基于推力軸承的水輪發電機組推力負荷測試研究

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

推力負荷是水輪發電機設計時的關鍵輸入參數，對推力軸承的設計和計算有重大影響，主要由水輪發電機組轉動部分自重和機組運行時的軸向水推力組成[1]。機組轉動部分重量計算誤差不大，而軸向水推力卻很難計算準確。出于安全考慮，通常在設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，推力負荷設計值偏差較大，不僅提高了機組設計難度，機組制造成本也增加許多。

進行真機推力負荷測量試驗，不僅僅能夠直觀的了解機組推力負荷變化的真實情況，還能夠給機組的科學運行和維護提供重要的數據參考[2]。對于機組設計方而言，通過實測值與設計值的對比，可以判斷機組初步設計時提出的推力負荷值是否合理，從而更準確的指導后續機組開發。

1 目前行業內現狀

目前行業內推力負荷數據的獲取主要是基于機架測量的方案，采用的方法有應力測試法和機架撓度測試法[3，4]。

應力測試法是在機組承重機架上貼應變片，通過測量機架上的應力變化值，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關系作為基準，最終根據機組撓度測量值換算成推力負荷。試驗過程中，基準函數式關系很難準確的得到，需要反復修正，這可能直接影響最終計算結果。

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構的基礎上進行試驗，但僅能夠反映推力負荷相對值大小。

2 基于推力軸承的推力負荷測試

推力軸承是水輪發電機組的核心部件，它承受整個機組所有的軸向負荷，是機組平穩運行的基礎。如果能夠測量所有推力軸承的軸向負荷，就能夠確定機組水推力大小。該方法具有簡單直觀，測量中間環節較少等優點。在東方電機高速推力軸承試驗臺上已經應用多年。

隨著測試技術進步，以前的實驗室技術能夠逐漸應用在電廠真機上。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荷測試測試。

3 剛性支承結構的推力負荷測試

3.1 剛性支承結構

抽水蓄能機組要實現雙向旋轉，其推力軸承需采用中心支撐[5]，對于推力負荷較小的機組，采用可調節的剛性支撐也能保證推力軸承性能[6]。中部地區某300MW抽蓄機組的推力軸承采用剛性支承結構，推力瓦采用單層瓦、支承方式采用單托盤加可調節剛性支柱[7]，如圖1所示。

圖1 推力軸承剛性支撐結構Figure 1 Rigid support structure of thrust bearing

推力油槽內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，對推力瓦的軸向移動只起導向作用，而推力瓦的軸向負荷由支撐桿承受。

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構，可以將推力負荷的測量轉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關系。我們分別選取自然停機狀態和轉軸頂起狀態兩個特殊工況進測量。兩種狀態下可以確定支承桿受力與變形的線性關系系數。由于轉軸頂起狀態下，推力軸承不承受軸向力，于是線性系數的計算公式簡化成下面公式。

式中k——受力與變形線性關系系數；

G——機組轉動部分總重量；

n——推力軸承瓦總數；

Δd——自然停機狀態支撐桿變形量。

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

式中F——機組軸向推力負荷；

ki——第i塊推力瓦受力與變形線性關系系數；

Δdi——第i塊推力瓦變形量；

n——推力軸承瓦總數。

3.3 測試方案

現場采用了高精度千分表進行測量，量程超過10mm，測試精度達到微米級。測試結果能夠實現信號同步輸出，一級信號傳輸距離達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。當推力瓦受軸向力時，支撐桿產生受壓變形，而測量桿不產生變形。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，需要將信號引出至基坑外，一次數據采集的距離無法滿足這個距離。所以將數據采集模塊安裝在基坑內，經過信號采集放大，然后再傳輸至基坑外，供測試人員實時監測數據。

圖3 現場測試方案Figure 3 Test scheme in site

3.4 測試結果

分別在三臺抽蓄機組進行相同的試驗，推力負荷測試結果見表1、圖4。

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

圖4 推力負荷與轉動體對比Figure 4 Comparison of thrust load and rotor

現場測試結果表明：

（1）抽水工況的推力負荷大于發電工況。

（2）發電工況下，推力負荷均小于機組轉動部分重量，表明發電工況水推力為負值，方向朝上。

（3）在抽水和發電兩種工況下，4號機推力負荷均大于1號機和2號機。

（4）推力負荷最大值發生在4號號機的抽水工況下。此時水推力為正值，方向朝下。

4 小彈簧束支承結構的推力負荷測試

4.1 小彈簧支承結構

云南某巨型混流式水輪發電機組推力軸承采用小彈簧束支承結構。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、推力軸承適應性更強[8，9]，如圖5所示。

圖5 推力軸承小彈簧支撐結構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。根據測點壓力數據，可以擬合壓力曲面，繪制推力瓦面壓力分布圖。將瓦面細分成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——機組軸向推力負荷；

Ai——第j塊推力瓦細分的第i塊小瓦面面積；

pi——第j塊推力瓦細分的第i塊小瓦面平均壓力；

m——推力瓦細分成小瓦面的總數；

n——推力軸承瓦總數。

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 壓力傳感器安裝結構Figure 6 Installation structure of pressure sensor

推力軸承浸泡在推力油槽的潤滑油中，推力油槽在發電機層基坑內。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。信號通過屏蔽導線傳輸至發電機基坑外的測試系統。通過數據采集和處理，直觀的反應在測試計算機上。

4.4 測試結果

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場數據。

根據不同位置的壓力值，可以對瓦面壓力場進行更細致的插值計算，圖9為根據測點數據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荷。

圖7 現場測試方案Figure 7 Test scheme in site

圖8 現場測試數據Figure 8 Test data in site

經過可重復驗證的多次試驗，得到較穩定的數值。將測試數據進行類比和分析計算，可以較準確的測算出整個機組的推力負荷。根據測試數據可以得到表2中的結果。

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

（2）機組額定工況運行時，推力負荷略小于轉動體重量，說明該水輪發電機在額定工況下水推力也為負值。

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 結束語

根據以上推力負荷測試結果來看，發現水輪發電機轉動體重量占推力負荷比重較大，額定工況下水輪發電的水推力有可能為負值[11]，這與通常認知有所不同。這個問題今后需要進一步研究和總結。

東方電機已經掌握了基于推力軸承的推力負荷測試技術，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雜軸承問題，提供新的思路和辦法。