李 俊，董來(lái)生

（三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443133）

1 機(jī)組推力軸承結(jié)構(gòu)介紹

1.1 推力瓦支撐系統(tǒng)

ALSTOM機(jī)組推力瓦支撐由支撐盤、支柱螺栓、支撐座組成，如圖1（a）所示。支撐盤用螺栓固定在托瓦上以增大其接觸面，使荷載分布更為廣泛，可避免過(guò)大的負(fù)荷作用于托瓦的中心，從而減小托瓦變形的傾向。支撐盤放置于承重螺栓上（頂部為半徑1100mm的球面），承重螺栓通過(guò)固定在下機(jī)架上的錐形支撐座將推力負(fù)荷傳遞到下機(jī)架。推力瓦支柱螺栓內(nèi)部裝有負(fù)荷傳感器和測(cè)量桿如圖1（b）所示，推力瓦上的不均衡載荷會(huì)造成各支柱螺栓間的壓力差，從而在長(zhǎng)度L=223mm段（支柱螺栓螺紋以上部分）上產(chǎn)生不同的壓縮變形，帶動(dòng)側(cè)桿向下位移，在傳感器上產(chǎn)生位移信號(hào)，通過(guò)電子位移表得出支柱螺栓不同的變形數(shù)值，即可得到推力瓦受力值。

圖1 推力瓦支撐結(jié)構(gòu)

1.2 推力瓦結(jié)構(gòu)

推力瓦主要由托瓦、薄瓦以及托瓦和薄瓦之間的支柱銷組成，如圖2所示。薄瓦和托瓦之間按部位受力不同安裝4種規(guī)格、彈性不同的34個(gè)垂直支柱銷。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，推力瓦受到的不均勻力由小支柱不同的彈性變形來(lái)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)瓦的撓度變形。另外，支柱銷將托瓦和薄瓦分開(kāi)，使托瓦溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于薄瓦溫度，托瓦幾乎沒(méi)有熱變形，托瓦在支柱銷的壓力作用下，主要產(chǎn)生彈性變形。

圖2 推力瓦結(jié)構(gòu)圖

2 推力軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)

推力軸承承擔(dān)著整個(gè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的重量與工作載荷，是水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)中最核心的部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的可靠性。對(duì)推力軸承潤(rùn)滑油品跟蹤監(jiān)測(cè)分析，可獲得推力軸承摩擦副的潤(rùn)滑與磨損信息，預(yù)測(cè)設(shè)備磨損故障隱患，避免設(shè)備重大事故發(fā)生。為實(shí)現(xiàn)大型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承全面監(jiān)測(cè)，三峽電站700MW機(jī)組推力軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑油、推力瓦油膜厚度和推力瓦受力等多參數(shù)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息的融合，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在同一軟件平臺(tái)上顯示，如圖3和圖4所示。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

2.1 推力軸承油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 油液在線監(jiān)測(cè)原理及主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)

推力軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Υ笮退啓C(jī)組的潤(rùn)滑磨損狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控與智能診斷，為潤(rùn)滑管理與維護(hù)提供決策依據(jù)，其在線監(jiān)測(cè)的原理為：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過(guò)油泵從推力油槽取樣，將有代表性的油樣不間斷地輸送到位于油槽外裝有各類傳感器的集成系統(tǒng)；傳感器采集信號(hào)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議輸送到單元控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，控制系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了油液系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖5所示。

圖5 油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括：油液磨損顆粒圖像在線采集、顆粒濃度參量、油液黏度、水分、介電常數(shù)、污染度及溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖6所示。由于油液黏度參數(shù)分析在實(shí)際工程應(yīng)用中受潤(rùn)滑油溫度影響，根據(jù)GB/T265-88標(biāo)準(zhǔn)，潤(rùn)滑油的各溫度下的黏度轉(zhuǎn)換到溫度為40℃黏度比較才有意義，因此，該系統(tǒng)通過(guò)理論公式轉(zhuǎn)換，對(duì)傳感器輸出信息進(jìn)行黏溫補(bǔ)償計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了40℃下的黏度比較。

圖6 油液在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)

2.1.2 油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為校核油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)在線和離線檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。從數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，粘度化驗(yàn)結(jié)果基本一致，數(shù)據(jù)相差1.74mm2/s，且雙方數(shù)據(jù)均在41.44～50.6mm2/s之間，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；水分化驗(yàn)結(jié)果略有差異，水分含量分別為30ppm、76ppm，存在略微差異可能是由于油液送檢過(guò)程中，吸收空氣水分所致，但兩者數(shù)據(jù)均滿足＜100ppm的標(biāo)準(zhǔn)； 油品污染等級(jí)化驗(yàn)結(jié)果基本一致，光譜分析各種顆粒含量極低，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比結(jié)果表明在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠，滿足分析要求。

表1 油液檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 推力軸承油膜厚度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐表明，大型水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承發(fā)生的故障占水力機(jī)械總事故率的55%～70%[1]，而油膜厚度是保證推力軸承可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的最主要參數(shù)，也是檢測(cè)難度最大的參數(shù)，其厚度測(cè)量問(wèn)題是解決推力軸承潤(rùn)滑故障的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前對(duì)推力軸承油膜厚度的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，提出了多種檢測(cè)方法。其中較為常見(jiàn)的油膜厚度檢查方法包括：電阻法、電容法、電渦流法、光干涉法、光纖傳感器法、磁阻法、阻容振蕩法、超聲波法等[2]。本文采用非接觸式電渦流傳感器，測(cè)量機(jī)組不同負(fù)荷下的推力瓦油膜厚度。

2.2.1 推力軸承油膜厚度在線監(jiān)測(cè)方法

采用工程中常用的電渦流法測(cè)量推力軸承油膜厚度，具體測(cè)量方法為：在推力瓦進(jìn)油邊上布置2套傳感器，2個(gè)測(cè)點(diǎn)相隔90°，如圖7和圖8所示。該方法實(shí)現(xiàn)了在不破壞推力瓦結(jié)構(gòu)，且無(wú)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的前提下，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推力瓦油膜厚度的變化情況，為推力瓦的潤(rùn)滑可靠性及突發(fā)故障的原因分析提供了監(jiān)測(cè)依據(jù)。

圖7 位移傳感器安裝示意圖

圖8 傳感器布置示意圖

2.2.2 推力軸承油膜厚度數(shù)據(jù)分析

高壓油減載系統(tǒng)啟動(dòng)后，在推力瓦面和鏡板間形成一個(gè)具有一定厚度的油膜，據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，高壓減載系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，最小油膜厚度控制在50μm左右，是足夠安全的[3]。如圖9所示，機(jī)組高壓減載系統(tǒng)啟動(dòng)后，推力瓦油膜厚度為60μm左右，滿足運(yùn)行要求；當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升至100% Ne時(shí)，油膜厚度從60μm上升至110μm左右；當(dāng)機(jī)組在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，推力瓦進(jìn)油邊油膜厚度穩(wěn)定在125～135μm之間。

圖9 三峽700MW機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程油膜厚度變化趨勢(shì)圖

在推力軸承運(yùn)行穩(wěn)定條件下，根據(jù)推力軸承潤(rùn)滑計(jì)算公式（1），隨推力負(fù)荷增加，推力瓦出口邊最小油膜厚度將減小[3]。在忽略瓦塊的變形條件下，油膜厚度在瓦面的分布只與瓦的傾角狀態(tài)有關(guān)[4-5]，因此，隨推力負(fù)荷的增加，推力瓦進(jìn)出口邊油膜厚度將減小。

式中：h為軸瓦出口邊最小油膜厚度，單位mm；pφ為負(fù)載系數(shù)；λ為油液在運(yùn)行溫度下的平均粘度，單位kgf.s/m2；υ為推力軸承平均周速，單位m/s；p為推力總負(fù)荷，單位kgf，l為推力瓦周向長(zhǎng)度，單位cm；

圖10為三峽700MW機(jī)組負(fù)荷與油膜厚度變化關(guān)系曲線圖。由圖可知，推力瓦進(jìn)口邊油膜厚度與機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)相反，這與公式（1）分析的隨負(fù)荷增加，油膜厚度將減小的結(jié)論一致。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，機(jī)組負(fù)荷在640～700MW變化時(shí)，油膜厚度變化范圍在15μm左右。

圖10 三峽700MW機(jī)組負(fù)荷與油膜厚度變化關(guān)系曲線圖

2.3 推力瓦受力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

ALSTOM機(jī)組推力軸承的支撐形式為剛性支柱螺栓形式，推力瓦受力不具有自調(diào)節(jié)能力，如機(jī)組運(yùn)行時(shí)推力瓦受力不均勻，將引起各推力瓦溫溫差較大，嚴(yán)重時(shí)甚至引起燒瓦事故。目前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)推力軸承監(jiān)測(cè)的研究主要集中在溫度監(jiān)測(cè)上[6]，一般溫度傳感器的傳統(tǒng)安裝方式是插入到瓦內(nèi)，實(shí)際檢測(cè)的是瓦體溫度而不是瓦面溫度，以至溫度檢測(cè)在發(fā)生異常情況下存在滯后監(jiān)視，在發(fā)生警報(bào)時(shí)已釀成重大事故。因此，除了進(jìn)一步改善瓦溫的監(jiān)測(cè)方式外，應(yīng)對(duì)推力瓦受力進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

2.3.1 推力瓦受力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

在現(xiàn)有推力軸承受力測(cè)量基礎(chǔ)條件下，利用原有受力測(cè)量傳感器，開(kāi)發(fā)專用軟件系統(tǒng)與硬件采集器，將受力傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)24塊推力瓦受力情況的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，如圖11、圖12，結(jié)合油液和油膜厚度相關(guān)參數(shù)在同一軟件平臺(tái)顯示，以提高推力軸承診斷分析的準(zhǔn)確性和便捷性。

圖11 推力瓦受力壓縮監(jiān)測(cè)界面

圖12 推力瓦受力壓縮柱狀圖

2.3.2 推力受力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖13為三峽700MW水輪發(fā)電機(jī)組在相同水頭下，不同負(fù)荷時(shí)推力瓦受力曲線圖。由圖可知，在相同水頭下，推力瓦受力隨機(jī)組負(fù)荷增加而增大。機(jī)組停機(jī)時(shí)，推力瓦受力壓縮值最小，其壓縮平均值為121μm，這是由轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量產(chǎn)生的壓縮值；機(jī)組空載時(shí)，推力瓦受力壓縮平均值為157μm，比停機(jī)時(shí)增加36μm；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增至640MW時(shí)，推力瓦受力壓縮平均值為178μm，比停機(jī)和空載時(shí)壓縮平均值分別增加47%和13%；隨機(jī)組負(fù)荷增至額定負(fù)荷，推力瓦受力壓縮平均值變化不大，在680MW和700MW時(shí)，壓縮平均值分別為181μm和183μm。

圖13 推力瓦受力隨機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文研究的水輪機(jī)組潤(rùn)滑油液狀態(tài)、推力瓦油膜厚度、推力瓦受力狀況、有功功率和轉(zhuǎn)速的“集成在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)組多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息的融合，是我國(guó)水電行業(yè)水輪機(jī)組多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的集成創(chuàng)新。

（2）油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)組潤(rùn)滑油的黏度、水分、污染度、介電常數(shù)及磨損金屬顆粒等多信息的集成檢測(cè)，提供了油液狀態(tài)信息的采集處理和潤(rùn)滑磨損狀態(tài)的診斷等功能，保證了水輪機(jī)組潤(rùn)滑磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性和及時(shí)性。

（3）油膜厚度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推力瓦油膜厚度的變化情況，為推力瓦的潤(rùn)滑可靠性及突發(fā)故障的原因分析提供了依據(jù); 推力瓦受力在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組24塊推力瓦受力的集中采集，減輕了設(shè)備維護(hù)人員工作量，為推力軸承的運(yùn)行狀態(tài)提供了直觀的數(shù)據(jù)，為機(jī)組檢修提供了參考依據(jù)。