歐陽寧東，楊培平，蔣牧龍

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

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

進行真機推力負(fù)荷測量試驗，不僅僅能夠直觀的了解機組推力負(fù)荷變化的真實情況，還能夠給機組的科學(xué)運行和維護提供重要的數(shù)據(jù)參考[2]。對于機組設(shè)計方而言，通過實測值與設(shè)計值的對比，可以判斷機組初步設(shè)計時提出的推力負(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架測量的方案，采用的方法有應(yīng)力測試法和機架撓度測試法[3，4]。

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

機架撓度測試法是將機架受力形變量換算為機組軸向推力負(fù)荷的方法。該方法基本不受電磁場干擾，目前主要采用電渦流傳感器進行測量。該方法需要先換算受力和機架撓度的函數(shù)關(guān)系作為基準(zhǔn)，最終根據(jù)機組撓度測量值換算成推力負(fù)荷。試驗過程中，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算結(jié)果。

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

2 基于推力軸承的推力負(fù)荷測試

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

隨著測試技術(shù)進步，以前的實驗室技術(shù)能夠逐漸應(yīng)用在電廠真機上。近幾年，東方電機成功的在不同類型機組進行了基于推力軸承的推力負(fù)荷測試測試。

3 剛性支承結(jié)構(gòu)的推力負(fù)荷測試

3.1 剛性支承結(jié)構(gòu)

抽水蓄能機組要實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，其推力軸承需采用中心支撐[5]，對于推力負(fù)荷較小的機組，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和旋轉(zhuǎn)，對推力瓦的軸向移動只起導(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，另一端連接機架。支撐桿是中空的，中心有一根測量桿。測量桿頭部安裝在托盤背面，尾部延伸至支撐桿底部中心。測量桿有很好的剛度，尾部懸空且與支撐桿不接觸。

3.2 測試原理

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

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狀態(tài)和轉(zhuǎn)軸頂起狀態(tài)兩個特殊工況進測量。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)的計算公式簡化成下面公式。

式中k——受力與變形線性關(guān)系系數(shù)；

G——機組轉(zhuǎn)動部分總重量；

n——推力軸承瓦總數(shù)；

Δd——自然停機狀態(tài)支撐桿變形量。

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

式中F——機組軸向推力負(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 測試方案

現(xiàn)場采用了高精度千分表進行測量，量程超過10mm，測試精度達(dá)到微米級。測試結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)信號同步輸出，一級信號傳輸距離達(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，探針與測量桿尾部接觸。當(dāng)推力瓦受軸向力時，支撐桿產(chǎn)生受壓變形，而測量桿不產(chǎn)生變形。測量支撐桿尾部與測量桿尾部的相對軸向位移，即可認(rèn)為是支撐桿的軸向變形值。

信號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)，需要將信號引出至基坑外，一次數(shù)據(jù)采集的距離無法滿足這個距離。所以將數(shù)據(jù)采集模塊安裝在基坑內(nèi)，經(jīng)過信號采集放大，然后再傳輸至基坑外，供測試人員實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 現(xiàn)場測試方案Figure 3 Test scheme in site

3.4 測試結(jié)果

分別在三臺抽蓄機組進行相同的試驗，推力負(fù)荷測試結(jié)果見表1、圖4。

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

圖4 推力負(fù)荷與轉(zhuǎn)動體對比Figure 4 Comparison of thrust load and rotor

現(xiàn)場測試結(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)荷均小于機組轉(zhuǎn)動部分重量，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號機推力負(fù)荷均大于1號機和2號機。

（4）推力負(fù)荷最大值發(fā)生在4號號機的抽水工況下。此時水推力為正值，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架。推力瓦由多點支撐受力、推力軸承適應(yīng)性更強[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架上。托瓦下的小彈簧束按照一定規(guī)則分布，能夠保證機組運行時，機械變形和熱變形對軸承性能影響最小。

4.2 測試原理

由于推力瓦面各個位置的壓力不同，要在整個推力瓦面不同位置安裝壓力傳感器，壓力測點覆蓋整個瓦面。根據(jù)測點壓力數(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個小瓦面，每一塊小瓦面的面積為Ai，用差值法計算出每塊小瓦面平均壓力為pi，機組推力負(fù)荷則可以通過以下方法計算得到[10]。

式中F——機組軸向推力負(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 測試方案

在推力瓦面鉆小孔，用壓力傳感器測試瓦面油膜壓力，即推力瓦與鏡板面接觸面的某點壓力。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滑油中，推力油槽在發(fā)電機層基坑內(nèi)。要在推力瓦面安裝傳感器，必須考慮傳感器信號線引出和密封的問題。

選擇兩個對稱位置進行推力軸承瓦面的壓力測試，如圖7所示。

將兩塊試驗瓦代替真機瓦分別安裝到各自的位置。試驗瓦與真機瓦不同之處在于試驗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。

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

4.4 測試結(jié)果

在測試軟件界面上，能夠直接觀察到測試瓦面上各個測點的壓力變化情況。圖8為機組運行時二號測試瓦現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同位置的壓力值，可以對瓦面壓力場進行更細(xì)致的插值計算，圖9為根據(jù)測點數(shù)據(jù)擬合出的額定工況下某瓦面壓力分布曲面圖，通過積分計算能夠得到單塊瓦推力負(fù)荷。

圖7 現(xiàn)場測試方案Figure 7 Test scheme in site

圖8 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Figure 8 Test data in site

經(jīng)過可重復(fù)驗證的多次試驗，得到較穩(wěn)定的數(shù)值。將測試數(shù)據(jù)進行類比和分析計算，可以較準(zhǔn)確的測算出整個機組的推力負(fù)荷。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以得到表2中的結(jié)果。

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

（2）機組額定工況運行時，推力負(fù)荷略小于轉(zhuǎn)動體重量，說明該水輪發(fā)電機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)荷測試結(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)動體重量占推力負(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。這個問題今后需要進一步研究和總結(jié)。

東方電機已經(jīng)掌握了基于推力軸承的推力負(fù)荷測試技術(shù)，有能力在推力瓦上進行真機測試試驗[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。