基于推力軸承的水輪發(fā)電機(jī)組推力負(fù)荷測(cè)試研究

歐陽寧東，楊培平，蔣牧龍

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

推力負(fù)荷是水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，對(duì)推力軸承的設(shè)計(jì)和計(jì)算有重大影響，主要由水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分自重和機(jī)組運(yùn)行時(shí)的軸向水推力組成[1]。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量計(jì)算誤差不大，而軸向水推力卻很難計(jì)算準(zhǔn)確。出于安全考慮，通常在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)把水推力值估算大一些，但是如果水推力估值過大，會(huì)導(dǎo)致推力軸承比壓增大或者尺寸擴(kuò)大，這樣做不僅提高了機(jī)組自身運(yùn)行損耗，降低機(jī)組運(yùn)行效率，而且給機(jī)組檢修也帶來不便。尤其是對(duì)于抽蓄以及大型機(jī)組，推力負(fù)荷設(shè)計(jì)值偏差較大，不僅提高了機(jī)組設(shè)計(jì)難度，機(jī)組制造成本也增加許多。

進(jìn)行真機(jī)推力負(fù)荷測(cè)量試驗(yàn)，不僅僅能夠直觀的了解機(jī)組推力負(fù)荷變化的真實(shí)情況，還能夠給機(jī)組的科學(xué)運(yùn)行和維護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)參考[2]。對(duì)于機(jī)組設(shè)計(jì)方而言，通過實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比，可以判斷機(jī)組初步設(shè)計(jì)時(shí)提出的推力負(fù)荷值是否合理，從而更準(zhǔn)確的指導(dǎo)后續(xù)機(jī)組開發(fā)。

1 目前行業(yè)內(nèi)現(xiàn)狀

目前行業(yè)內(nèi)推力負(fù)荷數(shù)據(jù)的獲取主要是基于機(jī)架測(cè)量的方案，采用的方法有應(yīng)力測(cè)試法和機(jī)架撓度測(cè)試法[3，4]。

應(yīng)力測(cè)試法是在機(jī)組承重機(jī)架上貼應(yīng)變片，通過測(cè)量機(jī)架上的應(yīng)力變化值，換算為機(jī)組軸向推力值。該方法在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，受電磁場(chǎng)干擾較大，存在一定的誤差，僅能夠做定性分析。

機(jī)架撓度測(cè)試法是將機(jī)架受力形變量換算為機(jī)組軸向推力負(fù)荷的方法。該方法基本不受電磁場(chǎng)干擾，目前主要采用電渦流傳感器進(jìn)行測(cè)量。該方法需要先換算受力和機(jī)架撓度的函數(shù)關(guān)系作為基準(zhǔn)，最終根據(jù)機(jī)組撓度測(cè)量值換算成推力負(fù)荷。試驗(yàn)過程中，基準(zhǔn)函數(shù)式關(guān)系很難準(zhǔn)確的得到，需要反復(fù)修正，這可能直接影響最終計(jì)算結(jié)果。

基于機(jī)架的測(cè)試方案可操作性強(qiáng)，可以在不改變機(jī)組原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，但僅能夠反映推力負(fù)荷相對(duì)值大小。

2 基于推力軸承的推力負(fù)荷測(cè)試

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)組的核心部件，它承受整個(gè)機(jī)組所有的軸向負(fù)荷，是機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。如果能夠測(cè)量所有推力軸承的軸向負(fù)荷，就能夠確定機(jī)組水推力大小。該方法具有簡(jiǎn)單直觀，測(cè)量中間環(huán)節(jié)較少等優(yōu)點(diǎn)。在東方電機(jī)高速推力軸承試驗(yàn)臺(tái)上已經(jīng)應(yīng)用多年。

隨著測(cè)試技術(shù)進(jìn)步，以前的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)能夠逐漸應(yīng)用在電廠真機(jī)上。近幾年，東方電機(jī)成功的在不同類型機(jī)組進(jìn)行了基于推力軸承的推力負(fù)荷測(cè)試測(cè)試。

3 剛性支承結(jié)構(gòu)的推力負(fù)荷測(cè)試

3.1 剛性支承結(jié)構(gòu)

抽水蓄能機(jī)組要實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，其推力軸承需采用中心支撐[5]，對(duì)于推力負(fù)荷較小的機(jī)組，采用可調(diào)節(jié)的剛性支撐也能保證推力軸承性能[6]。中部地區(qū)某300MW抽蓄機(jī)組的推力軸承采用剛性支承結(jié)構(gòu)，推力瓦采用單層瓦、支承方式采用單托盤加可調(diào)節(jié)剛性支柱[7]，如圖1所示。

圖1 推力軸承剛性支撐結(jié)構(gòu)Figure 1 Rigid support structure of thrust bearing

推力油槽內(nèi)的推力軸承瓦通過托盤安放在推力軸承座上，推力軸承座僅限制推力瓦的水平移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，對(duì)推力瓦的軸向移動(dòng)只起導(dǎo)向作用，而推力瓦的軸向負(fù)荷由支撐桿承受。

支撐桿一端連接推力瓦托盤，另一端連接機(jī)架。支撐桿是中空的，中心有一根測(cè)量桿。測(cè)量桿頭部安裝在托盤背面，尾部延伸至支撐桿底部中心。測(cè)量桿有很好的剛度，尾部懸空且與支撐桿不接觸。

3.2 測(cè)試原理

這種剛性支承的推力軸承結(jié)構(gòu)，可以將推力負(fù)荷的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)支承桿軸向變形的測(cè)量，通過不同單位之間的換算最終得到推力瓦的軸向負(fù)荷。這個(gè)測(cè)試過程類似于機(jī)架撓度測(cè)試。

首先需要確定推力瓦軸向受力和支撐桿變形量之間的函數(shù)關(guān)系。我們分別選取自然停機(jī)狀態(tài)和轉(zhuǎn)軸頂起狀態(tài)兩個(gè)特殊工況進(jìn)測(cè)量。兩種狀態(tài)下可以確定支承桿受力與變形的線性關(guān)系系數(shù)。由于轉(zhuǎn)軸頂起狀態(tài)下，推力軸承不承受軸向力，于是線性系數(shù)的計(jì)算公式簡(jiǎn)化成下面公式。

式中k——受力與變形線性關(guān)系系數(shù)；

G——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分總重量；

n——推力軸承瓦總數(shù)；

Δd——自然停機(jī)狀態(tài)支撐桿變形量。

然后在保持測(cè)試元件位置不變的情況下，長(zhǎng)期監(jiān)控不同工況下支撐桿變形量。根據(jù)支撐桿變形量與機(jī)組軸向受力關(guān)系式，可以計(jì)算出機(jī)組推力負(fù)荷。

式中F——機(jī)組軸向推力負(fù)荷；

ki——第i塊推力瓦受力與變形線性關(guān)系系數(shù)；

Δdi——第i塊推力瓦變形量；

n——推力軸承瓦總數(shù)。

3.3 測(cè)試方案

現(xiàn)場(chǎng)采用了高精度千分表進(jìn)行測(cè)量，量程超過10mm，測(cè)試精度達(dá)到微米級(jí)。測(cè)試結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)同步輸出，一級(jí)信號(hào)傳輸距離達(dá)2m。千分表安裝示意圖如圖2所示。

圖2 剛性支撐桿測(cè)試方案Figure 2 Test scheme of rigid supporting rod

千分表通過定位螺釘安裝在每一塊推力軸承支撐桿的底部，探針與測(cè)量桿尾部接觸。當(dāng)推力瓦受軸向力時(shí)，支撐桿產(chǎn)生受壓變形，而測(cè)量桿不產(chǎn)生變形。測(cè)量支撐桿尾部與測(cè)量桿尾部的相對(duì)軸向位移，即可認(rèn)為是支撐桿的軸向變形值。

信號(hào)采集與輸出過程如圖3所示。由于千分表安裝位置在基坑內(nèi)，需要將信號(hào)引出至基坑外，一次數(shù)據(jù)采集的距離無法滿足這個(gè)距離。所以將數(shù)據(jù)采集模塊安裝在基坑內(nèi)，經(jīng)過信號(hào)采集放大，然后再傳輸至基坑外，供測(cè)試人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案Figure 3 Test scheme in site

3.4 測(cè)試結(jié)果

分別在三臺(tái)抽蓄機(jī)組進(jìn)行相同的試驗(yàn)，推力負(fù)荷測(cè)試結(jié)果見表1、圖4。

表1 額定工況下推力負(fù)荷與轉(zhuǎn)動(dòng)體自重對(duì)比Table1 Comparison of thrust load and rotor weight under rated condition

圖4 推力負(fù)荷與轉(zhuǎn)動(dòng)體對(duì)比Figure 4 Comparison of thrust load and rotor

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：

（1）抽水工況的推力負(fù)荷大于發(fā)電工況。

（2）發(fā)電工況下，推力負(fù)荷均小于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量，表明發(fā)電工況水推力為負(fù)值，方向朝上。

（3）在抽水和發(fā)電兩種工況下，4號(hào)機(jī)推力負(fù)荷均大于1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)。

（4）推力負(fù)荷最大值發(fā)生在4號(hào)號(hào)機(jī)的抽水工況下。此時(shí)水推力為正值，方向朝下。

4 小彈簧束支承結(jié)構(gòu)的推力負(fù)荷測(cè)試

4.1 小彈簧支承結(jié)構(gòu)

云南某巨型混流式水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承采用小彈簧束支承結(jié)構(gòu)。推力軸承通過很多小彈簧束將受力傳遞到機(jī)架。推力瓦由多點(diǎn)支撐受力、推力軸承適應(yīng)性更強(qiáng)[8，9]，如圖5所示。

圖5 推力軸承小彈簧支撐結(jié)構(gòu)Figure 5 Small spring support structure of thrust bearing

推力軸承瓦與配套的托瓦一起壓在小彈簧束上，小彈簧水平布置在機(jī)架上。托瓦下的小彈簧束按照一定規(guī)則分布，能夠保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)，機(jī)械變形和熱變形對(duì)軸承性能影響最小。

4.2 測(cè)試原理

由于推力瓦面各個(gè)位置的壓力不同，要在整個(gè)推力瓦面不同位置安裝壓力傳感器，壓力測(cè)點(diǎn)覆蓋整個(gè)瓦面。根據(jù)測(cè)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，可以擬合壓力曲面，繪制推力瓦面壓力分布圖。將瓦面細(xì)分成m個(gè)小瓦面，每一塊小瓦面的面積為Ai，用差值法計(jì)算出每塊小瓦面平均壓力為pi，機(jī)組推力負(fù)荷則可以通過以下方法計(jì)算得到[10]。

式中F——機(jī)組軸向推力負(fù)荷；

Ai——第j塊推力瓦細(xì)分的第i塊小瓦面面積；

pi——第j塊推力瓦細(xì)分的第i塊小瓦面平均壓力；

m——推力瓦細(xì)分成小瓦面的總數(shù)；

n——推力軸承瓦總數(shù)。

4.3 測(cè)試方案

在推力瓦面鉆小孔，用壓力傳感器測(cè)試瓦面油膜壓力，即推力瓦與鏡板面接觸面的某點(diǎn)壓力。壓力傳感器安裝如圖6所示。

圖6 壓力傳感器安裝結(jié)構(gòu)Figure 6 Installation structure of pressure sensor

推力軸承浸泡在推力油槽的潤(rùn)滑油中，推力油槽在發(fā)電機(jī)層基坑內(nèi)。要在推力瓦面安裝傳感器，必須考慮傳感器信號(hào)線引出和密封的問題。

選擇兩個(gè)對(duì)稱位置進(jìn)行推力軸承瓦面的壓力測(cè)試，如圖7所示。

將兩塊試驗(yàn)瓦代替真機(jī)瓦分別安裝到各自的位置。試驗(yàn)瓦與真機(jī)瓦不同之處在于試驗(yàn)瓦上多加工了傳感器安裝孔，并埋設(shè)了更多的壓力傳感器。

信號(hào)引出線穿過推力油槽壁，連接到前置器上，前置器將信號(hào)濾波和放大。信號(hào)通過屏蔽導(dǎo)線傳輸至發(fā)電機(jī)基坑外的測(cè)試系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)采集和處理，直觀的反應(yīng)在測(cè)試計(jì)算機(jī)上。

4.4 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試軟件界面上，能夠直接觀察到測(cè)試瓦面上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況。圖8為機(jī)組運(yùn)行時(shí)二號(hào)測(cè)試瓦現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同位置的壓力值，可以對(duì)瓦面壓力場(chǎng)進(jìn)行更細(xì)致的插值計(jì)算，圖9為根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出的額定工況下某瓦面壓力分布曲面圖，通過積分計(jì)算能夠得到單塊瓦推力負(fù)荷。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案Figure 7 Test scheme in site

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)Figure 8 Test data in site

經(jīng)過可重復(fù)驗(yàn)證的多次試驗(yàn)，得到較穩(wěn)定的數(shù)值。將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行類比和分析計(jì)算，可以較準(zhǔn)確的測(cè)算出整個(gè)機(jī)組的推力負(fù)荷。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到表2中的結(jié)果。

（1）通過靜態(tài)高頂試驗(yàn)測(cè)試得到的轉(zhuǎn)動(dòng)體重量，與通過圖紙核算得到的數(shù)據(jù)相差不大，說明這種方法測(cè)試相對(duì)可靠。

（2）機(jī)組額定工況運(yùn)行時(shí)，推力負(fù)荷略小于轉(zhuǎn)動(dòng)體重量，說明該水輪發(fā)電機(jī)在額定工況下水推力也為負(fù)值。

圖9 額定工況壓力分布Figure 9 Pressure distribution under rated condition

表2 不同工況下推力軸承載荷Table2 load of thrust bearing under different working conditions

5 結(jié)束語

根據(jù)以上推力負(fù)荷測(cè)試結(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)體重量占推力負(fù)荷比重較大，額定工況下水輪發(fā)電的水推力有可能為負(fù)值[11]，這與通常認(rèn)知有所不同。這個(gè)問題今后需要進(jìn)一步研究和總結(jié)。

東方電機(jī)已經(jīng)掌握了基于推力軸承的推力負(fù)荷測(cè)試技術(shù)，有能力在推力瓦上進(jìn)行真機(jī)測(cè)試試驗(yàn)[12，13]，為今后診斷水電站復(fù)雜軸承問題，提供新的思路和辦法。