水轮发电机推力轴承在线振动监测系统设计与应用

(三峡电力职业学院 动力工程学院，湖北 宜昌 443000)

1 研究背景

推力轴承是水轮发电机的关键部件，支持水轮发电机组转动部分重量和水推力，由镜面推力头和推力轴瓦组成，其性能关系到整个机组的稳定性、可靠性和经济性。国外水力发电机组故障统计数据表明，约有50%～60%的机组故障由推力轴承引起，由此引起的故障停机比较普遍。我国建成投产的大型水电机组，如水口、广蓄、吉林台、白山、龙羊峡等水电厂发电机组都曾发生过推力轴承瓦温升高，瓦面磨损的故障现象。近年来，制造厂商和科研单位做出了巨大努力来改进轴承结构和轴瓦材料，但推力轴承故障问题的现状没有得到根本改变。推力轴承运行参数较多，目前机组运行中主要监测对象是推力瓦温和油温[1],对于推力轴承的其他重要运行参数，如推力瓦不水平、推力瓦不水平方位、镜板与主轴不垂直、镜板与主轴不垂直方位、镜板波浪度等还难以实施在线监测。因此，对推力轴承实施振动监测，并通过量化分析的手段获取推力轴承的上述状态数据，是保证机组安全经济运行的振动故障研究的重要手段之一。

众所周知，温度量是慢变量，当推力瓦温和油温升高时，表明故障已经发生了，因而在故障预警中无法担当起重要的职责，与之相比较，振动量则是一种快变量，它能对推力轴承在运行中出现的潜在风险作出实时的反应，只要对振动量进行恰当的处理，则不仅能够预警故障，还能获得产生故障的原因。

推力轴承在线振动监测系统是针对上述问题开发出来的一种新型监测系统。该系统具备连续采样数据8阶抗混滤波，截止频率20～2 000 Hz可程控调整的能力，以键相信号为基准计算判定推力瓦不水平方位、镜板与大轴的不垂直方位，以若干个电涡流传感器(本文介绍的测试方案中，选择3只传感器)测量的振动位移参数为基本参数，计算得到镜板波浪度、镜板与大轴的不垂直度、推力瓦不水平度等重要参数。该系统应用方便可靠，测量、计算精度高。目前，该系统已经在水电厂得到应用，并具有较高的应用和推广价值。

2 系统体系

2.1 系统设计思想和应用目标

系统设计思想：利用在推力轴承内垂直方向安装的多只电涡流传感器，利用涡流效应原理，振动位移发生变化，传感器的阻抗发生变化，利用阻抗变化可测出其检波电压，电压大小便可反映出传感器与镜板间的振动位移。镜板振动位移测量信号经过分解及矢量合成，可获得推力瓦不水平度、推力瓦不水平方位、镜板与主轴不垂直度、镜板与主轴不垂直方位、镜板波浪度等重要参数。将镜板位移信号分离去除机组的轴向振动信号，剩余信号分量则是镜板与主轴不垂直度及镜板波浪度合成的信号；推力瓦不水平的测量由不同工况下信号的变化计算获得，镜板与主轴不垂直方位、推力瓦不水平方位由键相信号作为基准进行计算获得。

系统的应用目标：上述推力轴承振动测量所获得的数据，一方面可以对镜板的轴向振动进行波形分析和频谱分析，掌握机组转动部分轴向振动的基本情况；另一方面，镜板振动位移信号经过分解及矢量合成，获得的推力瓦不水平、推力瓦不水平方位、镜板与主轴不垂直、镜板与主轴不垂直方位、镜板波浪度等重要参数，既可以作为评估推力轴承运行状态的依据，也可以对推力轴承的检修提供直接的参考数据，同时也确定了推力轴承检修的方向与重点，如果结合检修前后数据进行对比，还可以对推力轴承的检修效果进行评价。

2.2 系统结构

推力轴承在线振动监测系统结构示意图见图1，系统由4部分组成：传感器、数据采集预处理装置、数据服务器和软件平台。

图1 推力轴承在线振动监测系统结构示意图

2.2.1 传感器

本系统在实现对推力轴承在线监测的过程中对被测点的振动位移和键相块的相位进行连续采样，必须装设相应的传感器，本系统采用电涡流传感器测量推力镜板的轴向振动位移数据，为识别键相块的相位，采用电涡流传感器。

(1) 推力镜板轴向振动位移测量用传感器，安装方位、安装方法见图2,图3。3只传感器安装在推力油盆内部镜板下方，传感器探头表面低于推力瓦的水平面，传感器探头表面与镜板之间的距离应在传感器的线性测量范围之内，3只传感器均匀布置在同一圆周上，当传感器无法均布时，应记录好3只传感器布置方位的角度差，以便计算时给予修正(由软件系统自动完成)；传感器采用专用支架固定在推力瓦之间的空隙处。

图2 传感器安装示意图

技术参数：

线性量程0.4～4.4 mm；

频响范围0～20 kHz(-3 dB)；

灵敏度8 mV/μm；

线性度±1%；

输出-2～-18 V；

工作温度-40～180 ℃，漂移<5%；

供电电源-24 V。

(2) 键相信号测量用传感器，键相块安装方位见图3。传感器技术参数与镜板轴向振动位移测量用传感器相同。

图3 键相块的安装方位示意图

2.2.2 数据采集预处理装置

对输入信号进行放大滤波、AD转换，再将处理好的信号通过高速并口传输给预处理模块，预处理模块对信号进行预处理，提取相关数据及由这些数据派生出的特征数据、趋势数据等(表1)，一方面将这些数据通过显示器向用户显示；另一方面通过网络通信模块将这些数据传给数据服务器，供电厂局域网上的用户使用。

表1 数据采集预处理装置技术指标

(1) 振动信号的采集预处理，原理见图4。

图4 模拟信号调理模块外部接口电路原理图

(2) 键相信号的采集预处理，其键相信号的产生是通过在大轴上做一凸台(4 mm左右)作为键相点，并在相应位置放置一只4 mm线性量程的电涡流传感器作为键相信号传感器。大轴旋转过程中，由于大轴振动距传感器较远，传感器会产生一接近满量程信号，而当键相块通过传感器时由于凸台作用将会产生相应的位移突变，形成一个脉冲，这一脉冲信号通过信号处理将向系统发出一中断信号，即键相信号[2]。2个键相信号间的时间间隔即是机组旋转1周所用时间。

利用键相信号一方面可以判断故障产生的方位，另一方面在数据采集过程中可以精确地按照整周期采样，避免频谱分析中的混叠和泄漏现象[3]。

当传感器产生一脉冲量输入系统后，系统首先对脉冲信号进行放大[4]。然后再通过比较器对其进行比较，为提高系统的抗干扰能力，特将比较器设计为施密特滞回比较器[5]，比较电压可通过电位器在-12～12 V之间进行线性调节，由此产生一标准脉冲信号。

2.2.3 数据服务器

数据服务器是存储系统历史数据的计算机。可以根据实际需要选择一款标配高性能计算机。

2.2.4 软件平台

软件平台是实现推力轴承在线振动监测系统的核心关键，该软件平台由2部分构成：软件设置平台(见图5)实现了系统参数设置、运控参数设置、计算用参数设置、通道率定、传感器率定、滤波/开关量设置等；数据采集、分析诊断平台(见图6)实现了数据采集与处理、实时监测、数据分析、试验报告、状态报告等全部功能。

图5 软件设置平台

图6 数据采集、分析诊断平台

3 系统应用

3.1 推力轴承故障机理

3.1.1 推力轴承的刚度特性[6]

推力轴承结构不同，其刚度也各异。水力发电机组常用的推力轴承包括刚性支撑、弹性油箱支撑、平衡块支撑、弹簧支撑、支点-弹簧推力轴承、弹性圆盘支撑等结构型式。比较典型的结构是刚性支撑和弹性油箱支撑。刚性支撑推力轴承在中、小容量的机组中采用较多，缺点是各瓦受力不均匀度较大；弹性油箱支撑的推力轴承适用于大容量机组，推力瓦由弹性油箱支撑，各油箱由油管相连并通入压力油，运行时瓦的不均匀负荷由弹性油箱均衡，使各瓦受力均匀。

3.1.2 推力轴承油膜

机组运行时，推力轴承镜板与推力瓦面之间会形成一层油膜，油膜传递负荷，且防止镜板与推力瓦直接接触。油膜厚度与轴向负荷、推力瓦结构、温度、油的黏度、机组转速等因素有关，一旦油膜破坏，就会导致事故停机。

3.1.3 推力瓦机械变形(推力瓦不水平度)

在巨大的轴向推力作用下，轴瓦机械变形大，轴瓦在圆周方向凸起，综合轴瓦因温度升高而产生的热变形，可能会导致局部油膜破坏，造成推力瓦磨损。

3.1.4 镜板波浪度[7]

镜板波浪度是影响推力轴瓦(含弹性金属塑料瓦)使用寿命的重要因素。通常镜板波浪度控制在≤0.05 mm。许多推力镜板波浪度超过了限定值，使轴瓦接触面积仅有40%～60%，使得轴瓦运行温度升高。

3.1.5 镜板与主轴的不垂直度

镜板与主轴的不垂直度偏大，会导致转动部分轴向振动和水平摆度加剧。

3.2 数据分析方法

在下述计算中，还要用到上导摆度、下导摆度以及水导摆度等监测数据作为辅助计算值。

镜板轴向振动数据：选择机组运行过程中镜板在各种因素综合作用下的轴向振动峰峰值；

大轴与镜板的不垂直度：由镜板与大轴不垂直度所造成的轴向振动表现为转频振动，转频振动幅值恒定，不受轴向振动及镜板波浪度等因素的影响，算法为选择停机工况，即当转速达98%额定转速时的轴向振动成分中的转频峰峰值；

镜板波浪度：镜板的初始机械变形以及热变形，算法为选择停机工况，即机组在机械制动之前的低转速状态，滤除由不垂直度对轴向振动所产生的转频成分后的通频成分；

推力瓦不水平度：推力轴承各个瓦的水平高度差，算法为选择停机工况，即机组在机械制动之前的低转速状态，此时传感器与镜板间隙值(3只传感器测量的间隙值的均值)所确定的镜板平面，计算低转速过程中(近似于此时没有不平衡质量力、不平衡水力、不平衡电磁力的影响)镜板平面的变化，根据两平面夹角的变化判断推力瓦的不水平度；

热变形：机组运行过程中，由于推力瓦受力不匀造成镜板表面形貌出现变化，反映为镜板轴向振动信号中的直流成分的变化。

3.3 应用案例

以某水电厂半伞式水轮发电机组为例，选择停机过程中某些特定工况进行分析计算，结果如图7和表2。

图7 推力轴承状态示意图

表2 数值计算结果

4 结 语

本文简单介绍了一种推力轴承在线振动监测系统的硬件和软件平台，阐述了数据处理的关键技术和方法。目前，该系统已在国内多台水电机组上获得了成功应用，弥补了技术空白。由于该系统具有通用性强、精度高等特点，因此有较好的实用与推广价值。

参考文献：

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