彈簧簇推力軸承機(jī)組推力瓦徑向位移研究及處理

胡德昌，蔡 偉，胡 軍，李 俊，任文鋒

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

1 概述

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵核心部件，其承載著整個水輪發(fā)電機(jī)組的重量以及機(jī)組運(yùn)行中的軸向水推力，其穩(wěn)定運(yùn)行對水輪發(fā)電機(jī)組起著至關(guān)重要的作用。目前我國生產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機(jī)組的推力軸承支承結(jié)構(gòu)主要采用彈簧簇式、剛性支柱螺栓式兩種結(jié)構(gòu)，其他推力軸承結(jié)構(gòu)形式比如平衡塊式、液壓彈性油箱式、橡膠彈性墊式等目前大型水輪機(jī)組運(yùn)用相對較少。

彈簧簇式推力軸承，在某些水電站運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了向大軸徑向產(chǎn)生了位移，導(dǎo)致推力瓦與間隔塊之間的間隙消失，推力瓦與間隔塊產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象。

圖1 彈簧簇推力瓦安裝示意圖

2 推力瓦徑向位移原因分析

推力瓦是水輪發(fā)電機(jī)組的“心臟”，是保障機(jī)組可靠運(yùn)行的最重要部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定了機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了找到推力瓦徑向位移的原因主要做以下工作。

2.1 對同類型彈簧簇機(jī)組推力瓦位移情況測量

結(jié)合機(jī)組檢修，對彈簧簇機(jī)型的推力瓦位移情況進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)彈簧簇機(jī)組推力瓦均沿徑向往內(nèi)側(cè)產(chǎn)生移位（見表1），推力瓦內(nèi)徑限位擋塊已嚴(yán)重變形（見圖2），導(dǎo)致推力瓦間擋塊間隙由原設(shè)計2 mm變?yōu)?～0.2 mm，嚴(yán)重影響推力瓦的周向擺動功能。

圖2 推力瓦徑向位移導(dǎo)致限位塊變形示意圖

表1 不同機(jī)組推力瓦內(nèi)移量情況單位：mm

彈簧簇機(jī)組推力瓦中心距大軸中心點(diǎn)的理論距離應(yīng)為：

（（5 435+3 985）/2）/2=2 355 mm

即推力瓦的理論中心位置為R 2 355 mm 處。將前面測量的推力瓦偏移情況對應(yīng)機(jī)組實(shí)際中心位置如圖3 所示。

圖3 彈簧簇機(jī)組推力瓦位移后相對大軸中心位置示意圖

2.2 對機(jī)組運(yùn)行過程中推力瓦位移規(guī)律研究方案

為了查明彈簧簇推力結(jié)構(gòu)機(jī)組推力瓦內(nèi)移原因及了解內(nèi)移速度，選擇了1 臺機(jī)組推力軸承進(jìn)行了推力瓦徑向移位測試試驗。

推力瓦外緣至鏡板外緣距離檢修實(shí)測數(shù)據(jù)見表2，可知9 號、12 號推力瓦在過去1 個檢修周期內(nèi)內(nèi)移位移量最大，因此，本次試驗選擇9 號、12 號推力瓦進(jìn)行試驗。傳感器布點(diǎn)分布如圖4 所示，1 號、2 號傳感器監(jiān)測9 號推力瓦內(nèi)移情況，3 號、4 號傳感器監(jiān)測12 號推力瓦內(nèi)移情況。傳感器安裝方式如圖4 所示，傳感器探頭把合在連板上，探頭距推力瓦外緣距離d（初始安裝間隙d控制在1.5～2.0 mm 內(nèi)），連板固定在基礎(chǔ)環(huán)上，機(jī)組運(yùn)行后，d的變化量△d（△d=d實(shí)測-d初值，d實(shí)測：實(shí)時測量值，d初值：機(jī)組第1次啟機(jī)前實(shí)測值）即是推力瓦相對基礎(chǔ)環(huán)位移量，當(dāng)△d＜0 時，推力瓦相對基礎(chǔ)環(huán)往外徑方向移動，當(dāng)△d＞0 時，推力瓦相對基礎(chǔ)往內(nèi)徑方向移動，當(dāng)△d=0 時，推力瓦相對基礎(chǔ)無位移量。

圖4 安裝測量傳感器的推力瓦對應(yīng)位置示意圖

表2 實(shí)驗前，測量推力瓦與鏡板外緣距離（作為基準(zhǔn)值）

傳感器采用電渦流位移傳感器，線性區(qū)間0.5～5.5 mm，供電-24 V 直流電，輸出-24～0 V 直流電壓信號。測試設(shè)備采用以NI 數(shù)據(jù)采集卡為核心的便攜式采集儀器，采樣頻率1 Hz。

圖5 測量傳感器安裝方式

2.3 試驗數(shù)據(jù)及分析

在試驗過程中，進(jìn)行了4 次啟停機(jī)試驗，總共持續(xù)時間156.4 h。

2.3.1 9 號瓦試驗數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測9 號瓦徑向移動的測點(diǎn)有1 號、2 號傳感器，兩個測點(diǎn)所測數(shù)據(jù)幾乎重合，因此僅分析1 號測點(diǎn)數(shù)據(jù)。第1 次啟停機(jī)數(shù)據(jù)，機(jī)組空載運(yùn)行約45 min，推力瓦溫升至67 ℃,停機(jī)后推力瓦溫逐漸降至26 ℃,瓦溫降幅41℃，推力瓦內(nèi)移量0.11 mm。第2 次啟停機(jī)數(shù)據(jù)，機(jī)組帶載運(yùn)行約7.3 h，推力瓦溫升至71℃，停機(jī)后推力瓦溫逐漸降至31.5℃，瓦溫降幅39.5℃，推力瓦內(nèi)移量0.16 mm，收斂時間15.5 h（即推力瓦內(nèi)移速度降為0）；第2 次啟機(jī)時刻推力瓦向外移動0.05 mm,其原因：第1 次啟機(jī)后由于鏡板熱收縮將推力瓦帶入內(nèi)徑，造成瓦底彈簧剪切變形，第2 次啟機(jī)時，瓦與鏡板間建立油膜，摩擦系數(shù)驟降，彈簧剪切變形復(fù)位，帶著瓦往外徑移動，第2、4 次出現(xiàn)相同情況，啟機(jī)時刻推力瓦均向外移動0.05 mm，第1 次未出現(xiàn)此情況是因為機(jī)組冷態(tài)啟機(jī)，彈簧未受剪切力，也未變形。第3、4 次啟停機(jī)最高推力瓦溫均為71℃，停機(jī)后最低瓦溫分別為36.5℃、36℃，瓦溫降幅分別為34.5℃、35℃，推力瓦內(nèi)移位移分別為0.09 mm、0.08 mm，由于停機(jī)時間過短，曲線還并未收斂。

9 號瓦徑向移動時域曲線如圖6 所示，相對最初時刻推力瓦內(nèi)移0.29 mm，9 號推力瓦徑向移動過程如下：

圖6 9 號瓦徑向移位時域圖（4 次啟停機(jī)）

（1）第1 次停機(jī)至第2 次啟機(jī)，推力瓦內(nèi)移0.11 mm。（2）第2 次啟機(jī)時刻，推力瓦外移0.05 mm。

（3）第2 次停機(jī)時刻至第3 次啟機(jī)，推力瓦內(nèi)移0.16 mm。

（4）第3 次啟機(jī)時刻，推力瓦外移0.05 mm。

（5）第3 次停機(jī)至第4 次啟機(jī)，推力瓦內(nèi)移0.09 mm。

（6）第4 次啟機(jī)時刻，推力瓦外移0.05 mm。

（7）第4 次停機(jī)至試驗結(jié)束，推力瓦內(nèi)移0.08 mm。

2.3.2 12 號瓦試驗數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測12 號瓦徑向位移測點(diǎn)有3 號、4 號傳感器，兩個測點(diǎn)數(shù)據(jù)也幾乎重合，僅分析3 號測點(diǎn)數(shù)據(jù)。第1 次啟停機(jī)數(shù)據(jù)，機(jī)組空載運(yùn)行約45 min，推力瓦溫升至65℃,停機(jī)后推力瓦溫逐漸降至28℃，瓦溫降幅37℃，推力瓦內(nèi)移量0.14 mm。第2 次啟停機(jī)數(shù)據(jù)，推力瓦溫升至70℃，停機(jī)后推力瓦溫逐漸降至32℃，瓦溫降幅38℃，推力瓦內(nèi)移量0. 26 mm，收斂時間15.5 h，第2 次啟機(jī)時刻推力瓦向外移動0.1 mm，其原因：與前述分析一樣，第3、4 次啟機(jī)時刻推力瓦均外移0.09 mm。第3、4 次運(yùn)行最高瓦溫均為71℃，停機(jī)后最低瓦溫分別為36.5℃、36℃，瓦溫降幅分別為34.5℃、35℃，推力瓦內(nèi)移位移分別為0.18 mm、0.15 mm，由于停機(jī)時間過短，曲線還并未收斂。

12 號瓦徑向移動時域曲線如圖7 所示，相對最初時刻推力瓦內(nèi)移0.45 mm，推力瓦徑向移動過程如下：

圖 7 12 號瓦徑向移位時域圖（4 次啟停機(jī)）

（1）第1 次停機(jī)至第2 次啟機(jī)，推力瓦內(nèi)移0.14 mm。

（2）第2 次啟機(jī)時刻，推力瓦外移0.1 mm。

（3）第2 次停機(jī)時刻至第3 次啟機(jī)，推力瓦內(nèi)移0.26 mm。

（4）第3 次啟機(jī)時刻，推力瓦外移0.09 mm。

（5）第3 次停機(jī)至第4 次啟機(jī)，推力瓦內(nèi)移0.18 mm。

（6）第4 次啟機(jī)時刻，推力瓦外移0.09 mm。

（7）第4 次停機(jī)至試驗結(jié)束，推力瓦內(nèi)移0.15 mm。

2.3.3 實(shí)驗數(shù)據(jù)及結(jié)論

通過對9 號以及12 號兩塊推力瓦在實(shí)際運(yùn)行過程中，啟停機(jī)后數(shù)次監(jiān)測推力瓦的位移情況（見表3），可知通過對本次試驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出如下結(jié)論：

表3 匯總實(shí)驗數(shù)據(jù)情況單位：mm

（1）推力瓦內(nèi)移無需外部能量源，是發(fā)生在停機(jī)之后的某個時間段，即鏡板冷卻的時間段（由于鏡板溫度無法測量則以瓦溫代替）；推力瓦內(nèi)移速度從停機(jī)時刻起逐漸衰減并最終變?yōu)榱?，由此可確認(rèn)推力瓦內(nèi)移現(xiàn)象為機(jī)械學(xué)中的爬行現(xiàn)象。從運(yùn)動形式描述，爬行現(xiàn)象為周期性時停時動或者時快時慢運(yùn)動不均勻現(xiàn)象。每一個爬行周期都分兩個階段：一個階段是能量的貯存，機(jī)組運(yùn)行時油膜不斷對鏡板進(jìn)行加熱直到熱平衡；另一個階段是能量釋放，即鏡板冷卻收縮強(qiáng)行將推力瓦帶入內(nèi)徑方向。

（2）每次啟機(jī)時刻（除檢修后第1 次起機(jī)外）推力瓦均會往外徑方向移動，其原因：上一次機(jī)組運(yùn)行停機(jī)后，鏡板熱收縮將推力瓦帶入內(nèi)徑，造成瓦底彈簧剪切變形，此次啟機(jī)時，瓦與鏡板間建立油膜，摩擦系數(shù)驟降，彈簧剪切變形復(fù)位，帶著推力瓦往外徑移動，且不同瓦在啟機(jī)時刻外移量不一樣，9 號推力瓦每次啟機(jī)外移量均為0.05 mm；12 號推力瓦外移量為0.09～0.1 mm。

（3）推力瓦徑向位移的一個周期：啟機(jī)（推力瓦外移，首次啟機(jī)除外）——停機(jī) （推力瓦內(nèi)移），推力瓦內(nèi)移位移＞推力瓦外移位移。

（4）推力瓦平均內(nèi)移速度與停機(jī)時刻該瓦受力、停機(jī)時間、啟機(jī)前和停機(jī)后鏡板 溫差等因素均有關(guān)系。9 號推力瓦平均每次停機(jī)內(nèi)移速度0.07 mm/次，12 號推力瓦平均每次停機(jī)內(nèi)移速度0.11 mm/次。

3 對推力瓦徑向位移的處理措施

根據(jù)前面在一臺機(jī)組上進(jìn)行的相關(guān)測量實(shí)驗，基本上確認(rèn)了彈簧簇類型機(jī)組，推力瓦徑向位移是機(jī)組本身的特性，隨著機(jī)組運(yùn)行時間的延長，機(jī)組啟停機(jī)次數(shù)的增加，推力瓦的徑向位移將最終達(dá)到極限位置，也就是當(dāng)推力瓦與間隔塊之間間隙為0 時，推力瓦才停止繼續(xù)位移。

根據(jù)分析，推力瓦徑向位移將帶來以下幾種設(shè)備隱患：

（1）推力瓦側(cè)邊與間隔塊直接接觸會限制其周向擺動，影響油楔的形成。

（2）推力瓦徑向位移過大，將影響推力瓦承力及其油膜力矩的平衡。

（3）當(dāng)內(nèi)、外徑限位塊均失去作用后，造成頂轉(zhuǎn)子時推力瓦粘附在鏡板上不易脫開，從而引發(fā)嚴(yán)重的設(shè)備損傷事故。

（4）造成推力瓦中心圓半徑不均，造成機(jī)組瓦溫偏差。

為了消除以上隱患，針對彈簧簇推力軸承結(jié)構(gòu)，擬計劃采取以下措施，以消除推力瓦徑向位移帶來的設(shè)備風(fēng)險。

（1）修改停機(jī)流程，在停機(jī)流程中高壓油系統(tǒng)延時20 min 停泵，在機(jī)組停機(jī)后鏡板的散熱過程中，開啟高壓油在鏡板與瓦面間建立油膜，這樣會在一定程度上抑制推力瓦內(nèi)移現(xiàn)象。

（2）從結(jié)構(gòu)上限制推力瓦向內(nèi)移動，即將推力瓦間隔塊進(jìn)行技術(shù)改造，將其設(shè)計成“T”型結(jié)構(gòu)（如圖9）。

圖9 新推力瓦間隔塊結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論及建議

從文中所分析得出的結(jié)論，可知道彈簧簇結(jié)構(gòu)推力軸承推力瓦徑向位移是機(jī)組設(shè)計所帶來的規(guī)律，同類型機(jī)組推力瓦隨著機(jī)組啟停機(jī)次數(shù)的增加，必然產(chǎn)生徑向位移。通過對此類型結(jié)構(gòu)推力瓦位移情況以及規(guī)律進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗，基本上確認(rèn)了位移產(chǎn)生的機(jī)理和原因。同時本研究還提出了優(yōu)化改進(jìn)方案，并在同類型機(jī)組滾動實(shí)施，目前已完成1 臺機(jī)組的推力瓦間隔塊優(yōu)化改進(jìn)，跟蹤改進(jìn)后的機(jī)組運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)前后推力瓦整體瓦溫有所下降，同時各推力瓦之間的溫差變小，推力瓦運(yùn)行受力更加均衡，初步取得研究及運(yùn)用成效。本研究的相關(guān)規(guī)律以及處理措施，可以在其他電站參考實(shí)施，具有推廣意義。