张 杰 英

（呼伦贝尔职业技术学院，呼伦贝尔 021000）

0 前言

推力轴承是立轴式水轮发电机组的关键部件之一，承担着机组运行过程中产生的所有轴向推力负荷，并通过推力轴承支撑结构向周围混凝土基础传递。通常情况下，单机容量较小的机组因其推力负荷较小，可以选择将推力轴承布置在机组顶部的上机架上，只需保证上机架具有足够的刚度即可；而阶式推力轴承主要应用在多级抽水蓄能机组上，由于相对较长的水轮机轴需要在尾水管直锥管下面位置布置一个下导轴承，使部分推力负荷直接传递到厂房较下部的混凝土上；对于高水头和中低水头段的混流式、轴流式水电机组而言，采用发电机下机架支撑推力轴承的布置方案是比较普遍的，且在机组运行稳定性方面获得了业内的高度认可[1]。

本文主要针对中低水头段的水轮发电机组，通过与由发电机下机架支撑推力轴承的布置方案进行综合对比，进一步说明将推力轴承支架置于水轮机顶盖或支持盖上的布置方案为机组设计及厂房建设所带来的优点和效益。

1 推力支撑方式

1.1 下机架支撑方式

混流式水电机组的推力轴承支撑方式通常采用的是下机架支撑，如图1所示。这种方式是将推力轴承安装在下机架上，转动部分的重量G和水轮机运行过程中产生的轴向水推力Fa均通过下机架传递到混凝土基础上，同时下机架还承受由径向导轴承传递的径向力FR。

对于低水头的轴流式水电机组而言，早期的设计较倾向于采用推力轴承支架的支撑方式来传递轴向推力负荷，如上世纪80年代的葛洲坝电站[2]。但是，随着水电技术的发展，越来越多的业主为了增大水车室的操作空间，使整体布局更加合理，往往要求采用下机架的支撑方式进行设计，具体布置如图2所示。

1.2 推力轴承支架支撑方式

推力轴承支架主要布置在混流式水轮机的顶盖上或轴流式水轮机的支持盖上，推力轴承安装在推力轴承支架顶部，如图3和图4所示。转动部分重量G和轴向水推力Fa将通过推力轴承支架传递到水轮机顶盖或支持盖上，再由顶盖向机坑周围混凝土基础传递。采用这种支撑方式的机组一般另设下导径向支撑结构或采用上导、水导两导支撑方式而不设下导支撑的设计方法。

2 推力支撑结构力学分析

无论是混流式还是轴流式水电机组，经选型和初步设计后，一般情况下，推力支撑结构所承担的最大轴向推力负荷基本上可以得到确定。因此，从技术角度讲，具体采用哪种推力支撑方式，需要对推力支撑结构进行系统的力学分析，并根据总体设计的合理性来评价结构的优缺点。

2.1 结构受力分析

立轴式水轮发电机组的轴向推力负荷1F主要由转动部分的重量G和水轮机运行过程中产生的轴向水推力Fa构成，轴向推力负荷F可表示为

轴向推力负荷1F主要作用于推力支撑结构上，并由推力支撑结构向周围混凝土基础传递。

水轮机顶盖或支持盖作为导水机构的重要部件，其过流面将承受来自流道内的水压力P产生的向上的作用力F2，F2可表示为

式(2)中S为过流面的面积。

F1和F2作为支撑部件的主要载荷，其大小直接影响到支撑部件的刚强度性能。因此，载荷的合理分配和支撑部件的优化设计等因素在一定程度上均能保证机组的运行稳定性。

图 5为不同电站作用在支撑部件上的 F1和F2的对比图。其中，凯恩吉和桐子林电站的推力支撑方式为下机架支撑，乐滩、葛洲坝、大复兴和山图迪斯电站的推力支撑方式为推力轴承支架置于顶盖或支持盖上方的形式。

图5 不同电站支撑部件的受力情况

2.2 下机架的刚强度分析

下机架的设计主要就是为了支撑整个机组的轴向推力负荷。为了保证机组的稳定运行，下机架必须具有足够的轴向刚度和径向刚度。因此，下机架通常被设计为箱式结构，并通过对称均布设计的支臂与基础混凝土固结来传递载荷。图6为某水电站下机架的有限元计算模型。计算结果表明，下机架的轴向变形除了与支臂数量、板厚配置有关外，对其轴向刚度影响最大的因素主要取决于下机架的设计高度，下机架高度与轴向变形的关系曲线如图7所示。

由此可见，为了保证下机架的轴向变形在机组运行要求的范围之内，合理控制下机架的轴向变形势必会增加下机架的高度，从而导致整个轴系加长，并进一步增加厂房的设计高度。

图6 下机架有限元计算模型

图7 下机架高度对结构轴向刚度的影响

2.3 推力轴承支架支撑方式的联合受力分析

推力轴承支架一般采用直锥型设计，通过法兰与顶盖或支持盖连接，在设计时既要保证推力轴承支架本身的刚强度，还要考虑顶盖或支持盖的支撑刚度。因此，这种支撑方式需要对推力轴承支架、顶盖、支持盖及导流锥进行联合受力分析[3]。图8为某轴流式水电机组推力轴承支撑结构的有限元联合受力计算模型，机组在正常运行工况下的计算结果如表1所示，表1中负号表示变形方向向下。

图8 推力轴承支架支撑结构联合计算模型

表1 推力轴承支架支撑结构计算结果

由表1可知，推力轴承支架支撑结构中各部件的应力水平是很低的，不是设计的主要矛盾。从变形情况来看，尽管推力轴承支架的总体轴向变形是最大的，变形量达到3.75mm，但是其中大部分的变形来自于顶盖和支持盖轴向变形量的累加，而其自身的变形仅为1.01mm，因此，提高顶盖、支持盖的轴向刚度才是设计考虑的重点。

3 推力轴承支架支撑方式的优点

3.1 降低轴向力

水轮机顶盖和支持盖是按照能够抵抗过流面水压力产生较小变形而设计的，如果变形过大将会影响导水机构的顺利操作和主轴密封装置的可靠性[4]。对于高水头的混流式水轮机而言，在正常运行工况下，水推力大约占顶盖过流面水压力产生的向上总力的 10%，对于低水头混流式和轴流式水轮机来说，这个比较值可能会达到 80%左右[5]。因此，当采用下机架支撑方式时，既要保证下机架的轴向支撑刚度，又要提高顶盖和支持盖的轴向刚度来抵御水压力产生的变形，其后果是顶盖和支持盖的刚度要高于下机架的刚度。显然，顶盖和支持盖完全可以支撑轴向推力负荷。

在选择低水头水轮机的推力支撑方式时，如果采用推力轴承支架支撑方式，考虑到转动部分重量因素，总的轴向推力负荷往往要高于顶盖、支持盖及导流锥的过流面水压力产生的向上的总力，由于两种力的方向相反，可以形成相互抵消并达到降低总体轴向力的明显效果，如图9所示。

3.2 减小基础负荷

无论是选择哪种支撑方式，机组运行时产生的轴向力和径向力均由支撑结构传递到混凝土基础上。当采用下机架来支撑推力负荷时，混凝土基础不仅受到水推力和转动部分重量所形成的向下的力，还要承担来自顶盖、支持盖及导流锥等过流面水压力形成的向上的作用力，从设计上增加了混凝土基础的负担。如果采用推力轴承支架的支撑方式，混凝土基础上的负荷分布将会有所不同，所有的轴向负荷均通过顶盖和固定导叶传递给混凝土，由于蜗壳的存在，这部分混凝土是很难加固的。因此，这些力由于获得了部分平衡而使固定导叶上方的混凝土受力大幅降低， 可以达到减轻混凝土受力的目的。

3.3 缩短轴系

由于推力轴承支架置于顶盖或支持盖上，当整个轴系具有两个导轴承的情况下，可以使发电机不设置下机架，或者轴系具有三个导轴承时，由于下机架不承受轴向载荷，可以最大限度地降低下机架的高度尺寸，从而使整个轴系缩短，同时还可以保持机坑的入口高度，这一变化显然会减小厂房的高度。如Tucurui一期工程（轴系设2个导轴承），将推力轴承置于顶盖上的设计使导水机构中心线和发电机中心线间的距离减小28%，减小的高度相当于转轮直径的46%，另一个例子是 Ralco电站（推力轴承安装在下机架上）和Chicoasen电站（推力轴承支架置于顶盖上）的对比，这两台机组具有相同的转轮直径、3个导轴承以及非常接近的水头设计，在这种情况下，推力轴承支架的支撑方式使轴系高度的减小量达到 16%，相当于转轮直径的35%[6]，如图10所示。两种不同推力支撑方式产生的经济效益是显而易见的。

图10 Chicoasen电站(左)和Ralco电站(右)

3.4 控制顶盖变形的有利原则

对于低水头水轮机而言，在机组正常运行工况下，轴向推力负荷与顶盖、支持盖及导流锥等部件过流面受到的水压力形成的合力是非常接近的，采用推力轴承支架支撑方式使轴向负荷抵消后，有利于控制顶盖、支持盖的轴向变形。

图11为某水电站采用推力轴承支架和下机架两种支持方式下顶盖、支持盖的变形情况，表2为两种支撑方式下顶盖、支持盖轴向变形的对比结果。从表 2可以看出，将推力轴承支架置于支持盖上的支撑方式的轴向变形方向向下，而采用下机架支撑方式的轴向变形方向向上，且顶盖、支持盖和导流锥的轴向变形均高于推力轴承支架支撑方式下轴向变形2倍以上。这一对比数据充分说明推力轴承支架置于顶盖、支持盖上的设计对支撑结构的轴向变形具有很大影响，并且可以有效减轻固定导叶上方混凝土的受力。从推力轴承支架支撑方式的轴向变形图可以看出，整个支撑结构的最大轴向变形为-2.47mm，出现在推力轴承支架上，其自身的轴向变形为1.11mm，如果针对推力轴承支架进行提高刚度设计来控制自身变形，便可以在尺寸相对较大的顶盖、支持盖结构上进行适当优化来实现大部件的降成本设计。

表2 2种支撑方式顶盖、支持盖轴向变形对比结果

图11 两种支撑方式下顶盖、支持盖的轴向变形

对于采用下机架的推力支撑方式，来自轴向的推力负荷、过流面水压力分别作用在下机架和顶盖、支持盖上，在结构设计时必须同时满足两种受力结构的支撑刚度要求，因此，势必会造成钢材重量的增加，不符合优化设计原则。

4 结语

水轮发电机组的推力支撑对于机组的运行稳定性具有至关重要的作用。本文从轴向推力负荷和支撑刚度两方面综合考虑，论述了采用下机架和推力轴承支架两种支撑方式的差异。分析表明，对于中低水头段的混流式、轴流式水电机组而言，选择推力轴承支架置于顶盖或支持盖上的支撑方式，不仅可以对支撑部件进行合理优化，还可以适当降低厂房高度，实现巨大的经济效益。

[1] 黄源芳, 刘光宁, 樊世英.原型水轮机运行研究[M].北京: 中国电力出版社, 2010.

[2] 赵明生, 梁维燕, 等.葛洲坝水电站水轮发电机组研制概况[M].北京: 机械工业出版社, 1990.

[3] 庞立军, 钟苏.带圆筒阀的水轮机顶盖轴向刚度主要影响因素分析[J].大电机技术, 2010,(1)：54-57.

[4] J.A.A.Casagrande, M.Couston, JC.Diana.Operating experience of The Tucurui Francis turbines[C].Water Power and Dam Construction,February 1991.

[5] R.Blanc-Coquand, S.Lavigne，JL.Deniau.Experimental and Numerical Study of Pressure Fluctuations in High Head Pump-Turbine[C].IAHR 2000.

[6] JL.Deniau, F.Freynet, G.Vuillerod.Analyse des sollicitations dynamiques d'une turbinepompe de haute chute[C].SHF，1997.