CN221032914U - 混流式水轮机组推力轴承及推力载荷系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种混流式水轮机组推力轴承及推力载荷系统，推力轴承包括转动轴；推力头，套设于转动轴设置，推力头包括具有中空部的筒本体、施力部和承力部，施力部在筒本体沿轴向上的一端凸向中空部设置，承力部在筒本体沿轴向上的另一端背向中空部凸出设置；镜板，呈环状设置于推力头的承力部背向施力部的端面；推力轴承座，沿轴向上设置于镜板背向推力头一侧；推力轴瓦，呈环状分布于推力轴承座与镜板之间，推力轴瓦包括沿径向分布的多段面拓展瓦块，面拓展瓦块固定连接于推力轴承座；镜板与面拓展瓦块相对滑动连接。本申请通过采用面拓展瓦块，改变瓦块结构，能够有效增加动压油膜面积，提升载荷的同时，降低制造成本，便于检修。

Description

混流式水轮机组推力轴承及推力载荷系统

技术领域

本申请涉及水力机械及工程设备技术领域，具体涉及一种混流式水轮机推力轴承及推力载荷系统。

背景技术

水力发电机组中常见的一种为混流式水轮机，随着发展，其机组单机容量不断增加，尺寸不断扩大，对于其轴承的承载能力提出了更高的要求；现有技术中，通常采用可变瓦块倾角的方式来增加轴承负荷，但同时会产生相应的油膜温度升高，运行不稳定等问题，需要从瓦块结构等其他方面进行改进。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种混流式水轮机推力轴承及推力载荷系统，通过改变瓦块结构，增大瓦块与镜板的接触面积，从而增大动压油膜面积，提升推力轴承的承载能力。

第一方面，本申请实施例提供一种混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，包括：

转动轴；推力头，套设于转动轴设置，推力头包括具有中空部的筒本体、施力部和承力部，施力部在筒本体沿轴向上的一端凸向中空部设置，承力部在筒本体沿轴向上的另一端背向中空部凸出设置；镜板，呈环状设置于推力头的承力部背向施力部的端面；推力轴承座，沿轴向上设置于镜板背向推力头一侧；推力轴瓦，呈环状分布于推力轴承座与镜板之间，推力轴瓦包括沿径向分布的多段面拓展瓦块，面拓展瓦块固定连接于推力轴承座；镜板与面拓展瓦块相对滑动连接，各面拓展瓦块在镜板上的正投影面积S1与推力轴瓦在镜板上的正投影面积S之比满足1：18。

根据本申请的实施例，面拓展瓦块呈扇形段且包括内弧形边缘、外弧形边缘和侧边缘，侧边缘连接于内弧形边缘与外弧形边缘，多段面拓展瓦块的内弧形边缘的连线围绕中心点呈第一圆环分布，中心点至第一圆环的半径尺寸为1770mm，多段面拓展瓦块的外弧形边缘的连线围绕中心点呈第二圆环分布，中心点至第二圆环的半径尺寸为2515mm。

根据本申请的实施例，相邻面拓展瓦块的侧边缘之间的间隔为35mm。

根据本申请的实施例，面拓展瓦块倾角保持不变。

根据本申请的实施例，混流式水轮机组推力轴承还包括下机架、内挡油环和外挡油槽，推力轴承座可固定连接于下机架内侧，内挡油环固定连接于下机架靠近转动轴一侧，外挡油槽固定连接于下机架远离转动轴一侧。

根据本申请的实施例，下机架、内挡油环和外挡油槽共同形成储油箱。

根据本申请的实施例，储油箱还包括检修盖，检修盖盖覆于外挡油槽与推力头之间预留的开口。

根据本申请的实施例，混流式水轮机组推力轴承还包括下导轴承，下导轴承包括下导轴瓦和支撑件，下导轴瓦与承力部紧压滑动连接，支撑件固定连接于外挡油槽。

根据本申请的实施例，混流式水轮机组推力轴承还包括环键，桥接于转动轴与推力头连接处，将转动轴与推力头固定连接。

另一方面，提供一种混流式水轮机组推力载荷系统，采用任意一种如前的混流式水轮机组推力轴承。

本申请实施例提供的混流式水轮机推力轴承及推力载荷系统，采用面拓展瓦块，改变瓦块结构，能够有效增加动压油膜面积，在保持瓦块温度和运行稳定的前提下，提升推力轴承的承载能力，降低制造成本，便于检修。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其他特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的混流式水轮机组推力轴承的一种剖面结构示意图；

图2是图1所示推力轴瓦中面拓展瓦块的一种分布结构与设置方式示意图；

图3是本申请另一实施例提供的混流式水轮机组推力轴承的一种剖面结构示意图。

具体实施方式中的附图标号如下：

1000-混流式水轮机组推力轴承；1-转动轴；2-推力头；21-筒本体；211-中空部；22-施力部；23-承力部；3-镜板；4-推力轴瓦；41-面拓展瓦块；411-内弧形边缘；412-外弧形边缘；413-侧边缘；5-推力轴承座；6-储油箱；61-下机架；62-内挡油环；63-外挡油槽；64-检修盖；7-下导轴承；8-环键；S-推力轴瓦在镜板上的正投影面积；S1-面拓展瓦块在镜板上的正投影面积；R1-第一圆环半径；R2-第二圆环半径；d-面拓展瓦块侧边缘之间间隔。

具体实施方式

下面将详细描述本申请各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

需说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，本申请实施例提供了一种混流式水轮机组推力轴承1000，包括：转动轴1、推力头2、镜板3、推力轴瓦4和推力轴承座5。

转动轴1为圆柱，与混流式水轮机组的叶片通过螺丝、销钉等方式固定连接，当叶片通过水流的推动而转动时，将带动转动轴1围绕其中心轴线发生转动；其另一端则与发电机相连，水流的运动通过转动轴1的转动，转化成为电能并储存。

推力头2为圆筒，套设于转动轴1上，推力头2包括具有中空部211的筒本体21、施力部22和承力部23，施力部22在筒本体21沿轴向上的一端凸向中空部211设置，施力部22与转动轴1可以通过螺丝、销钉等方式固定连接或采用过盈配合；承力部23在筒本体21沿轴向上的另一端背向中空部211凸出设置；因为转动轴1除了随叶片转动而转动以外，还受水流和其他机械结构如叶片本身重量带来的冲击力和重力的影响，承受来自轴向方向的力，即推力，推力头2中的施力部22与转动轴1配合，将转动轴1受到的推力传递到推力头2的承力部23进行分担承载，增加转动轴1所能负载的水流量，提高发电效率。

镜板3为圆环，设置于承力部23背向施力部22的端面，与推力头2配合，朝向推力头2的一侧与推力头2固定连接，背向推力头2的一侧为光滑表面，涂覆有润滑油，因为推力头2通常表面粗糙，需要在承力部23所在的端面额外增加一层镜板3，保证后续承载推力的动压油膜顺利形成。

推力轴承座5沿轴向上设置于镜板3背向推力头2一侧，用于承载推力轴瓦4。

推力轴瓦4，呈环状分布，包括沿径向分布的多段面拓展瓦块41，面拓展瓦块41通过螺丝、销钉等方式固定连接于推力轴承座5，面拓展瓦块41同样涂覆有润滑油。

混流式水轮机组推力轴承1000组装至运行过程中，将镜板3涂覆有润滑油背向推力头2的一侧和同样涂覆有润滑油的面拓展瓦块41进行紧压，然后转动轴1开始缓慢转动，使得镜板3和面拓展瓦块4开始相对滑动；

开始旋转时，粘附在镜板3表面的润滑油层的运动速度与镜板3随推力头2、转动轴1的运动速度相同，而粘附在面拓展瓦块41上的润滑油层，以混流式水轮机组推力轴承1000作为参照系，运动速度则为零；在这样的情况下，粘附于镜板3表面的润滑油层与粘附于面拓展瓦块41的润滑油层产生了速度差，镜板3与面拓展瓦块41之间的润滑油层，速度自镜板3表面至面拓展瓦块41逐渐降低，相当于润滑油层在周向上受到了剪切，由于润滑油具有一定的黏度，对润滑油层进行剪切也需要作用一定周向上的力，即转动轴1转动产生的力；

而对材料进行剪切时，会额外产生与作用力大小相同的一对力，这对力大小与作用力相同，方向则与作用力的方向垂直，即产生了垂直作用于镜板3表面和面拓展瓦块41表面的力，使得镜板3表面与面拓展瓦块41表面本该在相对滑动中摩擦的两个表面能够分开，在两者之间形成动压油膜，而动压油膜的承载能力要远大于普通机械结构的承载能力。

进一步地，为了维持油膜压力稳定长时间存在，如果将镜板3表面与面拓展瓦块41表面保持平行，在产生动压油膜之后，除需要不断补充润滑油之外，润滑油从运动速度为零的面拓展瓦块表面一侧进入，流速较慢，从运动速度为旋转速度的镜板表面一侧甩出，流速较快，速度不同造成流量不相等，出油量要大于进油量，导致镜板3与面拓展瓦块41间油层压力迅速消失；因此，需要将面拓展瓦块41沿运动方向呈一定倾角设置，即形成向运动方向逐渐收敛的楔形间隙，使得进油口面积增大，出油口面积减小，能够使出油量与进油量流量相等，维持油膜压力存在。

下面将对面拓展瓦块41的数量和面积的设置方式进行进一步说明：

动压油膜所能提供的支撑力与动压油膜所承载的压强与动压油膜的面积呈正相关；现有技术中，为了进一步提升载荷，通常采用改变推力轴瓦4的瓦块倾角的方式来增加载荷，但是改变倾角，减小油膜厚度，增大油膜承载的压强，从而增大油膜的支撑力可能相应带来油膜温度升高、运行不稳定等问题；而本申请通过对推力轴瓦4的瓦块的数量与瓦面进行优化设计，即对动压油膜的面积增加以提高支撑力，但一味增加推力轴瓦4的瓦块面积，从而增加动压油膜的面积，在运行过程中瓦块会因油膜压力而弹性变形和因瓦块内部温度发生热变形，超出所预设的误差范围后，会造成瓦块温度升高，推力轴承运行不稳定的情况。

因此，针对不同工况下，对混流式水轮机组推力轴承1000进行热流体动力学(THD)分析数值计算，本申请提供一种最优的瓦块数量和面积的设置方式，提升载荷的同时，保证运行稳定性，延长机组使用寿命。

请参阅图2，本申请中面拓展瓦块41采用如下的设置方式：

面拓展瓦块41呈扇形段，其拼合后为一个完整的圆环，拆分后，每个单面拓展瓦块41包括内弧形边缘411、外弧形边缘412和侧边缘413，侧边缘413连接于内弧形边缘411与外弧形边缘412，两个相邻的面拓展瓦块41通过侧边缘413相对排列拼合形成一个完整的圆环，多段面拓展瓦块41的内弧形边缘411的连线围绕中心点呈第一圆环分布，外弧形边缘412的连线围绕中心点呈第二圆环分布；

表一不同面拓展瓦块的设置方案所能承载的轴向力和运行温度对比

表一为不同面拓展瓦块的设置方案所能承载的轴向力和运行温度的对比表格；采用方案一的设置方式，使用16块面拓展瓦块41，内弧形边缘411组成的第一圆环半径R1为1800mm，外弧形边缘412组成的第二圆环半径R2为2500mm，两个相邻的面拓展瓦块41侧边缘413之间间隔d为50mm，面拓展瓦块41的设置倾角为0.0045°，能够承载的轴向力为2680N，运行平均温度为73.9621℃，运行最高温度为116.75℃；采用方案二的设置方式，使用18块面拓展瓦块41，内弧形边缘411组成的第一圆环半径R1为1770mm，外弧形边缘412组成的第二圆环半径R2为2515mm，两个相邻的面拓展瓦块41侧边缘413之间间隔d为35mm，面拓展瓦块41的设置倾角为0.0045°，能够承载的轴向力为1864.8N，运行平均温度为72.2816℃，运行最高温度为101.98℃；采用方案三的设置方式，使用18块面拓展瓦块41，内弧形边缘411组成的第一圆环半径R1为1800mm，外弧形边缘412组成的第二圆环半径R2为2500mm，两个相邻的面拓展瓦块41侧边缘413之间间隔d为50mm，面拓展瓦块41的设置倾角为0.0045°，能够承载的轴向力为1612N，运行平均温度为71.665℃，运行最高温度为99.98℃；采用方案四的设置方式，使用24块面拓展瓦块41，内弧形边缘411组成的第一圆环半径R1为1750mm，外弧形边缘412组成的第二圆环半径R2为2550mm，两个相邻的面拓展瓦块41侧边缘413之间间隔d为25mm，面拓展瓦块41的设置倾角为0.0045°，能够承载的轴向力为1396.9N，运行平均温度为68.8524℃，运行最高温度为91.49℃；采用方案五的设置方式，使用24块面拓展瓦块41，内弧形边缘411组成的第一圆环半径R1为1770mm，外弧形边缘412组成的第二圆环半径R2为2515mm，两个相邻的面拓展瓦块41侧边缘413之间间隔d为35mm，面拓展瓦块41的设置倾角为0.0045°，能够承载的轴向力为1230.8N，运行平均温度为65.93℃，运行最高温度为87.35℃。

其中，采用方案二的面拓展瓦块41的设置方式为最优，每个面拓展瓦块41在镜板3上的正投影面积S1与推力轴瓦4在镜板3上的正投影面积S之比为S1：S＝1:18，即一共18个面拓展瓦块41拼合形成完整的圆环；第一圆环半径R1尺寸为1770mm，第二圆环半径R2尺寸为2515mm；两个相邻的面拓展瓦块41侧边缘413之间间隔d为35mm；面拓展瓦块41相对于镜板3的倾角保持不变。

采用此设置方式，通过计算得出，在面拓展瓦块41温度可控范围(5％范围内)，能够提升33.5％的载荷，有效提升了混流式水轮机组推力轴承1000承载能力。

作为对比，方案一和方案五采用的面拓展瓦块41的设置方式，其平均温度和最高温度不处于可控范围(5％)，运行温度过高会导致面拓展瓦块41处于高温状态，容易变形烧毁；运行温度过低会导致润滑油的粘度增加，进而导致面拓展瓦块41和镜板3之间的润滑不良，造成轴承器件损毁；

而在方案二、三和四中，即温度处于可控范围(5％)内，方案二中推力轴瓦4在镜板3上的正投影面积S最大，所能承载的轴向力最大，提升载荷比例最大，因此能够最大化提升混流式水轮机组推力轴承1000的承载能力。

本申请实施例提供的混流式水轮机组推力轴承1000，通过采用最优的面拓展瓦块41的数量和面积设置方式，在温度可控和运行稳定的前提下，能够提升混流式水轮机组推力轴承1000的载荷，并且减少面拓展瓦块41数量，降低成本，减少安装步骤，方便检修，提升可靠性。

下面将对本申请其他实施例进行说明：

请参阅图3，在一些可行的实施例中，混流式水轮机组推力轴承1000还包括下机架61，推力轴承座5可以固定于下机架61内侧，为推力轴承座5提供固定支点；内挡油环62，可以通过螺丝、销钉等方式固定连接于下机架61靠近转动轴1一侧，防止润滑油从转动轴1一侧甩出过多，造成浪费；外挡油槽63，可以通过螺丝、销钉等方式固定连接于下机架61远离转动轴1一侧，防止润滑油从远离转动轴1一侧甩出，造成浪费；

下机架61、内挡油环62和外挡油槽63可以共同形成储油箱6，储油箱6可以容纳润滑油，润滑油从内挡油环62一侧吸入面拓展瓦块与镜板之间，并从外挡油槽63一侧甩出，通过下机架61容纳并流动重新来到内挡油环62一侧，形成循环，增加润滑油的使用效率；

储油箱6还包括检修盖64，检修盖64盖覆于外挡油槽63与推力头2之间预留的开口，方便对混流式水轮机组推力轴承1000、面拓展瓦块41及储油箱6进行检修，随时补充润滑油。

请参阅图3，在一些可行的实施例中，混流式水轮机组推力轴承1000还包括下导轴承7，主要承受转动轴1产生的径向力，即提升转动轴1产生径向上的晃动和冲击时的承载力；下导轴承7包括下导轴瓦71和支撑件72，支撑件72通过螺丝、销钉等方式固定连接于外挡油槽63，下导轴瓦71与承力部23紧压后，相对滑动连接，下导轴瓦71与承力部23均涂覆有润滑油，在形成动压油膜后通过动压油膜提供支撑力。

请参阅图3，在一些可行的实施例中，混流式水轮机组推力轴承1000还包括环键8，桥接于转动轴1和推力头2连接处，通过环键8将转动轴1与推力头2固定连接，能够保证将转动轴1所受的轴向力和冲击顺利传导至推力头2，提升承载能力。

在一些可行的实施例中，面拓展瓦块41与镜板3接触表面具有巴氏合金涂层，能够提升面拓展瓦块41的耐腐蚀性、高温强度和耐磨性。

本申请另一个实施例还提供一种推力载荷系统，包括任意一种上述实施例中的混流式水轮机组推力轴承1000。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，包括：

转动轴；

推力头，套设于所述转动轴，所述推力头包括具有中空部的筒本体、施力部和承力部，所述施力部在所述筒本体沿轴向上的一端凸向所述中空部设置，所述承力部在所述筒本体沿轴向上的另一端背向所述中空部凸出设置；

镜板，呈环状设置于所述推力头的所述承力部背向所述施力部的端面；

推力轴承座，沿所述轴向上设置于所述镜板背向所述推力头一侧；

推力轴瓦，呈环状分布于所述推力轴承座与所述镜板之间，所述推力轴瓦包括沿径向分布的多段面拓展瓦块，所述面拓展瓦块固定连接于所述推力轴承座；

所述镜板与所述面拓展瓦块相对滑动连接，各所述面拓展瓦块在所述镜板上的正投影面积S1与所述推力轴瓦在所述镜板上的正投影面积S之比满足1：18。

2.根据权利要求1所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，所述面拓展瓦块呈扇形段，包括内弧形边缘、外弧形边缘和侧边缘，所述侧边缘连接于所述内弧形边缘与所述外弧形边缘，所述多段面拓展瓦块的所述内弧形边缘的连线围绕中心点呈第一圆环分布，所述中心点至所述第一圆环的半径尺寸为1770mm，所述多段面拓展瓦块的所述外弧形边缘的连线围绕所述中心点呈第二圆环分布，所述中心点至所述第二圆环的半径尺寸为2515mm。

3.根据权利要求2所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，相邻所述面拓展瓦块的所述侧边缘之间的间隔为35mm。

4.根据权利要求1所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，所述面拓展瓦块倾角保持不变。

5.根据权利要求1所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，还包括下机架、内挡油环和外挡油槽，所述推力轴承座可固定连接于所述下机架内侧，所述内挡油环固定连接于所述下机架靠近所述转动轴一侧，所述外挡油槽固定连接于所述下机架远离所述转动轴一侧。

6.根据权利要求5所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，所述下机架、所述内挡油环和所述外挡油槽共同形成储油箱。

7.根据权利要求6所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，所述储油箱还包括检修盖，所述检修盖盖覆于所述外挡油槽与所述推力头之间预留的开口。

8.根据权利要求7所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，还包括下导轴承，所述下导轴承包括下导轴瓦和支撑件，所述下导轴瓦与所述承力部紧压滑动连接，所述支撑件固定连接于所述外挡油槽。

9.根据权利要求1所述的混流式水轮机组推力轴承，其特征在于，还包括环键，桥接于所述转动轴与所述推力头的连接处，将所述转动轴与所述推力头固定连接。

10.一种混流式水轮机组推力载荷系统，其特征在于，采用任意一种如权利要求1至9所述的混流式水轮机组推力轴承。