无气孔，金属丝不外露。
5.5 钎焊及超声波检测
将挂锡瓦面与钢基体钎焊成一体，按图中四点用卡尺检测厚度符合图纸要求，并按JB/T 10180 中的相关规定检测钎焊质量。
5.6 推力瓦精加工
镗床加工瓦基四周螺孔→加工中心加工瓦基底面U型槽及螺孔→精磨平面→立车精车瓦基底面圆台。
质量把控措施：四周螺孔用卡尺检测孔径、深度及位置；
瓦基底面螺孔用卡尺检测孔径、深度及位置；
U型槽卡尺检测深度，用百分表检测宽度；
瓦面精磨后，用千分尺在4个点位置检测厚度、粗糙度仪在5个点位置检测瓦面粗糙度、用塞尺检测平面度并目测瓦面外观质量；
精车圆台后，用带表外卡规检测圆台直径、用深度千分尺检测圆台高度。
6.1 安装技术标准
推力瓦的装配应系统思考，综合考虑下机架、上下弹性圆盘。
6.2 预装配工艺
（1）推力瓦回厂后，进行单件尺寸检查，并做好记录。
（2）对于采用弹性圆盘作为支撑结构的，复测上、下弹性圆盘的单件高度，并做好记录。
根据各测量尺寸，将推力瓦与已配对的上下弹性圆盘进行择优组合，要求组合高度尽量一致。
（3）搭设模拟下机架，将配对的上弹性圆盘和推力瓦装配，依次组装其余各零件。
（4）检查销与推力瓦凹槽之间的间隙、支持环与推力瓦之间的间隙，并做好检查记录。
（5）吊装推力镜板放置于推力瓦表面，检查推力镜板与工装板（模拟下机架）之间的距离，用塞尺检查推力镜板与推力瓦之间的间隙，要求各组推力瓦与弹性圆盘的组合高度差在0.02 mm以内（0.02 mm塞尺通不过）。
（6）预装合格后，推力瓦与弹性圆盘打上配对标记，并按推力轴承装配图对推力瓦按No.1～No.12进行编号。
6.3 下机架水平检查调整
6.3.1 下机架水平测量
在打紧销钉和螺栓的情况下，用塞尺检查下机架支臂与基础板结合面无间隙，选取下机架机加工面4个方位用光学合像水平仪测得下机架水平度。
6.3.2 计算下机架最大水平度
综合下机架各方位两个水平度测量值取平均，得出Y方位水平度=（0.07+0.05）/2=0.06 mm/m,X方向水平度=（0.03+0.02）/2=0.025 mm/m，如图6所示，根据勾股定理，得出下机架最大水平方位在5号支臂与6号支臂之间，与Y轴逆时针方向夹角为23°,最大水平度为0.065 mm/m。
图6 下机架示意图
已知下机架基座直径9 000 mm，最大水平度0.065 mm/m,计算得出下机架最大加垫厚度=0.065 mm/m×9 m=0.585 mm。
6.3.3 下机架支臂加垫计算
根据计算结果，下机架最大水平方位在5号支臂与6号支臂之间，与Y轴逆时针方向夹角为23°,最大水平度为0.065 mm/m。通过圆心作直径与Y轴逆时针方向夹角为23°，标出下机架最大水平方位，以每0.05 mm加垫厚度为单位，将下机架最大水平方位直径12等分，各支臂加垫厚度为：
1号：0.15 mm；
2号：0.45 mm；
3号：0.55 mm；
4号：0.45 mm；
5号：0.10 mm；
6号：0 mm。
6.3.4 依据镜板水平调整下机架支臂加垫厚度
推力瓦改造后，下机架各支臂按此方案进行加垫后将镜板落放在下机架上，选取镜板4个方位用光学合像水平仪测得镜板水平度，已知下机架基座直径9 000 mm，镜板最大水平方向为+Y侧高0.03 mm/m,计算得出下机架最大加垫厚度=0.03 mm/m×9 m=0.27 mm。以每0.05 mm减垫厚度为单位，将下机架最大水平方位直径5等分，各区域减垫厚度如表2。
表2 各区域加垫厚度
实施前，设备均采用进口产品，维护成本高。受限于疫情等因素，设备成本急剧上涨。改造后推力瓦及传感器等附属部件均采用国产产品，有效降低了设备采购成本和采购周期。
习近平总书记强调：创新是企业经营最重要的品质，也是今后我们爬坡过坎必须要做到的。关键核心技术必须牢牢掌握在我们自己手中。实现推力瓦及附属传感器国产化，整体性能指标达到了同类设备先进水平，解决了“关键部件过于依赖进口，关键技术受限于人”的问题，创新了设备国产化改造的技术路线图，具有良好的推广效益。
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