水轮发电机组水导瓦材质性能的对比分析

2019-01-17李金泽谢克非

浙江水利水电学院学报 2018年6期

李金泽，谢克非

(南昌工程学院机械与电气工程学院，江西南昌 330099)

水导瓦是水轮发电机组重要的部件之一，传统水导瓦采用巴氏合金作为其材质，但由于其可靠性差，摩擦损耗大，现广泛使用橡胶、弹性金属塑料作为其材质，又常称之为橡胶瓦、塑料瓦。弹性金属塑料瓦广泛使用在水轮发电机组中，具体采用金属板为基体，改性聚四氟乙烯材料为表面摩擦材料，并在改性聚四氟乙烯材料中，加入一定的弹性金属丝，经特殊工艺制作而成。

1 水轮发电机组水导瓦材质的演变

随着水电机组的功率、容量的不断增加，水轮发电机组水导瓦材质先后经历了多种变更，最早大量使用巴氏合金材质，后演变为现今的小功率机组橡胶材质，大功率机组聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯等材质。

1.1 巴氏合金材质

水轮发电机组水导瓦最早广泛使用巴氏合金做为其材质使用，巴氏合金是由美国人巴比特发明，因具有良好的减摩性、耐磨性而得名，因其质百又称为百合金[1]，自此，巴氏合金逐渐在各个领域开始应用开来。在20世纪上半叶，巴氏合金的认识和应用已经非常成熟[2-5]，国内方面对其的探究也非常之多[6-7]，根据知网收录信息来看，最早的来源于1954年M·穆次尼克与袁明发表的文献，在浇筑发动机轴承使用巴氏合金作为发动机轴承的瓦片[8]，表明巴氏合金在当时就已经在各种机械设备中成熟应用起来。

巴氏合金材质本身的性能及发展探究，近年来，国内方面也有不少的建树。例如在2016年秦卓及他的团队在热加工工艺期刊上发表的文献，就对巴氏合金的特性、研究进展情况及制备技术等多方面进行了详细的总结及整理(见表1)，系统客观的让后续研究者对巴氏合金有了一个清晰、完整的了解[9]。

表1 常用巴氏合金的物理和力学性能

此外，还有在2012年孙艳明在广东化工期刊上发表的文献，就具体详细的对巴氏合金进行了性能分析，通过拉伸实验、金相及形貌分析实验等多种实验对巴氏合金的拉伸强度、内部结构等多项性能进行了详细的数据刻画[10]。

1.2 橡胶材质

一般在320 kW以下的小功率水轮发电机组，水导瓦常使用橡胶材质作为其材质。橡胶材质具有耐磨、柔性好摩擦系数好等特点，特别是在水下不易老化、不易损坏，所以作为水轮发电机组耐磨块材料具有相当的优势。但橡胶材质在耐高温方面表现出的性能不够强力，水轮发电机组主轴在运转的时候起到水导瓦需要起到摩擦保护的作用，同时约束轴线位移和防止轴的摆动，而大功率机组必然摩擦产热更加严重，橡胶材质在大功率机组应用就存在很大的材质缺陷，不能满足大功率机组的需求。

橡胶最早发现于1736年，法国科学家康达敏从秘鲁带回有关橡胶树的详细资料，出版了《南美洲内地旅行记略》，书中详述了橡胶树的产地、采集乳胶的方法和橡胶的利用情况，引起了人们的重视。1876年，英国人魏克汉亚马逊河热带丛林中采集7万粒橡胶种子，送到英国伦敦皇家邱植物园培育，然后将橡胶苗运往新加坡、斯里兰卡、马来西亚、印度西亚等地种植并获得成功，至此，橡胶逐渐应用于各个领域中[11-12]。

此外，国内橡胶材质的研究程度也非常之深[13-15]。根据知网收录的信息，国内领域可供参考的对橡胶的学术研究最早来源于1946年，化学世界期刊上发表了一篇对橡胶材料的文献，这篇文献发表时正处于抗日战争结束，国共战争开始时期，由于战争的影响，橡胶的来源断绝，需要人工合成橡胶大量代替传统橡胶[16]。在近代，橡胶材质逐渐应用于多种领域，水利领域的应用比较有代表性的如2003年马勇发表的文献，文章中提到利用橡胶耐磨、柔性好的特点，将其应用到金沟河电站渠首排沙闸混凝土底板防磨技术上，获得了显著的耐磨效果[17]。此外，在2009年刘大燕及她的团队发表的文献也具有很大的典型性。文章中以上犹江水电站为例，重点提出了机组大修时，橡胶瓦水导轴承间隙调整大小，方式的具体计算(见表2)，图1描述了橡胶瓦水导轴承存在的缺陷[18]。

表2 水导计算间隙 ×0.01 mm

图1 瓦间隙计算示意

1.3 聚四氟乙烯材质

聚四氟乙烯(PTFE)，俗称“塑料王”，在20世纪30年代末期发现，40年代投入工业生产，是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。国家“十二五”期间将氟塑料作为重点发展的化工新材料中的一项，其已被国家放于重要的战略地位[19]。

由聚四氟乙烯制成的塑料瓦，是在1969年前苏联制成的，当时为铜粉塑料瓦，应用于上斯维尔水电机组的推力轴承上，紧接着，前苏联古比雪夫航空学院又研制出青铜丝弹性金属塑料瓦，并应用于列宁-伏尔加水电站上，通过八年多的运行，熟练掌握并应用开弹性金属塑料瓦的优越性能，随后，逐渐在国外受到研究者对其的进一步重视与研究[20-22]。

国内对塑料瓦材质的研究极为广泛与深入[23]，根据知网收录的情况来看，自1964年至今发表与塑料瓦有关的文献达300多篇，从塑料瓦的性能探究、应用，及发展都极为全面。在材质本身性能探究的代表性文献，例如2001年的由陈君钫发表的关于弹性金属塑料瓦的探究，文献中具体谈及到国外通过对普通塑料瓦添加添加剂，进一步进行性能的强化探究及实验[24]。此外，还有2009年桂世华发表的文献，在其中就对塑料瓦的发展历程，国内外塑料瓦的性能比较(见表3)，与传统巴氏合金的比较等多方面系统的阐述了塑料瓦的变更[25]。