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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/11 14:01:28
摘要：在调研的基础上，分析了当前大型水电机组推力轴承运行状况及其故障原因，并结合电网和水电厂的运行实际，按照电力系统实施运行机组状态检修的目的和要求，建立了一个大型水电机组推力轴承运行稳定性状态监测及故障诊断系统，为轴承分析诊断提供了有效、可靠的依据。
1问题的由来
随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量机组数量增多，轴承运行状态及故障，特别是推力轴承的运行故障，对水电机组的安全稳定性运行影响越来越大。一是由于机组尺寸增大，转轮部件重量加大，固定部件的强度和刚度对推力轴承的运行影响；二是推力轴承本身结构尺寸增加，运行负载加大。当前大型水电机组推力轴承负载能力已发展超过50000kN〔三峡水电厂推力轴承负荷能为50500kN(VGS联营体制造)，55000kN(ABB发电有限公司制造)〕，推力轴承单位负荷发展超过7.0MPa，直接影响到推力轴承运行的稳定性。国外因为轴承(推力轴承)运行故障带来运行机组的事故停机甚为普遍，约占水电机组机械设备总故障的1／2之多，据有关国家对水电机组机械故障的统计资料，约有50～60的故障出自运行机组推力轴承的原因，把它列为可靠性程度最低的重要部件。我国近年建成投运的大型水电厂，如：葛洲坝、白山、龙羊峡、隔河岩、广蓄、水口等水电厂的大型水电机组都曾发生过推力轴承瓦面温度升高，瓦面磨损的故障现象(含弹性金属塑料瓦)，直接影响到机组的可靠运行。科研单位和制造厂，针对推力轴承实际运行故障，在轴承结构和轴瓦材料等方面下功夫进行改进，但实践表明，推力轴承磨损仍然存在，有的还很严重。因此，大型水电机组推力轴承运行稳定性的状态监测和故障诊断仍是机组运行中的一项重要任务和可靠手段，它对保证机组安全经济运行是至关重要的。
2影响推力轴承运行稳定性的基本原因
2.1推力轴承运行稳定性的影响因素
水轮发电机组运行，在其转动部件和轴瓦之间(即推力轴承镜板与推力轴瓦之间)形成一层楔形油膜。由于油膜的存在，一方面起着传递负荷作用，另一方面使摩擦面之间不发生直接接触。这种油膜的存在和最小油膜厚度的保持是推力轴承运行稳定性的关键。运行油膜厚度与推力轴承负荷、推力轴承结构以及机组的结构和机组的运行特性均有密切关系。一旦油膜破坏，就会导致轴瓦磨损，事故停机。
2.2推力轴承故障的原因
众多的调研资料表明，推力轴承运行故障主要有3个方面的原因：一是推力轴承本身结构尺寸不合理或加工制造质量较差；二是机组运行特性不良；三是安装和运行管理不善。
2.2.1结构设计及加工质量的影响
推力轴承设计时，是根据设计机组给定的负荷和转速，计算确定推力轴承的主要润滑数据，如推力轴承扇形瓦的块数，内、外径，长宽比和支承位置及轴承的其他结构部件尺寸。同时对推力轴承的运行工况进行精确的计算机计算，选择最佳润滑参数，实现推力轴承安全可靠运行。由于大型水电机组本身结构尺寸加大，使推力轴承在结构设计上不确定因素较多，给精确计算带来一定的难度，造成推力轴瓦尺寸不合理，轴承的强度和刚度有较大偏差。这个问题的存在集中表现以下几个方面。
(1)推力轴瓦机械变形大。有的推力轴承在较大的轴向水推力作用下，轴瓦的机械变形大，在圆周方向上呈凸形，加上轴瓦的温度变形，往往使轴瓦局部负荷增加，局部油膜破坏，造成推力轴瓦支承中心区域磨损；有的镜板变形呈波浪形或弓形，高低差值达1.5mm，造成轴瓦烧损。
(2)偏心值偏低。为了防止推力轴瓦出油边的磨损，使推力轴承承受较大的负荷，在设计时，轴瓦的偏心值易选偏低值，即轴瓦偏心值选择设计规范的下限。从推力轴承运行事例可知，采用偏低的偏心值，推力轴承润滑油在轴瓦与镜板之间形成的楔形油膜是不理想的，难以确保推力轴瓦出油边最小油膜厚度的设计值(≥0.04mm)，只会造成推力轴承润滑条件的恶化。
(3)镜板镜面不平度过大。镜板镜面不平度过大系指推力抽承镜板波浪度和粗糙度超过允许范围，这是影响推力轴瓦(含弹性金属塑料瓦)使用寿命的重要因素。通常，巴氏合金瓦镜板粗糙度控制在Ra≤0.2～0.4μm范围(弹性金属塑料瓦镜板粗糙度Ra≤0.64μm)，波浪度≤0.05mm。众多的推力轴承的镜板的粗糙度和波浪度超过了限定值。有的进口机组，推力轴承镜板不平度虽有限定值，但是现场检查发现，镜板凸凹不平，其粗糙度和波浪度之大，使轴瓦局部接触面仅有40～60。由于镜板镜面不平度过大，轴瓦运行温度升高，事故停机经常发生，同时也使镜板镜面划伤磨损，特别是弹性金属塑料瓦磨损后磨出金属丝，更加加剧镜板镜面的划伤磨损。
(4)加工质量及材料的机械性能问题。推力轴承支承结构在运行中发生异变，个别的支承螺丝球面和铬钢垫表面出现深浅不一的压痕；弹性油箱压裂或漏油变为刚性支承；上下平衡块蠕动，定位螺钉挤压发卡，起不到设计预想的平衡调节作用等，都导致了推力轴瓦之间受力不均，使个别推力轴瓦超过了其所能承受的最大受力，发生磨损，进而造成所有推力轴瓦磨损。
2.2.2机组运行特性的影响
(1)机组振动稳定性较差。水电机组属低速旋转机械设备，影响机组运行稳定性的水力干扰、机械干扰及电磁干扰都在不同程度上影响推力轴承的运行稳定性。转子动不平衡、轴不对中、倾斜，固定部件刚度削弱，支承部件逐步恶化以及机组运行时的强大的脉动负荷，使机组轴系和轴承系统、机组机架和支承部件运行状态发生异变，造成推力轴承运行时轴瓦负荷分配不均，镜板不水平，推力头松动，支承部件压塌受损，轴瓦油膜厚度受到破坏，导致推力轴承瓦严重磨损。
(2)水轮机转轮空蚀磨损加剧。转轮空蚀磨损严重时，往往引起水轮机转轮不均匀受力及导叶、蜗壳、尾水管水流分布发生变化，使推力轴承运行稳定性变差。强大的水压脉动和空腔脱流，造成机组的强烈振动和摆度，严重影响到推力轴瓦的润滑特性。
2.2.3安装和运行管理的影响
(1)近年投产运行的大型推力轴承起动投产时，烧瓦事故较多，就其原因，除了设计制造因素外，安装质量也是原因之一。安装质量不符合规程要求，例如导轴承间隙调整不良，轴线不垂直度加大，镜板和推力头水平没有控制在规范之内(≤0.02mm／m)等，加剧了推力轴承运行条件的恶化，引起运行中的镜板镜面的颤动，在轴承中出现脉动力，导致钨金与轴瓦钢质体分离并剥落。
(2)运行管理不善。机组开停机频繁，起动时轴瓦单位负荷增大，甩负荷过多，造成推力轴承运行自然老化；润滑油变质，含有水份，油污和铁屑杂物进入，造成镜板镜面粗糙度加大，严重时，高压油顶起轴瓦油室磨损，磨擦系数加大，油膜减少或破坏或轴瓦与镜板严重磨损。
3推力轴承运行稳定性的监测
3.1参数的确定及测点的优化
根据推力轴承运行特性及故障特征，通常测量的参数为：①推力轴承润滑参数，即轴瓦的油膜厚度，油膜压力，油膜温度(瓦温)和瓦体温度(油温)；②推力轴承受力特性参数，主要是轴承的负荷特性和轴承支承结构受力；③推力轴承的辅助参数，即机组运行振动稳定性参数和机组运行的相关参数(如上下游水位、水头、功率、转速等)；当推力轴承为水冷瓦结构时，还需测量水冷瓦的能量特性；具有高压油顶起装置的轴瓦还需增测轴瓦油室压力和摩擦系数。如此多的监测参数，测点数量相当多，其测点布置是相当繁杂的。
经长期试验研究，根据测点布置的优化原则，分析推力轴承运行性能、结构特点及故障特征，以逻辑诊断的原理选择和布置以下参数测点。
3.1.1润滑参数及测点布置
在推力轴承性能参数选择上，考虑到油膜压力可以依赖油膜厚度和油膜温度及旋转周速的监测，应用数值分析获得，因此，选择布置了推力轴承的油膜厚度和轴承温度(含轴瓦温度及油温)两个参数测点。推力轴承的温度测点的位置和数量按轴瓦的数量及布置结构而定(不一定非要在每块瓦上布置测点)；油膜厚度的测点取决于机组的水力运行特性及推力轴承的结构，其测点按X、-Y方向分别在轴承支承布置圆的轴瓦出口边上安装，对弹性金属塑料瓦或双排轴瓦(含内瓦)，测点布置要求相同。值得注意的是，在进行轴瓦温度监测时，必须监测轴瓦温度变化率，以便为推力轴承运行稳定性故障诊断分析提供判断依据。
3.1.2推力轴承负荷特性测点布置
推力轴承负荷特性测点主要为轴承受力和轴承脉动负荷参数测点。推力轴承受力测点的位置，应根据轴承的负荷特性和轴承支承结构不同而不同，其测点数量和方向按90°方向分别在轴承支承布置圆的支承上安装两个测点(见图1)。为了监测轴承镜板镜面不平度引起的轴承运行时的负荷脉动，需在轴承镜板的垂直位置按X、-Y方向布置两个测点。
3.1.3辅助监测参数及测点布置
辅助监测参数主要是指机组运行稳定性参数，包括机组的振动摆度值以及过流部件的压力和压力脉动值，其测点位置和布置可参考文献［2］。
另外，机组相关参数的监测，如机组上下游水位、水头、机组功率、转速、油位、油温及轴承油质等，可以直接通过数据转换器由机组的监控系统提供。
3.2轴承温度过程特性分析与处理
轴瓦温度和温度变化率的信号获得，对监测诊断推力轴承运行稳定性有着十分重要的作用，是轴承温度过程特性分析的关键参数。为了达到分析诊断推力轴承运行故障的目的，在软件上应作两个方面的技术处理。
3.2.1利用温度变化率来评价推力轴承运行状态，判定故障是否出现
通常轴承异常温度变化过程可以分成由正常→润滑不良→油膜破坏→轴瓦磨损三个阶段，这样就可以通过把监测温度变化变成监测温度上升变化率的方式来判定轴承运行出现的异常问题及严重程度。利用对应时间的温度和温度变化率构成的关系可以判定推力轴承运行状态(见图2)，表明了机组开机过程中轴承温度上升变化率的动态特性。在正常运行情况下，推力轴承从过程开始到过程终止的任何时刻所转换的关系点都会在正常值斜倾线的左边，当温度变化率超过1级设定值就会发出异常报警，当超过2级异常设定值应进行故障处理。
3.2.2线性滞后处理
由于当前众多水电机组测温元件感温的滞后性，考虑到轴承温度滞后的传递特性，利用系理论在限定条件下作线性滞后处理。温度传感器热量传递如同一阶(惯性)系统的动态响应，通过过程响应曲线(见图3)求出温度变化的终值，即在阶跃输入T3作用下，温度变化方程可写成：
设3次采样值分别为T1、T2、T3，用差分方程表示有：
bsp;Ts值实际上是由3次采样值判定阶跃作用的激励值，也是温度变化的终值。当终值T3等于或超过设定的异常值，即发出报警或故障处理。
4推力轴承运行故障诊断
4.1推力轴承运行稳定性分析
通过推力轴承运行状态监测，参数计算，信号分析及信号提取，与推力轴承运行的限定值(即轴承的规程规范)分析比较，可得出不同工况的实时特性曲线：①轴承负荷与油膜厚度的关系曲线；②轴承负荷与油膜压力的关系曲线；③轴瓦负荷与瓦温的关系曲线；④轴承负荷脉动与镜板镜面不平度的颤动量的关系曲线；⑤轴承受力负荷分配关系曲线。这些关系曲线为分析诊断推力轴承运行状态及故障提供了可靠的依据。通过轴瓦油膜特性的3个参数(即最小油膜厚度，平均油膜厚度及轴瓦的倾斜度)，可以准确分析计算推力轴瓦运行时变形和轴承设计的偏心率是否合理；根据油膜厚度和轴瓦温度的监测，可以准确分析计算机组带某一负荷时的最高油膜压力值，承受总推力负荷时的平均油膜压力值及压力比，分析判断推力轴瓦承载能力及其好坏；根据轴承支承受力和镜板镜面不平度监测及其关系曲线，可以准确分析计算推力轴承的静动态载荷的最大值、平均值、最小值以及不均衡度，分析判断轴承运行时负荷分配的不均匀性，各个轴瓦支承受力大小；通过镜板镜面不平度引起的颤动量，可以判定每块轴瓦上的脉动力及最大脉动值。
4.2推力轴承故障诊断模式
4.2.1运行状态监测，分析计算，信号提取的诊断模式
该模式总体结构布置(见图4)，是由信号源、信号输入、状态监测，分析诊断及决策管理等部分组成。信号源主要来源于3个方面，即推力轴承运行参数信号、机组振动稳定性的辅助参数信号及监控系统可提供相关参数信号。通过信号提取，对比识别，与机组不同工况限定值比较，状态分析，决策判断推力轴承运行状态及其设备故障。
4.2.2监测诊断维护管理集成化模式
与水电厂水电机组其他监测诊断系统集成，通过状态监测与诊断，推力轴承运行设备专家系统的准确可靠的预测判断，可形成正确结论，通过集成系统的决策报告软件将诊断决策自动送到决策部门，实现电厂(或公司)局域检修、维护和管理。通过广域网或建立专线上的intranet进行远程自动诊断与决策，实现远程检修、维护与管理。
5结语
(1)大型水电机组推力轴承运行的稳定性直接影响到机组的安全经济运行，就其运行因素，全面重点分析了当前推力轴承轴瓦及镜板磨损的故障原因。
(2)根据推力轴承运行特性及故障特征，研究确定轴承运行状态监测的主要参数及测点的优化布置；提出了轴承温度的监测方法，为电厂实施奠定了基础，为轴承分析诊断提供了可靠的有效的依据。
(3)通过推力轴承运行稳定性分析，推出两种故障诊断模式，供电厂(或公司)具备实施时参考。
参考文献
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［2］LinXT,FengFZStabilityAnalysisandFaultDiagnosisforLargeScaleHydraulicGeneratorSets［C］in:ProceedingstheAsia-PacificVibrationconference2001Hangzhou2001，1170
［3］李植鑫，章建玲.水力机组推力轴承监测方法的研究［J］.湖北电力，1996，(2)
［4］刘晓亭.机组运行设备诊断维护高效管理模式实施研究［J］.湖北电力，1999，(1)
［5］王保成，王威水轮发电机使用弹性金属塑料推力瓦应注意的问题［J］.水力发电，2002，(6)
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