張世海，晉風(fēng)華，龔 晨，李錄平

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國產(chǎn)600MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸承動態(tài)標(biāo)高變化規(guī)律試驗研究

張世海1，晉風(fēng)華2，龔 晨2，李錄平2

（1. 貴州電力試驗研究院貴陽550002；2. 長沙理工大學(xué)，長沙410076）

本文以國產(chǎn)600MW汽輪發(fā)電機(jī)組為研究對象，采用現(xiàn)場測試的方法獲得各軸承座中分面處標(biāo)高的動態(tài)變化規(guī)律，找到影響各軸承座標(biāo)高動態(tài)標(biāo)高變化的因素。研究表明：機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的變化對各軸承的標(biāo)高有較大影響。機(jī)組沖轉(zhuǎn)、升速過程中，軸承標(biāo)高變化主要取決于軸承座本身的溫度變化。本文的研究結(jié)果，對合理分配軸承的動態(tài)載荷，確保機(jī)組安全運行提供了參考依據(jù)。

汽輪發(fā)電機(jī)組；軸承；動態(tài)標(biāo)高；試驗

0 前言

大功率汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子由多個滑動軸承支撐。為確定各個軸承的載荷分布，安裝時要求各軸承的垂直方向的高度不同，即存在靜態(tài)標(biāo)高。標(biāo)高變化是現(xiàn)場實際運行中引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要因素之一。對于滑動軸承支承的多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，由于外界條件變化等因素會導(dǎo)致多跨轉(zhuǎn)子支承軸承的標(biāo)高抬起或下沉，影響系統(tǒng)的對中狀態(tài)，系統(tǒng)產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加彎矩，會引起異常振動。而且軸承的載荷將會重新分配，使載荷分配偏離設(shè)計要求，進(jìn)而影響油膜力的動力特性，容易產(chǎn)生油膜失穩(wěn)[1-5]。

汽輪發(fā)電機(jī)組中各軸承的靜態(tài)標(biāo)高及載荷分布計算方法已經(jīng)較成熟，但機(jī)組運行中由于受種種因素的影響，使軸系中各軸承標(biāo)高發(fā)生變化，如：坐落在排汽缸上的軸承受真空和排汽溫度影響較大[6]；發(fā)電機(jī)端蓋式軸承受氫溫、氫壓影響；高中壓轉(zhuǎn)子兩端軸承受汽缸散熱、軸封漏汽等影響。此外，軸承標(biāo)高還與瓦溫、回油溫度及周圍環(huán)境溫度等有關(guān)[2, 5, 7]。

對于剛性對輪連接的軸系，各軸承標(biāo)高變化可直接影響到軸承間的負(fù)載分配。負(fù)載分配不均時會導(dǎo)致部分軸承的載荷異常升高，從而出現(xiàn)瓦溫升高、軸瓦磨損、碎裂，引起異常振動；同時，載荷減小的軸承會使軸承油膜不穩(wěn)，低頻振動增大，誘發(fā)油膜振蕩等，嚴(yán)重者還會使軸系臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，振型變化，引發(fā)其他振動問題。近幾年來，特別是300MW、600MW、1000MW機(jī)組陸續(xù)投運以來，因軸系標(biāo)高設(shè)置、調(diào)整不當(dāng)，軸承動態(tài)標(biāo)高變化規(guī)律沒有探明等原因，產(chǎn)生了一系列的振動問題和軸瓦故障等問題[5, 8, 9, 10]。

1 國產(chǎn)600MW機(jī)組軸系及支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點分析

在研究軸承動態(tài)標(biāo)高變化規(guī)律之前，需要分析機(jī)組的軸系以及其支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。下面分別以哈爾濱電氣集團(tuán)公司（以下簡稱哈電）和東方電氣集團(tuán)公司（以下簡稱東電）生產(chǎn)的600MW汽輪發(fā)電機(jī)組為例分析機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)特點以及支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。

哈電生產(chǎn)的600MW機(jī)組軸系由3根轉(zhuǎn)子加1個中間軸組成，如圖1所示。高中壓轉(zhuǎn)子跨距6100mm，低壓轉(zhuǎn)子跨距5740mm；高中壓轉(zhuǎn)子和1號低壓轉(zhuǎn)子之間裝有剛性的法蘭聯(lián)軸器，低壓轉(zhuǎn)子之間通過中間軸連接；2號低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器剛性聯(lián)接。汽輪機(jī)共有六個支持軸承和一個推力軸承。機(jī)組的1號、2號軸承為落地式軸承，3～6號軸承坐落在低壓缸上，7號、8號軸承為端蓋式軸承，9號軸承為落地式軸承。

東電600MW超臨界機(jī)組設(shè)有兩個雙分流對稱結(jié)構(gòu)的低壓缸，低壓外缸全部由鋼板焊接而成。低壓缸四周有增加剛性的框架式撐腳，撐腳坐落在基架上，起到承擔(dān)缸重量和使基礎(chǔ)均勻受力的作用。低壓外缸還包括兩端的軸承座，1號低壓缸前端的軸承座內(nèi)放置它本身的支持軸承和高中壓缸后軸承。

東電600MW汽輪機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子（Ⅰ）、低壓轉(zhuǎn)子（Ⅱ）和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，軸系末端接勵磁滑環(huán)短軸，各轉(zhuǎn)子之間由剛性對輪連接，軸系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

東電600MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系中除1號、2號軸承采用可傾瓦式軸承，其余軸承均采用橢圓形軸承。1號、2號可傾瓦位于高中壓缸前后的軸承箱內(nèi)，3～6號橢圓瓦坐落在低壓排汽缸上，7號、8號橢圓瓦支撐在發(fā)電機(jī)端蓋上，勵磁機(jī)滑環(huán)短軸與發(fā)電機(jī)連接，另一端用9號穩(wěn)定軸承支持。

圖1 哈電600MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 東電600MW汽輪發(fā)電機(jī)組軸系示意圖

2 軸承動態(tài)標(biāo)高現(xiàn)場測試原理

2.1 標(biāo)高測試系統(tǒng)

現(xiàn)場測試系統(tǒng)如圖3所示，在各個汽缸以及發(fā)電機(jī)的兩端都安裝了標(biāo)高測試裝置。每個軸承在安裝電渦流位移傳感器時都用到了一個特殊的支架，該支架由橫桿與豎桿組成，連接在橫桿靠近軸承的部位。安裝在支架上的電渦流傳感器會因與軸承座間隙變化產(chǎn)生電壓信號。傳感器信號經(jīng)信號電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再進(jìn)入信號分析系統(tǒng)，接著由計算機(jī)進(jìn)行采樣和計算，輸出軸承標(biāo)高的動態(tài)變化值。

圖3 現(xiàn)場測試系統(tǒng)框圖

2.2 傳感器支架設(shè)計

如圖4所示，實驗系統(tǒng)中的支架起到保持傳感器探頭的地面高度不變的作用，因而十分重要。由于機(jī)組的軸承座與基礎(chǔ)為垂直關(guān)系，所以必須保證豎桿與地面保持垂直，與橫桿保持垂直，且本身具有很好的穩(wěn)定性。

圖4 標(biāo)高測試系統(tǒng)介紹圖

綜上考慮，標(biāo)高測試系統(tǒng)中所用到的傳感器安裝支架是依據(jù)國家發(fā)明專利“旋轉(zhuǎn)機(jī)械動態(tài)標(biāo)高測量裝置”（ZL2004 1 0022949.8）改進(jìn)而成的。經(jīng)過實驗室和現(xiàn)場試驗檢驗，該裝置具有較高的穩(wěn)定性與可靠性，能夠滿足現(xiàn)場動態(tài)標(biāo)高測量試驗的測試要求。該裝置選用熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于軸承材料熱膨脹系數(shù)的石英玻璃作為標(biāo)高測量一次元件的支架。作為感應(yīng)標(biāo)高變化的渦流傳感器，直接固定在用石英玻璃制成的支架上。石英玻璃的線膨脹系數(shù)很小，在相同溫度變化范圍內(nèi)只有鋼的1/25、鋁的1/42，這樣，由于現(xiàn)場測試溫度變化范圍不大，石英玻璃支架本身的膨脹或收縮量就可以忽略不計（或稍加補(bǔ)償）。因此溫度變化所引起的熱變形的影響就小了。同時，還設(shè)計出了石英玻璃管的固定、保護(hù)裝置，該裝置起到固定、保護(hù)石英玻璃管的作用，并且不妨礙石英玻璃管在長度方向和橫向的熱膨脹，從技術(shù)上解決了軸承動態(tài)標(biāo)高的測量問題。

2.3 軸承標(biāo)高測量原理

電渦流位移傳感器系統(tǒng)中，探頭線圈由于設(shè)置有高頻振蕩電流流入，因此會產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)被測金屬物體與探頭之間的距離發(fā)生變化時，頭部線圈電流會產(chǎn)生相應(yīng)的相位和幅度的變化（線圈的有效阻抗）。這一變化與金屬電導(dǎo)率、線圈形狀、幾何尺寸等許多參數(shù)有關(guān)。通過控制使這些參數(shù)在一定范圍內(nèi)保持不變，則線圈的阻抗就成為了被測金屬體和探頭之間的距離的單值函數(shù)。由于支架可以起到使得渦流傳感器探頭與地面距離保持不變的作用，可以通過測量被測表面與傳感器探頭之間的距離變化來測得軸承的動態(tài)標(biāo)高[2，4]。

標(biāo)高測試工作從機(jī)組全冷態(tài)狀態(tài)（凝汽器充水前）開始，一直持續(xù)不間斷測量至機(jī)組帶滿負(fù)荷并穩(wěn)定運行3~5h后結(jié)束。在機(jī)組起動升速以及暖機(jī)、并網(wǎng)帶負(fù)荷過程中，每間隔一定的時間記錄一次各軸承的標(biāo)高測量值，同步測量軸承的振動，記錄下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，測量并記錄各軸承的溫度、回油溫度，凝汽器真空、蒸汽參數(shù)等設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。

3 600MW機(jī)組起動過程中軸承動態(tài)標(biāo)高測試結(jié)果與分析

利用上述試驗裝置分別對哈電600MW汽輪發(fā)電機(jī)組和東電600MW機(jī)組冷態(tài)起動過程中各軸承動態(tài)標(biāo)高變化情況進(jìn)行了連續(xù)測量。測試結(jié)果表明：汽輪發(fā)電機(jī)組在機(jī)組狀態(tài)發(fā)生變化時，各軸承標(biāo)高都會產(chǎn)生明顯變化。機(jī)組冷態(tài)起動過程中各軸承標(biāo)高變化會受工況改變的影響，但標(biāo)高變化方向可因機(jī)組具體結(jié)構(gòu)和安裝條件不同而不同。

3.1 哈電600MW機(jī)組軸承動態(tài)標(biāo)高測試結(jié)果與分析

試驗機(jī)組為哈電N600-16.7/538/538-1型汽輪發(fā)電機(jī)組。對機(jī)組從冷態(tài)至帶滿負(fù)荷全過程中，各軸承標(biāo)高動態(tài)變化過程進(jìn)行了完整的測量與記錄。

從試驗過程看，發(fā)電機(jī)充氫過程對發(fā)電機(jī)的兩端軸承標(biāo)高同樣具有一定影響，隨著發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力的升高，發(fā)電機(jī)兩端軸承標(biāo)高略有上抬，且其中7號軸承受到的影響較8號軸承受到的影響大。抽真空過程依然對低壓轉(zhuǎn)子兩端及其相鄰軸承標(biāo)高具有較大影響。機(jī)組沖轉(zhuǎn)、升速過程中，機(jī)組各部分的金屬溫度不斷上升，各軸承的標(biāo)高變化也以上升為主，其中標(biāo)高上升最多的是1號、2號、5號和6號軸承，其中2號軸承和5號軸承上升幅度最大，超過了200μm。帶負(fù)荷過程中，各軸承標(biāo)高繼續(xù)調(diào)整，且相鄰軸承標(biāo)高變化趨勢相同。其中，2號與3號軸承受機(jī)組金屬溫度升高影響，標(biāo)高上升，2號軸承標(biāo)高上升量高于3號軸承；4號與5號軸承標(biāo)高下降，4號軸承標(biāo)高下降量高于5號軸承；6號與7號軸承標(biāo)高呈上升趨勢，且6號軸承標(biāo)高上升量大于7號軸承。

機(jī)組從冷態(tài)起動至帶滿負(fù)荷并維持負(fù)荷穩(wěn)定運行半個小時以上整個試驗過程測得的各軸承標(biāo)高凈變化值見表1。

表1 機(jī)組冷態(tài)起動過程各軸承標(biāo)高凈變化量μm

注：+表示標(biāo)高上升，-表示標(biāo)高下降

從表1可以看出，機(jī)組冷態(tài)起動至帶滿負(fù)荷過程中，除低壓轉(zhuǎn)子軸承標(biāo)高下降外，其余軸承標(biāo)高整體呈上升趨勢。其中2號軸承標(biāo)高上升量最大，達(dá)492μm，其次為6號軸承。2號與3號軸承相對標(biāo)高變化最大，2號軸承標(biāo)高相對3號軸承標(biāo)高高出602μm。4號與5號軸承之間相對標(biāo)高差值為278μm。6號與7號軸承之間相對標(biāo)高差值為290μm。

3.2 東電600MW機(jī)組軸承動態(tài)標(biāo)高測試結(jié)果與分析

試驗機(jī)組為東電CLN600-24.2/538/566型汽輪發(fā)電機(jī)組。該試驗機(jī)組在投產(chǎn)運行中由于低壓Ⅰ、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承瓦振較大，在檢修中在測量轉(zhuǎn)子揚度，軸承中心等基礎(chǔ)上對軸承標(biāo)高多次進(jìn)行了調(diào)整，發(fā)現(xiàn)該型機(jī)組軸承標(biāo)高調(diào)整對瓦振、軸振均有較大的影響。在對該機(jī)組進(jìn)行標(biāo)高測試試驗之前，通過機(jī)組振動狀態(tài)全面診斷性評估試驗，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組在滿負(fù)荷穩(wěn)定工況下振動狀態(tài)出現(xiàn)異常：5號與7號瓦振超過80μm，軸振7x與8x超過100μm，初步判斷機(jī)組當(dāng)前異常振動與機(jī)組軸系中心偏差有一定關(guān)系。為此，測量并記錄了機(jī)組全冷態(tài)起動過程中各軸承動態(tài)標(biāo)高變化情況。取機(jī)組起動前，凝汽器通循環(huán)水后的狀態(tài)作為初始參考點，至機(jī)組帶滿負(fù)荷并穩(wěn)定運行半個小時以上的狀態(tài)作為終止?fàn)顟B(tài)點，計算得出各軸承的標(biāo)高凈變化值如表2所示。

表2 機(jī)組冷態(tài)起動過程各軸承標(biāo)高凈變化量μm

從試驗過程看，在機(jī)組起動不同階段，影響標(biāo)高變化的因素不同，對各軸承標(biāo)高變化的影響也不盡相同。發(fā)電機(jī)充氫過程，對發(fā)電機(jī)的兩端軸承標(biāo)高影響較大，其中7號軸承受的影響較8號軸承受的影響大。隨著機(jī)內(nèi)氫壓增加，發(fā)電機(jī)兩端軸承標(biāo)高下降，其中7號軸承下降130μm，8號軸承下降94μm。真空變化對3~6號軸承標(biāo)高的影響最為明顯，對發(fā)電機(jī)兩端軸承的標(biāo)高影響較小。機(jī)組沖轉(zhuǎn)、升速過程中，機(jī)組各部分的金屬溫度不斷上升，各軸承的標(biāo)高均有上升，上升最多的是2號、3號和5號軸承。帶負(fù)荷過程中，各軸承標(biāo)高繼續(xù)調(diào)整，總體趨勢是各軸承標(biāo)高均有不同程度上升，其中上升幅度較大的軸承為1號、6號、7號和8號軸承，上升幅度最大的軸承為1號軸承，達(dá)到164μm。帶負(fù)荷過程，各軸承標(biāo)高變化，主要是由金屬溫度升高引起的。

根據(jù)軸系動態(tài)標(biāo)高測試試驗結(jié)果分析，在500MW負(fù)荷運行時，3號軸承標(biāo)高比2號軸承標(biāo)高約低0.30mm，而制造廠給的技術(shù)要求中規(guī)定，高中壓和低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子找中心時，低壓Ⅰ對輪比高中壓對輪高0.85mm。這可能是導(dǎo)致運行中3號軸承負(fù)載偏重，瓦溫偏高的主要原因。另，從試驗結(jié)果看，在500MW負(fù)荷運行時，8號軸承標(biāo)高上升量為負(fù)值，這與長期以來8號軸承瓦溫偏低、負(fù)載偏輕比較吻合。

根據(jù)前述試驗研究結(jié)果表明，坐落在排汽缸上的軸承受真空和排汽溫度影響較大；發(fā)電機(jī)端蓋式軸承受氫溫、氫壓影響；高中壓轉(zhuǎn)子兩端軸承受汽缸散熱、軸封漏汽等影響。此外，軸承標(biāo)高還與瓦溫、回油溫度及周圍環(huán)境溫度等有關(guān)。

4 結(jié)論

根據(jù)以上試驗結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)組狀態(tài)的變化對各軸承的標(biāo)高有較大影響。因此在機(jī)組運行過程中，特別是在啟機(jī)帶負(fù)荷過程中，應(yīng)該密切關(guān)注軸承狀態(tài)。

（2）發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力對發(fā)電機(jī)的兩端軸承標(biāo)高有一定影響，且對發(fā)電機(jī)兩端軸承的影響程度不一定完全相同。

（3）汽輪機(jī)抽真空是影響軸承標(biāo)高的又一重要因素。真空變化對汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸承標(biāo)高的影響最為明顯，對高中壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承的標(biāo)高影響較小。

（4）機(jī)組沖轉(zhuǎn)、升速過程中，由于機(jī)組各部分的金屬溫度不斷上升，因此各軸承的標(biāo)高變化也以上升為主，但各軸承標(biāo)高變化量有所不同。

（5）機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷過程中，各軸承標(biāo)高繼續(xù)調(diào)整，且相鄰軸承標(biāo)高變化方向相同。

（6）從機(jī)組冷態(tài)起動至帶穩(wěn)定負(fù)荷運行全過程來看，各軸承標(biāo)高較冷態(tài)下發(fā)生較大改變，導(dǎo)致相鄰軸承間標(biāo)高差值發(fā)生變化，軸承載荷分配發(fā)生改變。 （7）不同制造廠家生產(chǎn)的不同類型汽輪發(fā)電機(jī)組在機(jī)組狀態(tài)發(fā)生變化時，各軸承標(biāo)高變化規(guī)律有明顯差異。

（8）機(jī)組冷態(tài)起動過程中各軸承標(biāo)高變化受工況改變的影響，但標(biāo)高變化方向可因機(jī)組具體結(jié)構(gòu)和安裝條件不同而不同，因此在標(biāo)高調(diào)整時不可照搬同一標(biāo)準(zhǔn)。

（9）機(jī)組冷態(tài)下中心調(diào)整要考慮機(jī)組在熱態(tài)時的標(biāo)高變化情況。冷態(tài)工況下需合理調(diào)整各軸承的靜態(tài)標(biāo)高，使得在熱態(tài)工況下各軸承的載荷分配處于合理范圍，避免少數(shù)軸承因動態(tài)載荷過大而危及機(jī)組安全。

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Research on Changes of Bearing Dynamic Elevation of Domestic 600MW Turbo-generating Unit

ZHANG Shihai1, JIN Fenghua2, Gong Chen2, LI Luping3

(1. Guizhou Electric Power Research Institute, Guiyang 550002, China; 2. Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)

This paper researched on domestic 600MW turbine generator. By field testing, the dynamic changes of elevation of each bearing equatorial plane was obtained, and factors that affect each bearing dynamic elevation change were found. The research shows that changes of the parameters of the unit have a great impact on each bearing. During unit rotation and acceleration process, bearing elevation changes mainly depend on the change of temperature of the bearing itself. The results provide a reference of rational allocation of dynamic load of bearings and ensure the safe operation of the unit.

turbo-generating unit; bearing; dynamic elevation; test

TM311

A

1000-3983(2017)05-0047-05

中國南方電網(wǎng)公司科技項目（K-GZ2012-136）

2016-10-20

張世海（1983-），2009年畢業(yè)于長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院熱能與動力工程專業(yè)，研究生學(xué)歷，中級職稱，現(xiàn)從事汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷工作。