推力轴承油膜刚度对发电机转子轴系固有频率的影响陈贵清（唐山高等专科学校基础课部，河北唐山063000）刚度，并且分析了它对发电机转子轴系固有频率的影响，在计算时考虑了推力头作平动和摆动的两种情况，得到了额定运行情况下影响的具体数值。
0引言转子轴系的固有频率在工程上是一个十分重要的数据，只有确定了它才能确定共振区，由于固有频率直接受约束情况控制，所以必须先对约束情况进行研究，伞式水轮发电机组转子轴系的约束情况是发电机导轴承和水轮机导轴承控制径向（水平方向）位移，推力轴承用于支撑巨大的轴向（竖直方向）重量，属于两导一推式，制造厂家提供的转子轴系的固有频率一般是在这样约束情况下给出的：估算一下两个导轴承的径向刚度，而不考虑推力轴承的影响，整个轴系类似于简支梁。
文献[1 ]针对某小型高速电机，计算了推力轴承的耦合动特性系数文献[2～4 ]虽然承认了推力轴承的作用，但没给出具体数值，只认为其作用很小，文献[5 ]认为对于小型高速电机，推力轴承能明显提高转子的临界转速，并且由于推力轴承提供的油膜力矩很大，因而系统的稳定性也得到很大提高。那么，水轮发电机组推力轴承对轴系固有频率的影响究竟有多大，能不能忽略掉，这正是本文所要研究的。
1模型机组推力轴承的有关情况伞式水轮发电机组推力轴承的主要结构部件为：推力轴瓦，镜板，推力头，托盘，绝缘垫。推力头和卡环热套于主轴上，运行时轴系本身的巨大重量和水流的冲击力将会使镜板间产生巨大的摩擦作用，此作用会产生巨大的热量，造成破坏。此问题可以通过加入高压循环冷却油，形成油膜来解决。而油膜具有粘弹性，势必对轴系的径向振动产生影响。
本文收到日期： 20000河北理工学院学报推力负荷比较大的大容量机组，一般都采用弹性油箱支承结构。各油箱用油管相连并充入一定压力的油。使用弹性油箱支承结构的优点是，对各瓦面的高度和水平面调整精度要求不高，各瓦之间的不均匀负荷通过油压平衡，运动时瓦的不均匀负荷由弹性油箱均衡，使各瓦受力均匀缺点是对油箱的材质和制造工艺要求较高。
模型机组推力轴承的支承形式为三波纹弹性油箱结构，单缸荷载150 t，采用18块塑料瓦，瓦内径2. 87 m，瓦外径4. 19 m，推力瓦平均周速为： 126 m /s.总推力负荷为2 700采用润滑油在油槽内部自循环的冷却和润滑方式。润滑油为46号汽轮机油，满载运行2求解推力轴承的动特性文献[6 ]给出了求解推力轴承动特性的基本方法：在一系列假设（假设轴承工作在层流工况下润滑油粘度符合牛顿粘性定律，各推力瓦沿周向均匀分布推力头没有静偏斜不计流体惯性效应润滑流体不可压缩及不考虑轴瓦弹性变形影响等。）基础上，先列出圆柱坐标下二维广义雷诺方程，能量方程，粘温方程及定解条件，然后应用差分方程超松驰迭代法求解广义雷诺方程，低松驰迭代法求解能量方程最后在线性假设下，推导了推力头在轴承内扰动时的耦合刚度、阻尼系数与推力头作轴向运动时油膜刚度与阻尼系数之间的关系。由于这里主要想探讨的是推力轴承动特性对固有频率的影响，而不是推力轴承动特性的计算过程本身，故必须对上述计算过程再加以合理的简化。
设z轴代表转子静轴线，即铅垂方向，推力轴瓦平面（即水平面）为xoy平面，轴颈的几何中心o点为坐标原点。一般情况下，安装在转子轴颈上的推力头随转子一起振动。在转子径向振动状态下推力头的运动表现为一个在垂直于转子静轴线（亦即xoy）平面内的平动和一个绕ox轴或oy轴的摆动。
考虑到模型机组推力轴承的18块塑料瓦沿周向是均匀分布的，不同瓦块上油膜的形状、油膜压力的分布及润滑油摩擦力的分布都可以认为是相同的，在推力头未扰动时，由几何对称性可知，每块瓦上所受到的力，合成并向轴颈中心平移后，很明显将简化成z方向的一个力和xoy平面内的一个力偶。此力偶将影响轴系的扭振，但不会影响到轴系的径向振动。况且弹性油箱还有自动调节压力分布的功能。因此，可以认为油膜压力沿周向是均匀分布的，这里将主要计算由于推力头在轴承内发生小扰动而产生的耦合刚度系数。
2. 1推力头平动时推力轴承的耦合动特性系数由于产生Δx ，Δy扰动，而在推力轴承中产生的油膜力、油膜力矩计算。该机组推力轴承瓦块数为18，远大于1，且沿周向均匀分布，因此计算时可忽略油沟的影响。当推力头受到Δx ，Δy扰动时，引起推力轴承瓦上轴向力及摩擦力的改变，以F表示推力轴承由于Δx ，Δy扰动在xoy平面内的油膜力， M表示推力轴承由于Δx ，Δy扰动在和平面内的油膜力矩，因而有：分别为Δx和Δy扰动在x和y方向上产生的油膜力刚度系数而分别为Δx和Δy扰动在xoz和yoz平面内产生的油膜力矩刚度系数。
令符号代表剪力。定义：经计算可知：其中，F为每块瓦上的周向摩擦力，n为总的瓦块数， R为平均半径。
由于Δx，Δy引起速度改变，而使得轴承中各瓦的轴向力发生改变，从而产生一个力矩，定义力矩的刚度系数为：经计算可得：其中，F为瓦块轴向平均压力， B为瓦宽。
2. 2推力头摆动时推力轴承耦合动特性系数当推力头仅做摆动时，使轴承的轴向间隙改变，从而引起推力轴承中不同位置瓦的静动态性能参数相应改变。推力头在任一方向的摆动，可以用在yoz平面中转角位移J及xoz平面中转角位移j表示，J，j改变了不同位置瓦块的轴向间隙，引起轴瓦上轴向力及摩擦力改变。轴承中动态油膜力及油膜力矩为：上式中各项系数分别为角位移j，J在xoy平面内产生的油膜力刚度。
分别为位移j，J在xoz和yoz平面内产生的油膜力矩刚度。
经计算可知其中，C为推力轴承动特性系数。
综合上述两种情况下的油膜力及油膜力矩，可得到推力轴承关于推力头在轴承中扰动的油膜力与油膜力矩的表达式：3数值计算在前面的（ 5）式中，每块瓦面上的摩擦力：其中： _为动力粘度，k为额定角速度，h近似地认为是平均油膜厚度。
为求h ，必须先求最小油膜厚度h可由模型机组推力轴承的实际尺寸、运行工况，结合水轮发电机设计手册[7]进行计算：为负载系数，C为轴瓦的润滑特性参数，L为轴瓦名义长度。
依据文献[7 ]，对于承载能力较大的机组（如本机组） ，要按： h = 1 /2的曲线去查求1.经查表右得： C其中，λ为油的平均粘度，v为平均周速， p为平均压应力。经计算可得：于是，h将以上数据代入（ 18）式，可得：为每块瓦上的轴向平均压力。轴系的静重约1 300 t，但在正常运行时由于水流的巨大冲击作用，推力轴承所承受的动态压力要明显大于轴系的静重。但到底大多少，工程上没有经验可以借鉴。考虑到推力轴承的最大推力负荷为2 700 t，故取极取情况，认为最大动态压力等于最大推力负荷2 700t.因此，每块瓦上的轴向平均压力为：平均半径： R平均压应力： p= F当平均压应力为： 3. 615 M Pa时，由文献[1]可得：将以上求得的各系数代入（ 16）式和（ 17）式，经计算，可得：推力轴承动特性对固有频率起主要影响作用的是（ 21）式右端第一项，和（ 22）式右端第二项。下面先计算这两项对固有频率的影响，而要计算（ 21）式和（ 22）式右端的全部四项对固有频率的影响，应对传递矩阵法进行改进，这部分工作将另文给出。
计算结果：推力轴承动特性第一阶固有频率第二阶固有频率第三阶固有频率4计算结果及分析由上表可见，单独施加油膜力刚度，仅使第一阶固有频率增加0. 082 使第二阶固有频率增加0. 028 第三阶固有频率不变。
单独施加油膜力矩刚度，可使第一阶固有频率增加2. 989 使第二阶固有频率增加7. 278 使第三阶固有频率增加： 0. 654一起施加油膜力刚度和油膜力矩刚度时，可使第一阶固有频率增加3. 071 使第二阶固有频率增加7. 306 使第三阶固有频率增加0. 654.
由上面的计算结果可见，水轮发电机组正常运动时，推力轴承处径向油膜力刚度很小，相对于上、下导轴承的刚度要差五个等级，故其对固有频率的影响很小。油膜力刚度很小，说明油膜与镜板间的摩擦力也很小，这可以降低油温，减少油耗。而油膜力矩刚度比较大，对第一阶固有频率的影响与陀螺力矩对固有频率的影响几乎相同（陀螺力矩可使第一阶固有频率提高2～3 ） ，对第二阶固有频率的影响更大，对第三阶固有频率的影响较小。