基于推力轴承的水轮发电机组推力负荷测试研究

欧阳宁东，杨培平，蒋牧龙

（东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000）

0 引言

推力负荷是水轮发电机设计时的关键输入参数，对推力轴承的设计和计算有重大影响，主要由水轮发电机组转动部分自重和机组运行时的轴向水推力组成[1]。机组转动部分重量计算误差不大，而轴向水推力却很难计算准确。出于安全考虑，通常在设计时会把水推力值估算大一些，但是如果水推力估值过大，会导致推力轴承比压增大或者尺寸扩大，这样做不仅提高了机组自身运行损耗，降低机组运行效率，而且给机组检修也带来不便。尤其是对于抽蓄以及大型机组，推力负荷设计值偏差较大，不仅提高了机组设计难度，机组制造成本也增加许多。

进行真机推力负荷测量试验，不仅仅能够直观的了解机组推力负荷变化的真实情况，还能够给机组的科学运行和维护提供重要的数据参考[2]。对于机组设计方而言，通过实测值与设计值的对比，可以判断机组初步设计时提出的推力负荷值是否合理，从而更准确的指导后续机组开发。

1 目前行业内现状

目前行业内推力负荷数据的获取主要是基于机架测量的方案，采用的方法有应力测试法和机架挠度测试法[3，4]。

应力测试法是在机组承重机架上贴应变片，通过测量机架上的应力变化值，换算为机组轴向推力值。该方法在机组运行时，受电磁场干扰较大，存在一定的误差，仅能够做定性分析。

机架挠度测试法是将机架受力形变量换算为机组轴向推力负荷的方法。该方法基本不受电磁场干扰，目前主要采用电涡流传感器进行测量。该方法需要先换算受力和机架挠度的函数关系作为基准，最终根据机组挠度测量值换算成推力负荷。试验过程中，基准函数式关系很难准确的得到，需要反复修正，这可能直接影响最终计算结果。

基于机架的测试方案可操作性强，可以在不改变机组原有结构的基础上进行试验，但仅能够反映推力负荷相对值大小。

2 基于推力轴承的推力负荷测试

推力轴承是水轮发电机组的核心部件，它承受整个机组所有的轴向负荷，是机组平稳运行的基础。如果能够测量所有推力轴承的轴向负荷，就能够确定机组水推力大小。该方法具有简单直观，测量中间环节较少等优点。在东方电机高速推力轴承试验台上已经应用多年。

随着测试技术进步，以前的实验室技术能够逐渐应用在电厂真机上。近几年，东方电机成功的在不同类型机组进行了基于推力轴承的推力负荷测试测试。

3 刚性支承结构的推力负荷测试

3.1 刚性支承结构

抽水蓄能机组要实现双向旋转，其推力轴承需采用中心支撑[5]，对于推力负荷较小的机组，采用可调节的刚性支撑也能保证推力轴承性能[6]。中部地区某300MW抽蓄机组的推力轴承采用刚性支承结构，推力瓦采用单层瓦、支承方式采用单托盘加可调节刚性支柱[7]，如图1所示。

图1 推力轴承刚性支撑结构Figure 1 Rigid support structure of thrust bearing

推力油槽内的推力轴承瓦通过托盘安放在推力轴承座上，推力轴承座仅限制推力瓦的水平移动和旋转，对推力瓦的轴向移动只起导向作用，而推力瓦的轴向负荷由支撑杆承受。

支撑杆一端连接推力瓦托盘，另一端连接机架。支撑杆是中空的，中心有一根测量杆。测量杆头部安装在托盘背面，尾部延伸至支撑杆底部中心。测量杆有很好的刚度，尾部悬空且与支撑杆不接触。

3.2 测试原理

这种刚性支承的推力轴承结构，可以将推力负荷的测量转化为对支承杆轴向变形的测量，通过不同单位之间的换算最终得到推力瓦的轴向负荷。这个测试过程类似于机架挠度测试。

首先需要确定推力瓦轴向受力和支撑杆变形量之间的函数关系。我们分别选取自然停机状态和转轴顶起状态两个特殊工况进测量。两种状态下可以确定支承杆受力与变形的线性关系系数。由于转轴顶起状态下，推力轴承不承受轴向力，于是线性系数的计算公式简化成下面公式。

式中k——受力与变形线性关系系数；

G——机组转动部分总重量；

n——推力轴承瓦总数；

Δd——自然停机状态支撑杆变形量。

然后在保持测试元件位置不变的情况下，长期监控不同工况下支撑杆变形量。根据支撑杆变形量与机组轴向受力关系式，可以计算出机组推力负荷。

式中F——机组轴向推力负荷；

ki——第i块推力瓦受力与变形线性关系系数；

Δdi——第i块推力瓦变形量；

n——推力轴承瓦总数。

3.3 测试方案

现场采用了高精度千分表进行测量，量程超过10mm，测试精度达到微米级。测试结果能够实现信号同步输出，一级信号传输距离达2m。千分表安装示意图如图2所示。

图2 刚性支撑杆测试方案Figure 2 Test scheme of rigid supporting rod

千分表通过定位螺钉安装在每一块推力轴承支撑杆的底部，探针与测量杆尾部接触。当推力瓦受轴向力时，支撑杆产生受压变形，而测量杆不产生变形。测量支撑杆尾部与测量杆尾部的相对轴向位移，即可认为是支撑杆的轴向变形值。

信号采集与输出过程如图3所示。由于千分表安装位置在基坑内，需要将信号引出至基坑外，一次数据采集的距离无法满足这个距离。所以将数据采集模块安装在基坑内，经过信号采集放大，然后再传输至基坑外，供测试人员实时监测数据。

图3 现场测试方案Figure 3 Test scheme in site

3.4 测试结果

分别在三台抽蓄机组进行相同的试验，推力负荷测试结果见表1、图4。

表1 额定工况下推力负荷与转动体自重对比Table1 Comparison of thrust load and rotor weight under rated condition

图4 推力负荷与转动体对比Figure 4 Comparison of thrust load and rotor

现场测试结果表明：

（1）抽水工况的推力负荷大于发电工况。

（2）发电工况下，推力负荷均小于机组转动部分重量，表明发电工况水推力为负值，方向朝上。

（3）在抽水和发电两种工况下，4号机推力负荷均大于1号机和2号机。

（4）推力负荷最大值发生在4号号机的抽水工况下。此时水推力为正值，方向朝下。

4 小弹簧束支承结构的推力负荷测试

4.1 小弹簧支承结构

云南某巨型混流式水轮发电机组推力轴承采用小弹簧束支承结构。推力轴承通过很多小弹簧束将受力传递到机架。推力瓦由多点支撑受力、推力轴承适应性更强[8，9]，如图5所示。

图5 推力轴承小弹簧支撑结构Figure 5 Small spring support structure of thrust bearing

推力轴承瓦与配套的托瓦一起压在小弹簧束上，小弹簧水平布置在机架上。托瓦下的小弹簧束按照一定规则分布，能够保证机组运行时，机械变形和热变形对轴承性能影响最小。

4.2 测试原理

由于推力瓦面各个位置的压力不同，要在整个推力瓦面不同位置安装压力传感器，压力测点覆盖整个瓦面。根据测点压力数据，可以拟合压力曲面，绘制推力瓦面压力分布图。将瓦面细分成m个小瓦面，每一块小瓦面的面积为Ai，用差值法计算出每块小瓦面平均压力为pi，机组推力负荷则可以通过以下方法计算得到[10]。

式中F——机组轴向推力负荷；

Ai——第j块推力瓦细分的第i块小瓦面面积；

pi——第j块推力瓦细分的第i块小瓦面平均压力；

m——推力瓦细分成小瓦面的总数；

n——推力轴承瓦总数。

4.3 测试方案

在推力瓦面钻小孔，用压力传感器测试瓦面油膜压力，即推力瓦与镜板面接触面的某点压力。压力传感器安装如图6所示。

图6 压力传感器安装结构Figure 6 Installation structure of pressure sensor

推力轴承浸泡在推力油槽的润滑油中，推力油槽在发电机层基坑内。要在推力瓦面安装传感器，必须考虑传感器信号线引出和密封的问题。

选择两个对称位置进行推力轴承瓦面的压力测试，如图7所示。

将两块试验瓦代替真机瓦分别安装到各自的位置。试验瓦与真机瓦不同之处在于试验瓦上多加工了传感器安装孔，并埋设了更多的压力传感器。

信号引出线穿过推力油槽壁，连接到前置器上，前置器将信号滤波和放大。信号通过屏蔽导线传输至发电机基坑外的测试系统。通过数据采集和处理，直观的反应在测试计算机上。

4.4 测试结果

在测试软件界面上，能够直接观察到测试瓦面上各个测点的压力变化情况。图8为机组运行时二号测试瓦现场数据。

根据不同位置的压力值，可以对瓦面压力场进行更细致的插值计算，图9为根据测点数据拟合出的额定工况下某瓦面压力分布曲面图，通过积分计算能够得到单块瓦推力负荷。

图7 现场测试方案Figure 7 Test scheme in site

图8 现场测试数据Figure 8 Test data in site

经过可重复验证的多次试验，得到较稳定的数值。将测试数据进行类比和分析计算，可以较准确的测算出整个机组的推力负荷。根据测试数据可以得到表2中的结果。

（1）通过静态高顶试验测试得到的转动体重量，与通过图纸核算得到的数据相差不大，说明这种方法测试相对可靠。

（2）机组额定工况运行时，推力负荷略小于转动体重量，说明该水轮发电机在额定工况下水推力也为负值。

图9 额定工况压力分布Figure 9 Pressure distribution under rated condition

表2 不同工况下推力轴承载荷Table2 load of thrust bearing under different working conditions

5 结束语

根据以上推力负荷测试结果来看，发现水轮发电机转动体重量占推力负荷比重较大，额定工况下水轮发电的水推力有可能为负值[11]，这与通常认知有所不同。这个问题今后需要进一步研究和总结。

东方电机已经掌握了基于推力轴承的推力负荷测试技术，有能力在推力瓦上进行真机测试试验[12，13]，为今后诊断水电站复杂轴承问题，提供新的思路和办法。