國產600MW汽輪發(fā)電機組軸承動態(tài)標高變化規(guī)律試驗研究

張世海，晉風華，龔 晨，李錄平

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國產600MW汽輪發(fā)電機組軸承動態(tài)標高變化規(guī)律試驗研究

張世海1，晉風華2，龔 晨2，李錄平2

（1. 貴州電力試驗研究院貴陽550002；2. 長沙理工大學，長沙410076）

本文以國產600MW汽輪發(fā)電機組為研究對象，采用現場測試的方法獲得各軸承座中分面處標高的動態(tài)變化規(guī)律，找到影響各軸承座標高動態(tài)標高變化的因素。研究表明：機組狀態(tài)參數的變化對各軸承的標高有較大影響。機組沖轉、升速過程中，軸承標高變化主要取決于軸承座本身的溫度變化。本文的研究結果，對合理分配軸承的動態(tài)載荷，確保機組安全運行提供了參考依據。

汽輪發(fā)電機組；軸承；動態(tài)標高；試驗

0 前言

大功率汽輪發(fā)電機組的轉子由多個滑動軸承支撐。為確定各個軸承的載荷分布，安裝時要求各軸承的垂直方向的高度不同，即存在靜態(tài)標高。標高變化是現場實際運行中引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要因素之一。對于滑動軸承支承的多跨轉子系統(tǒng)而言，由于外界條件變化等因素會導致多跨轉子支承軸承的標高抬起或下沉，影響系統(tǒng)的對中狀態(tài)，系統(tǒng)產生附加應力和附加彎矩，會引起異常振動。而且軸承的載荷將會重新分配，使載荷分配偏離設計要求，進而影響油膜力的動力特性，容易產生油膜失穩(wěn)[1-5]。

汽輪發(fā)電機組中各軸承的靜態(tài)標高及載荷分布計算方法已經較成熟，但機組運行中由于受種種因素的影響，使軸系中各軸承標高發(fā)生變化，如：坐落在排汽缸上的軸承受真空和排汽溫度影響較大[6]；發(fā)電機端蓋式軸承受氫溫、氫壓影響；高中壓轉子兩端軸承受汽缸散熱、軸封漏汽等影響。此外，軸承標高還與瓦溫、回油溫度及周圍環(huán)境溫度等有關[2, 5, 7]。

對于剛性對輪連接的軸系，各軸承標高變化可直接影響到軸承間的負載分配。負載分配不均時會導致部分軸承的載荷異常升高，從而出現瓦溫升高、軸瓦磨損、碎裂，引起異常振動；同時，載荷減小的軸承會使軸承油膜不穩(wěn)，低頻振動增大，誘發(fā)油膜振蕩等，嚴重者還會使軸系臨界轉速發(fā)生變化，振型變化，引發(fā)其他振動問題。近幾年來，特別是300MW、600MW、1000MW機組陸續(xù)投運以來，因軸系標高設置、調整不當，軸承動態(tài)標高變化規(guī)律沒有探明等原因，產生了一系列的振動問題和軸瓦故障等問題[5, 8, 9, 10]。

1 國產600MW機組軸系及支撐系統(tǒng)結構特點分析

在研究軸承動態(tài)標高變化規(guī)律之前，需要分析機組的軸系以及其支撐系統(tǒng)的結構特點。下面分別以哈爾濱電氣集團公司（以下簡稱哈電）和東方電氣集團公司（以下簡稱東電）生產的600MW汽輪發(fā)電機組為例分析機組的軸系結構特點以及支撐系統(tǒng)的結構特點。

哈電生產的600MW機組軸系由3根轉子加1個中間軸組成，如圖1所示。高中壓轉子跨距6100mm，低壓轉子跨距5740mm；高中壓轉子和1號低壓轉子之間裝有剛性的法蘭聯(lián)軸器，低壓轉子之間通過中間軸連接；2號低壓轉子和發(fā)電機轉子通過聯(lián)軸器剛性聯(lián)接。汽輪機共有六個支持軸承和一個推力軸承。機組的1號、2號軸承為落地式軸承，3～6號軸承坐落在低壓缸上，7號、8號軸承為端蓋式軸承，9號軸承為落地式軸承。

東電600MW超臨界機組設有兩個雙分流對稱結構的低壓缸，低壓外缸全部由鋼板焊接而成。低壓缸四周有增加剛性的框架式撐腳，撐腳坐落在基架上，起到承擔缸重量和使基礎均勻受力的作用。低壓外缸還包括兩端的軸承座，1號低壓缸前端的軸承座內放置它本身的支持軸承和高中壓缸后軸承。

東電600MW汽輪機組軸系由高中壓轉子、低壓轉子（Ⅰ）、低壓轉子（Ⅱ）和發(fā)電機轉子組成，軸系末端接勵磁滑環(huán)短軸，各轉子之間由剛性對輪連接，軸系結構如圖2所示。

東電600MW汽輪發(fā)電機組軸系中除1號、2號軸承采用可傾瓦式軸承，其余軸承均采用橢圓形軸承。1號、2號可傾瓦位于高中壓缸前后的軸承箱內，3～6號橢圓瓦坐落在低壓排汽缸上，7號、8號橢圓瓦支撐在發(fā)電機端蓋上，勵磁機滑環(huán)短軸與發(fā)電機連接，另一端用9號穩(wěn)定軸承支持。

圖1 哈電600MW汽輪發(fā)電機組軸系結構示意圖

圖2 東電600MW汽輪發(fā)電機組軸系示意圖

2 軸承動態(tài)標高現場測試原理

2.1 標高測試系統(tǒng)

現場測試系統(tǒng)如圖3所示，在各個汽缸以及發(fā)電機的兩端都安裝了標高測試裝置。每個軸承在安裝電渦流位移傳感器時都用到了一個特殊的支架，該支架由橫桿與豎桿組成，連接在橫桿靠近軸承的部位。安裝在支架上的電渦流傳感器會因與軸承座間隙變化產生電壓信號。傳感器信號經信號電纜傳輸至數據采集系統(tǒng)，再進入信號分析系統(tǒng)，接著由計算機進行采樣和計算，輸出軸承標高的動態(tài)變化值。

圖3 現場測試系統(tǒng)框圖

2.2 傳感器支架設計

如圖4所示，實驗系統(tǒng)中的支架起到保持傳感器探頭的地面高度不變的作用，因而十分重要。由于機組的軸承座與基礎為垂直關系，所以必須保證豎桿與地面保持垂直，與橫桿保持垂直，且本身具有很好的穩(wěn)定性。

圖4 標高測試系統(tǒng)介紹圖

綜上考慮，標高測試系統(tǒng)中所用到的傳感器安裝支架是依據國家發(fā)明專利“旋轉機械動態(tài)標高測量裝置”（ZL2004 1 0022949.8）改進而成的。經過實驗室和現場試驗檢驗，該裝置具有較高的穩(wěn)定性與可靠性，能夠滿足現場動態(tài)標高測量試驗的測試要求。該裝置選用熱膨脹系數遠小于軸承材料熱膨脹系數的石英玻璃作為標高測量一次元件的支架。作為感應標高變化的渦流傳感器，直接固定在用石英玻璃制成的支架上。石英玻璃的線膨脹系數很小，在相同溫度變化范圍內只有鋼的1/25、鋁的1/42，這樣，由于現場測試溫度變化范圍不大，石英玻璃支架本身的膨脹或收縮量就可以忽略不計（或稍加補償）。因此溫度變化所引起的熱變形的影響就小了。同時，還設計出了石英玻璃管的固定、保護裝置，該裝置起到固定、保護石英玻璃管的作用，并且不妨礙石英玻璃管在長度方向和橫向的熱膨脹，從技術上解決了軸承動態(tài)標高的測量問題。

2.3 軸承標高測量原理

電渦流位移傳感器系統(tǒng)中，探頭線圈由于設置有高頻振蕩電流流入，因此會產生交變磁場。當被測金屬物體與探頭之間的距離發(fā)生變化時，頭部線圈電流會產生相應的相位和幅度的變化（線圈的有效阻抗）。這一變化與金屬電導率、線圈形狀、幾何尺寸等許多參數有關。通過控制使這些參數在一定范圍內保持不變，則線圈的阻抗就成為了被測金屬體和探頭之間的距離的單值函數。由于支架可以起到使得渦流傳感器探頭與地面距離保持不變的作用，可以通過測量被測表面與傳感器探頭之間的距離變化來測得軸承的動態(tài)標高[2，4]。

標高測試工作從機組全冷態(tài)狀態(tài)（凝汽器充水前）開始，一直持續(xù)不間斷測量至機組帶滿負荷并穩(wěn)定運行3~5h后結束。在機組起動升速以及暖機、并網帶負荷過程中，每間隔一定的時間記錄一次各軸承的標高測量值，同步測量軸承的振動，記錄下轉子的轉速，測量并記錄各軸承的溫度、回油溫度，凝汽器真空、蒸汽參數等設備狀態(tài)參數。

3 600MW機組起動過程中軸承動態(tài)標高測試結果與分析

利用上述試驗裝置分別對哈電600MW汽輪發(fā)電機組和東電600MW機組冷態(tài)起動過程中各軸承動態(tài)標高變化情況進行了連續(xù)測量。測試結果表明：汽輪發(fā)電機組在機組狀態(tài)發(fā)生變化時，各軸承標高都會產生明顯變化。機組冷態(tài)起動過程中各軸承標高變化會受工況改變的影響，但標高變化方向可因機組具體結構和安裝條件不同而不同。

3.1 哈電600MW機組軸承動態(tài)標高測試結果與分析

試驗機組為哈電N600-16.7/538/538-1型汽輪發(fā)電機組。對機組從冷態(tài)至帶滿負荷全過程中，各軸承標高動態(tài)變化過程進行了完整的測量與記錄。

從試驗過程看，發(fā)電機充氫過程對發(fā)電機的兩端軸承標高同樣具有一定影響，隨著發(fā)電機內氫氣壓力的升高，發(fā)電機兩端軸承標高略有上抬，且其中7號軸承受到的影響較8號軸承受到的影響大。抽真空過程依然對低壓轉子兩端及其相鄰軸承標高具有較大影響。機組沖轉、升速過程中，機組各部分的金屬溫度不斷上升，各軸承的標高變化也以上升為主，其中標高上升最多的是1號、2號、5號和6號軸承，其中2號軸承和5號軸承上升幅度最大，超過了200μm。帶負荷過程中，各軸承標高繼續(xù)調整，且相鄰軸承標高變化趨勢相同。其中，2號與3號軸承受機組金屬溫度升高影響，標高上升，2號軸承標高上升量高于3號軸承；4號與5號軸承標高下降，4號軸承標高下降量高于5號軸承；6號與7號軸承標高呈上升趨勢，且6號軸承標高上升量大于7號軸承。

機組從冷態(tài)起動至帶滿負荷并維持負荷穩(wěn)定運行半個小時以上整個試驗過程測得的各軸承標高凈變化值見表1。

表1 機組冷態(tài)起動過程各軸承標高凈變化量μm

注：+表示標高上升，-表示標高下降

從表1可以看出，機組冷態(tài)起動至帶滿負荷過程中，除低壓轉子軸承標高下降外，其余軸承標高整體呈上升趨勢。其中2號軸承標高上升量最大，達492μm，其次為6號軸承。2號與3號軸承相對標高變化最大，2號軸承標高相對3號軸承標高高出602μm。4號與5號軸承之間相對標高差值為278μm。6號與7號軸承之間相對標高差值為290μm。

3.2 東電600MW機組軸承動態(tài)標高測試結果與分析

試驗機組為東電CLN600-24.2/538/566型汽輪發(fā)電機組。該試驗機組在投產運行中由于低壓Ⅰ、低壓Ⅱ轉子及發(fā)電機轉子兩端軸承瓦振較大，在檢修中在測量轉子揚度，軸承中心等基礎上對軸承標高多次進行了調整，發(fā)現該型機組軸承標高調整對瓦振、軸振均有較大的影響。在對該機組進行標高測試試驗之前，通過機組振動狀態(tài)全面診斷性評估試驗，發(fā)現該機組在滿負荷穩(wěn)定工況下振動狀態(tài)出現異常：5號與7號瓦振超過80μm，軸振7x與8x超過100μm，初步判斷機組當前異常振動與機組軸系中心偏差有一定關系。為此，測量并記錄了機組全冷態(tài)起動過程中各軸承動態(tài)標高變化情況。取機組起動前，凝汽器通循環(huán)水后的狀態(tài)作為初始參考點，至機組帶滿負荷并穩(wěn)定運行半個小時以上的狀態(tài)作為終止狀態(tài)點，計算得出各軸承的標高凈變化值如表2所示。

表2 機組冷態(tài)起動過程各軸承標高凈變化量μm

從試驗過程看，在機組起動不同階段，影響標高變化的因素不同，對各軸承標高變化的影響也不盡相同。發(fā)電機充氫過程，對發(fā)電機的兩端軸承標高影響較大，其中7號軸承受的影響較8號軸承受的影響大。隨著機內氫壓增加，發(fā)電機兩端軸承標高下降，其中7號軸承下降130μm，8號軸承下降94μm。真空變化對3~6號軸承標高的影響最為明顯，對發(fā)電機兩端軸承的標高影響較小。機組沖轉、升速過程中，機組各部分的金屬溫度不斷上升，各軸承的標高均有上升，上升最多的是2號、3號和5號軸承。帶負荷過程中，各軸承標高繼續(xù)調整，總體趨勢是各軸承標高均有不同程度上升，其中上升幅度較大的軸承為1號、6號、7號和8號軸承，上升幅度最大的軸承為1號軸承，達到164μm。帶負荷過程，各軸承標高變化，主要是由金屬溫度升高引起的。

根據軸系動態(tài)標高測試試驗結果分析，在500MW負荷運行時，3號軸承標高比2號軸承標高約低0.30mm，而制造廠給的技術要求中規(guī)定，高中壓和低壓Ⅰ轉子找中心時，低壓Ⅰ對輪比高中壓對輪高0.85mm。這可能是導致運行中3號軸承負載偏重，瓦溫偏高的主要原因。另，從試驗結果看，在500MW負荷運行時，8號軸承標高上升量為負值，這與長期以來8號軸承瓦溫偏低、負載偏輕比較吻合。

根據前述試驗研究結果表明，坐落在排汽缸上的軸承受真空和排汽溫度影響較大；發(fā)電機端蓋式軸承受氫溫、氫壓影響；高中壓轉子兩端軸承受汽缸散熱、軸封漏汽等影響。此外，軸承標高還與瓦溫、回油溫度及周圍環(huán)境溫度等有關。

4 結論

根據以上試驗結果的分析，可得出以下結論：

（1）機組狀態(tài)的變化對各軸承的標高有較大影響。因此在機組運行過程中，特別是在啟機帶負荷過程中，應該密切關注軸承狀態(tài)。

（2）發(fā)電機內氫氣壓力對發(fā)電機的兩端軸承標高有一定影響，且對發(fā)電機兩端軸承的影響程度不一定完全相同。

（3）汽輪機抽真空是影響軸承標高的又一重要因素。真空變化對汽輪機低壓轉子軸承標高的影響最為明顯，對高中壓轉子和發(fā)電機轉子兩端軸承的標高影響較小。

（4）機組沖轉、升速過程中，由于機組各部分的金屬溫度不斷上升，因此各軸承的標高變化也以上升為主，但各軸承標高變化量有所不同。

（5）機組并網帶負荷過程中，各軸承標高繼續(xù)調整，且相鄰軸承標高變化方向相同。

（6）從機組冷態(tài)起動至帶穩(wěn)定負荷運行全過程來看，各軸承標高較冷態(tài)下發(fā)生較大改變，導致相鄰軸承間標高差值發(fā)生變化，軸承載荷分配發(fā)生改變。 （7）不同制造廠家生產的不同類型汽輪發(fā)電機組在機組狀態(tài)發(fā)生變化時，各軸承標高變化規(guī)律有明顯差異。

（8）機組冷態(tài)起動過程中各軸承標高變化受工況改變的影響，但標高變化方向可因機組具體結構和安裝條件不同而不同，因此在標高調整時不可照搬同一標準。

（9）機組冷態(tài)下中心調整要考慮機組在熱態(tài)時的標高變化情況。冷態(tài)工況下需合理調整各軸承的靜態(tài)標高，使得在熱態(tài)工況下各軸承的載荷分配處于合理范圍，避免少數軸承因動態(tài)載荷過大而危及機組安全。

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Research on Changes of Bearing Dynamic Elevation of Domestic 600MW Turbo-generating Unit

ZHANG Shihai1, JIN Fenghua2, Gong Chen2, LI Luping3

(1. Guizhou Electric Power Research Institute, Guiyang 550002, China; 2. Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)

This paper researched on domestic 600MW turbine generator. By field testing, the dynamic changes of elevation of each bearing equatorial plane was obtained, and factors that affect each bearing dynamic elevation change were found. The research shows that changes of the parameters of the unit have a great impact on each bearing. During unit rotation and acceleration process, bearing elevation changes mainly depend on the change of temperature of the bearing itself. The results provide a reference of rational allocation of dynamic load of bearings and ensure the safe operation of the unit.

turbo-generating unit; bearing; dynamic elevation; test

TM311

A

1000-3983(2017)05-0047-05

中國南方電網公司科技項目（K-GZ2012-136）

2016-10-20

張世海（1983-），2009年畢業(yè)于長沙理工大學能源與動力工程學院熱能與動力工程專業(yè)，研究生學歷，中級職稱，現從事汽輪發(fā)電機組故障診斷工作。