大型水電機(jī)組推力軸承運行穩(wěn)定性及故障診斷

1、文章編號:0559 9342(200211 0048 04大型水電機(jī)組推力軸承運行穩(wěn)定性及故障診斷劉曉亭1,劉 昱2(1 湖北省電力試驗研究院,湖北武漢 430007;2 清華大學(xué),北京 100084關(guān)鍵詞:大型水電機(jī)組;推力軸承;運行穩(wěn)定性;狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷摘 要:在調(diào)研的基礎(chǔ)上,分析了當(dāng)前大型水電機(jī)組推力軸承運行狀況及其故障原因,并結(jié)合電網(wǎng)和水電廠的運行實際,按照電力系統(tǒng)實施運行機(jī)組狀態(tài)檢修的目的和要求,建立了一個大型水電機(jī)組推力軸承運行穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng),為軸承分析診斷提供了有效、可靠的依據(jù)。中圖分類號:TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B1 問題的由來隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展,大型機(jī)組

2、的投產(chǎn),各種容量機(jī)組數(shù)量增多,軸承運行狀態(tài)及故障,特別是推力軸承的運行故障,對水電機(jī)組的安全穩(wěn)定性運行影響越來越大。一是由于機(jī)組尺寸增大,轉(zhuǎn)輪部件重量加大,固定部件的強度和剛度對推力軸承的運行影響;二是推力軸承本身結(jié)構(gòu)尺寸增加,運行負(fù)載加大。當(dāng)前大型水電機(jī)組推力軸承負(fù)載能力已發(fā)展超過50000kN 三峽水電廠推力軸承負(fù)荷能為50500kN (VGS聯(lián)營體制造,55000k N(ABB發(fā)電有限公司制造,推力軸承單位負(fù)荷發(fā)展超過7 0MPa,直接影響到推力軸承運行的穩(wěn)定性。國外因為軸承(推力軸承運行故障帶來運行機(jī)組的事故停機(jī)甚為普遍,約占水電機(jī)組機(jī)械設(shè)備總故障的1/2之多,據(jù)有關(guān)國家對水電機(jī)組機(jī)械

3、故障的統(tǒng)計資料,約有50%60%的故障出自運行機(jī)組推力軸承的原因,把它列為可靠性程度最低的重要部件。我國近年建成投運的大型水電廠,如:葛洲壩、白山、龍羊峽、隔河巖、廣蓄、水口等水電廠的大型水電機(jī)組都曾發(fā)生過推力軸承瓦面溫度升高,瓦面磨損的故障現(xiàn)象(含彈性金屬塑料瓦,直接影響到機(jī)組的可靠運行?？蒲袉挝缓椭圃鞆S,針對推力軸承實際運行故障,在軸承結(jié)構(gòu)和軸瓦材料等方面下功夫進(jìn)行改進(jìn),但實踐表明,推力軸承磨損仍然存在,有的還很嚴(yán)重。因此,大型水電機(jī)組推力軸承運行穩(wěn)定性的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷仍是機(jī)組運行中的一項重要任務(wù)和可靠手段,它對保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運行是至關(guān)重要的。2 影響推力軸承運行穩(wěn)定性的基本原因2

4、1 推力軸承運行穩(wěn)定性的影響因素水輪發(fā)電機(jī)組運行,在其轉(zhuǎn)動部件和軸瓦之間(即推力軸承鏡板與推力軸瓦之間形成一層楔形油膜。由于油膜的存在,一方面起著傳遞負(fù)荷作用,另一方面使摩擦面之間不發(fā)生直接接觸。這種油膜的存在和最小油膜厚度的保持是推力軸承運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵。運行油膜厚度與推力軸承負(fù)荷、推力軸承結(jié)構(gòu)以及機(jī)組的結(jié)構(gòu)和機(jī)組的運行特性均有密切關(guān)系。一旦油膜破壞,就會導(dǎo)致軸瓦磨損,事故停機(jī)。2 2 推力軸承故障的原因眾多的調(diào)研資料表明,推力軸承運行故障主要有3個方面的原因:一是推力軸承本身結(jié)構(gòu)尺寸不合理或加工制造質(zhì)量較差;二是機(jī)組運行特性不良;三是安裝和運行管理不善。2 2 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工質(zhì)量的影響

5、推力軸承設(shè)計時,是根據(jù)設(shè)計機(jī)組給定的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速,計算確定推力軸承的主要潤滑數(shù)據(jù),如推力軸承扇形瓦的塊數(shù),內(nèi)、外徑,長寬比和支承位置及軸承的其他結(jié)構(gòu)部件尺寸。同時對推力軸承的運行工況進(jìn)行精確的計算機(jī)計算,選擇最佳潤滑參數(shù),實現(xiàn)推力軸承安全可靠運行。由于大型水電機(jī)組本身結(jié)構(gòu)尺寸加大,使推力軸承在結(jié)構(gòu)設(shè)計上不確定因素較多,給精確計算帶來一定的難度,造成推力軸瓦尺寸收稿日期:2002 07 12作者簡介:劉曉亭(1936!,男,河北唐山人,教授級高工不合理,軸承的強度和剛度有較大偏差。這個問題的存在集中表現(xiàn)以下幾個方面。(1推力軸瓦機(jī)械變形大。有的推力軸承在較大的軸向水推力作用下,軸瓦的機(jī)械變形大,在

6、圓周方向上呈凸形,加上軸瓦的溫度變形,往往使軸瓦局部負(fù)荷增加,局部油膜破壞,造成推力軸瓦支承中心區(qū)域磨損;有的鏡板變形呈波浪形或弓形,高低差值達(dá)1 5mm,造成軸瓦燒損。(2偏心值偏低。為了防止推力軸瓦出油邊的磨損,使推力軸承承受較大的負(fù)荷,在設(shè)計時,軸瓦的偏心值易選偏低值,即軸瓦偏心值選擇設(shè)計規(guī)范的下限。從推力軸承運行事例可知,采用偏低的偏心值,推力軸承潤滑油在軸瓦與鏡板之間形成的楔形油膜是不理想的,難以確保推力軸瓦出油邊最小油膜厚度的設(shè)計值(#0 04mm,只會造成推力軸承潤滑條件的惡化。(3鏡板鏡面不平度過大。鏡板鏡面不平度過大系指推力抽承鏡板波浪度和粗糙度超過允許范圍,這是影響推力軸瓦

7、(含彈性金屬塑料瓦使用壽命的重要因素。通常,巴氏合金瓦鏡板粗糙度控制在R a0 20 4 m范圍(彈性金屬塑料瓦鏡板粗糙度R a0 64 m,波浪度0 05mm。眾多的推力軸承的鏡板的粗糙度和波浪度超過了限定值。有的進(jìn)口機(jī)組,推力軸承鏡板不平度雖有限定值,但是現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),鏡板凸凹不平,其粗糙度和波浪度之大,使軸瓦局部接觸面僅有40%60%。由于鏡板鏡面不平度過大,軸瓦運行溫度升高,事故停機(jī)經(jīng)常發(fā)生,同時也使鏡板鏡面劃傷磨損,特別是彈性金屬塑料瓦磨損后磨出金屬絲,更加加劇鏡板鏡面的劃傷磨損。(4加工質(zhì)量及材料的機(jī)械性能問題。推力軸承支承結(jié)構(gòu)在運行中發(fā)生異變,個別的支承螺絲球面和鉻鋼墊表面出現(xiàn)深

8、淺不一的壓痕;彈性油箱壓裂或漏油變?yōu)閯傂灾С?上下平衡塊蠕動,定位螺釘擠壓發(fā)卡,起不到設(shè)計預(yù)想的平衡調(diào)節(jié)作用等,都導(dǎo)致了推力軸瓦之間受力不均,使個別推力軸瓦超過了其所能承受的最大受力,發(fā)生磨損,進(jìn)而造成所有推力軸瓦磨損。2 2 2 機(jī)組運行特性的影響(1機(jī)組振動穩(wěn)定性較差。水電機(jī)組屬低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備,影響機(jī)組運行穩(wěn)定性的水力干擾、機(jī)械干擾及電磁干擾都在不同程度上影響推力軸承的運行穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子動不平衡、軸不對中、傾斜,固定部件剛度削弱,支承部件逐步惡化以及機(jī)組運行時的強大的脈動負(fù)荷,使機(jī)組軸系和軸承系統(tǒng)、機(jī)組機(jī)架和支承部件運行狀態(tài)發(fā)生異變,造成推力軸承運行時軸瓦負(fù)荷分配不均,鏡板不水平,推力頭松

9、動,支承部件壓塌受損,軸瓦油膜厚度受到破壞,導(dǎo)致推力軸承瓦嚴(yán)重磨損。(2水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空蝕磨損加劇。轉(zhuǎn)輪空蝕磨損嚴(yán)重時,往往引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不均勻受力及導(dǎo)葉、蝸殼、尾水管水流分布發(fā)生變化,使推力軸承運行穩(wěn)定性變差。強大的水壓脈動和空腔脫流,造成機(jī)組的強烈振動和擺度,嚴(yán)重影響到推力軸瓦的潤滑特性。2 2 3 安裝和運行管理的影響(1近年投產(chǎn)運行的大型推力軸承起動投產(chǎn)時,燒瓦事故較多,就其原因,除了設(shè)計制造因素外,安裝質(zhì)量也是原因之一。安裝質(zhì)量不符合規(guī)程要求,例如導(dǎo)軸承間隙調(diào)整不良,軸線不垂直度加大,鏡板和推力頭水平?jīng)]有控制在規(guī)范之內(nèi)(0 02mm/m等,加劇了推力軸承運行條件的惡化,引起運行中的鏡板鏡

10、面的顫動,在軸承中出現(xiàn)脈動力,導(dǎo)致鎢金與軸瓦鋼質(zhì)體分離并剝落。(2運行管理不善。機(jī)組開停機(jī)頻繁,起動時軸瓦單位負(fù)荷增大,甩負(fù)荷過多,造成推力軸承運行自然老化;潤滑油變質(zhì),含有水份,油污和鐵屑雜物進(jìn)入,造成鏡板鏡面粗糙度加大,嚴(yán)重時,高壓油頂起軸瓦油室磨損,磨擦系數(shù)加大,油膜減少或破壞或軸瓦與鏡板嚴(yán)重磨損。3 推力軸承運行穩(wěn)定性的監(jiān)測3 1 參數(shù)的確定及測點的優(yōu)化根據(jù)推力軸承運行特性及故障特征,通常測量的參數(shù)為:%推力軸承潤滑參數(shù),即軸瓦的油膜厚度,油膜壓力,油膜溫度(瓦溫和瓦體溫度(油溫;&推力軸承受力特性參數(shù),主要是軸承的負(fù)荷特性和軸承支承結(jié)構(gòu)受力;推力軸承的輔助參數(shù),即機(jī)組運行振動

11、穩(wěn)定性參數(shù)和機(jī)組運行的相關(guān)參數(shù)(如上下游水位、水頭、功率、轉(zhuǎn)速等;當(dāng)推力軸承為水冷瓦結(jié)構(gòu)時,還需測量水冷瓦的能量特性;具有高壓油頂起裝置的軸瓦還需增測軸瓦油室壓力和摩擦系數(shù)。如此多的監(jiān)測參數(shù),測點數(shù)量相當(dāng)多,其測點布置是相當(dāng)繁雜的。經(jīng)長期試驗研究,根據(jù)測點布置的優(yōu)化原則,分析推力軸承運行性能、結(jié)構(gòu)特點及故障特征,以邏輯診斷的原理選擇和布置以下參數(shù)測點。3 1 1 潤滑參數(shù)及測點布置在推力軸承性能參數(shù)選擇上,考慮到油膜壓力可以依賴油膜厚度和油膜溫度及旋轉(zhuǎn)周速的監(jiān)測,應(yīng)用數(shù)值分析獲得,因此,選擇布置了推力軸承的油膜厚度和軸承溫度(含軸瓦溫度及油溫兩個參數(shù)測點。推力軸承的溫度測點的位置和數(shù)量按軸瓦的

12、數(shù)量及布置結(jié)構(gòu)而定(不一定非要在每塊瓦上布置測點;油膜厚度的測點取決于機(jī)組的水力運行特性及推力軸承的結(jié)構(gòu),其測點按X、-Y方向分別在軸承支承布置圓的軸瓦出口邊上安裝,對彈性金屬塑料瓦或雙排軸瓦(含內(nèi)瓦,測點布置要求相同。值得注意的是,在進(jìn)行軸瓦溫度監(jiān)測時,必須監(jiān)測軸瓦溫度變化率,以便為推力軸承運行穩(wěn)定性故障診斷分析提供判斷依據(jù)。3 1 2 推力軸承負(fù)荷特性測點布置推力軸承負(fù)荷特性測點主要為軸承受力和軸承脈動負(fù)荷參數(shù)測點。推力軸承受力測點的位置,應(yīng)根據(jù)軸承的負(fù)荷特性和軸承支承結(jié)構(gòu)不同而不同,其測點數(shù)量和方向按90(方向分別在軸承支承布置圓的支承上安裝兩個測點(見圖1。為了監(jiān)測軸承鏡板鏡面不平度引

13、起的軸承運行時的負(fù)荷脈動,需在軸承鏡板的垂直位置按X、-Y方向布置兩個測點。 圖1 推力軸承受力監(jiān)測點的布置3 1 3 輔助監(jiān)測參數(shù)及測點布置輔助監(jiān)測參數(shù)主要是指機(jī)組運行穩(wěn)定性參數(shù),包括機(jī)組的振動擺度值以及過流部件的壓力和壓力脈動值,其測點位置和布置可參考文獻(xiàn)2。另外,機(jī)組相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測,如機(jī)組上下游水位、水頭、機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速、油位、油溫及軸承油質(zhì)等,可以直接通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器由機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)提供。3 2 軸承溫度過程特性分析與處理軸瓦溫度和溫度變化率的信號獲得,對監(jiān)測診斷推力軸承運行穩(wěn)定性有著十分重要的作用,是軸承溫度過程特性分析的關(guān)鍵參數(shù)。為了達(dá)到分析診斷推力軸承運行故障的目的,在軟件上應(yīng)作兩

14、個方面的技術(shù)處理。3 2 1 利用溫度變化率來評價推力軸承運行狀態(tài),判定故障是否出現(xiàn)通常軸承異常溫度變化過程可以分成由正常潤滑不良油膜破壞軸瓦磨損三個階段,這樣就可以通過把監(jiān)測溫度變化變成監(jiān)測溫度上升變化率的方式來判定軸承運行出現(xiàn)的異常問題及嚴(yán)重程度。利用對應(yīng)時間的溫度和溫度變化率構(gòu)成的關(guān)系可以判定推力軸承運行狀態(tài)(見圖2,表明了機(jī)組開機(jī)過程中軸承溫度上升變化率的動態(tài)特性。在正常運行情況下,推力軸承從過程開始到過程終止的任何時刻所轉(zhuǎn)換的關(guān)系點都會在正常值斜傾線的左邊,當(dāng)溫度變化率超過1級設(shè)定值就會發(fā)出異常報警,當(dāng)超過2級異常設(shè)定 值應(yīng)進(jìn)行故障處理。圖2 推力軸承溫度及溫度變化率關(guān)系3 2 2

15、線性滯后處理由于當(dāng)前眾多水電機(jī)組測溫元件感溫的滯后性,考慮到 軸承溫度滯后的傳遞特性,利用系統(tǒng)理論在限定條件下作線性滯后處理。溫度傳感器熱量傳遞如同一階(慣性系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),通過過程響應(yīng)曲線(見圖3求出溫度變化的終值,即在階躍輸入T 3作用下,溫度變化方程可寫成:d Td t+T =T s ( 為時間常數(shù)設(shè)3次采樣值分別為T 1、T 2、T 3,用差分方程表示有:T 2-T 1t =T s -T 2(1T 3-T 1t=T s -T 3(2合并式(1、(2可得T s 值,即T s =T 22-T 1T 32T 2-T 1-T 3(3T s 值實際上是由3次采樣值判定階躍作用的激勵值,也是溫度變

16、化的終值。當(dāng)終值T 3等于或超過設(shè)定的異常值,即發(fā)出報警或故障處理。圖3 過程響應(yīng)曲線(終值T s 4 推力軸承運行故障診斷4 1 推力軸承運行穩(wěn)定性分析通過推力軸承運行狀態(tài)監(jiān)測,參數(shù)計算,信號分析及信號提取,與推力軸承運行的限定值(即軸承的規(guī)程規(guī)范分析比較,可得出不同工況的實時特性曲線:%軸承負(fù)荷與油膜厚度的關(guān)系曲線;&軸承負(fù)荷與油膜壓力的關(guān)系曲線;軸瓦負(fù)荷與瓦溫的關(guān)系曲線;軸承負(fù)荷脈動與鏡板鏡面不平度的顫動量的關(guān)系曲線;+軸承受力負(fù)荷分配關(guān)系曲線。這些關(guān)系曲線為分析診斷推力軸承運行狀態(tài)及故障提供了可靠的依據(jù)。通過軸瓦油膜特性的3個參數(shù)(即最小油膜厚度,平均油膜厚度及軸瓦的傾斜度,可

17、以準(zhǔn)確分析計算推力軸瓦運行時變形和軸承設(shè)計的偏心率是否合理;根據(jù)油膜厚度和軸瓦溫度的監(jiān)測,可以準(zhǔn)確分析計算機(jī)組帶某一負(fù)荷時的最高油膜壓力值,承受總推力負(fù)荷時的平均油膜壓力值及壓力比,分析判斷推力軸瓦承載能力及其好壞;根據(jù)軸承支承受力和鏡板鏡面不平度監(jiān)測及其關(guān)系曲線,可以準(zhǔn)確分析計算推力軸承的靜動態(tài)載荷的最大值、平均值、最小值以及不均衡度,分析判斷軸承運行時負(fù)荷分配的不均勻性,各個軸瓦支承受力大小;通過鏡板鏡面不平度引起的顫動量,可以判定每塊軸瓦上的脈動力及最大脈動值。4 2 推力軸承故障診斷模式4 2 1 運行狀態(tài)監(jiān)測,分析計算,信號提取的診斷模式該模式總體結(jié)構(gòu)布置(見圖4,是由信號源、信號輸

18、入、狀態(tài)監(jiān)測,分析診斷及決策管理等部分組成。信號源主要來源于3個方面,即推力軸承運行參數(shù)信號、機(jī)組振動穩(wěn)定性的輔助參數(shù)信號及監(jiān)控系統(tǒng)可提供相關(guān)參數(shù)信號。通過信號提取,對比識別,與機(jī)組不同工況限定值比較,狀態(tài)分析, 決策判斷推力軸承運行狀態(tài)及其設(shè)備故障。圖4 推力軸承運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)布置4 2 2 監(jiān)測診斷維護(hù)管理集成化模式與水電廠水電機(jī)組其他監(jiān)測診斷系統(tǒng)集成,通過狀態(tài)監(jiān)測與診斷,推力軸承運行設(shè)備專家系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠的預(yù)測判斷,可形成正確結(jié)論,通過集成系統(tǒng)的決策報告軟件將診斷決策自動送到?jīng)Q策部門,實現(xiàn)電廠(或公司局域檢修、維護(hù)和管理。通過廣域網(wǎng)或建立專線上的intranet 進(jìn)行遠(yuǎn)程自動

19、診斷與決策,實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢修、維護(hù)與管理。5 結(jié) 語(1大型水電機(jī)組推力軸承運行的穩(wěn)定性直接影響到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行,就其運行因素,全面重點分析了當(dāng)前推力軸承軸瓦及鏡板磨損的故障原因。(2根據(jù)推力軸承運行特性及故障特征,研究確定軸承運行狀態(tài)監(jiān)測的主要參數(shù)及測點的優(yōu)化布置;提出了軸承溫度的監(jiān)測方法,為電廠實施奠定了基礎(chǔ),為軸承分析診斷提供了可靠的有效的依據(jù)。(3通過推力軸承運行穩(wěn)定性分析,推出兩種故障診斷模式,供電廠(或公司具備實施時參考。參考文獻(xiàn):1 劉曉亭,李維藩 水力機(jī)組現(xiàn)場測試手冊H 北京:水利電力出版社19932 Lin X T,Feng F Z Stability Anal ysis a

20、nd Faul t Diagnosis for LargeScale Hydraulic Generator SetsC i n:Proceedings the Asia-Pacific Vibration conference 2001Hangz hou 2001,11703 李植鑫,章建玲 水力機(jī)組推力軸承監(jiān)測方法的研究J 湖北電力,1996,(24 劉曉亭 機(jī)組運行設(shè)備診斷維護(hù)高效管理模式實施研究J 湖北電力,1999,(15 王保成,王威 水輪發(fā)電機(jī)使用彈性金屬塑料推力瓦應(yīng)注意的問題J 水力發(fā)電,2002,(6,拱壩設(shè)計與研究正式出版由中國工程院朱伯芳院士為首的4位壩工專家撰寫的,拱壩設(shè)計與研究一書,最近已由中國水利水電出版社出版。該書作者結(jié)合自己幾十年來的工程實踐經(jīng)驗和科研創(chuàng)新成果,全面系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外拱壩設(shè)計、施工、運行和研究的經(jīng)驗、理論、方法