姬升阳;欧阳宁东;杨仕福;耿在明;蒋牧龙
【摘 要】水轮发电机的推力负荷是推力轴承设计计算的基础数据,主要通过理论计算得到,近年相关研究的结果与其差异较大.根据在溪洛渡电站770 MW机组上进行推力轴承瓦面压力分布测试试验数据,从而验证了理论计算的机组推力负荷值偏大较多.实验数据可用于完善理论计算,优化机组结构设计,从而提高机组运行效率. 【期刊名称】《水电与新能源》
【年(卷),期】2018(032)006
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】推力轴承;推力负荷;压力分布;溪洛渡电站
【作 者】姬升阳;欧阳宁东;杨仕福;耿在明;蒋牧龙
【作者单位】中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂,云南永善 657300;东方电机股份有限公司,四川德阳 618000;东方电机股份有限公司,四川德阳 618000;中国长江电力股份有限公司溪洛渡水力发电厂,云南永善 657300;东方电机股份有限公司,四川德阳 618000
【正文语种】中 文
【中图分类】TM312
云南溪洛渡水电站目前为世界第3大水电站，总装机容量为13 860 MW，共安装有18台机组单机容量为770 MW的巨型水轮发电机，右岸9台巨型水轮发电机组为东方电气集团东方电机有限公司(以下简称东电)制造。
推力轴承是水轮发电机组的核心部件，它浸泡在推力油槽内的润滑油中，通过油膜动压润滑原理将相对静止的推力瓦与旋转的镜板隔离。推力瓦不但要承受机组所有转动部分的重量，同时还要承受运行时的轴向水推力[1]。
推力轴承的瓦温是电厂运行监测的重要指标，它的理论计算值为72℃左右，然而实际测得瓦温较计算值更低。排除季节变化因素，推力轴承的安全裕度也很大。实际瓦温远低于计
算瓦温，除循环冷却原因外，另一个可能的原因是推力轴承处于低推力负荷运行状态。为了检验推力轴承的实际推力负荷，东电与溪洛渡电厂联合，对溪洛渡右岸机组进行了推力负荷测试。
以前对水推力的测量大多是通过机架变形进行间接测试，如国内三峡水电厂与华中科技大学合作，在三峡左岸710 MW机组上进行了轴向水推力测试的研究，通过测量机组承重机架(下机架)的结构变形和表面应力变化，可以计算得到轴向水推力[2-3]。
本次测试将测点直接布置推力轴承瓦面上，测量推力轴承所承受的负荷，该测试结果能够更直接反映推力负荷值。这种油槽内布点的测试方式，已经在推力轴承试验台应用多年，具有很高的准确度，且测试方法趋于成熟，但在国内700 MW以上巨型机组进行真机测试还尚属于首次。
1 试验目的
推力负荷是推力轴承设计计算的主要依据之一，它由所有转动部分重量和机组运行时的轴向水推力组成。在机组设计时，推力负荷的确定只能通过理论计算得到的，这个数据与真
机实际值有多少差异以前很少有过比较，根据近些年相关研究论文的结果，这个差异很大[2-3]。如果能够在机组投运后测得机组的真实推力负荷，就可以检验理论计算的正确性和合理性，从而更好的指导理论计算。如果能够在设计阶段提出更精确的推力负荷，就能够更加合理而有效的设计推力轴承系统。这不但能够优化机组结构设计，而且能够提高机组运行效率。
对于溪洛渡电厂而言，如果通过真机测试，证实了推力轴承在运行中确实有较大的安全裕度，则可以考虑在可控的范围内，优化推力轴承运行效率，避免不必要的资源浪费。
净烟器2 试验原理
东电机组推力轴承采用弹簧束多点支撑的双层钨金瓦结构，上层为推力瓦，下层为托瓦，支撑结构如图1。扇形推力瓦圆周均匀分布在内径为3 050 mm、外径4 520 mm的环形面上，瓦面材料为巴氏合金，并在瓦面上设有双环形油室，用于启停机时高压油顶起系统(以下简称高顶)供油，形成持续稳定油膜，将镜板与推力瓦隔离。推力瓦见图2，瓦分布见图3。
图1 推力轴承结构示意图
图2 推力瓦面示意图
图3 推力轴承总体分布图
由于22块推力瓦采用弹簧束支撑，各个推力瓦间受力相差不大。如果能够测得一块瓦的表面压力，通过倍数关系，就能够推算出机组推力负荷。
实际测试时，在推力瓦面不同位置布置一定数量的压力测点，根据不同位置的测点压力值，可以对瓦面压力场进行更细致的插值计算，得到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。经东电高速推力轴承试验台试验验证，该方法计算推力误差在5%以内。
整个机组的总推力负荷就等于单块瓦平均推力负荷与瓦块数乘积。计算方法如下：
F=n∬AP·rdrdθ
式中：n为推力瓦总数；P为瓦面油膜压力；A为单个推力瓦面积；F为瓦推力负荷。
另一种计算总推力负荷的方法是：通过大量测试数据，计算出推力瓦温升与压力关系式，
然后根据每一块瓦温推算出每一块推力瓦的推力负荷，机组总推力负荷等于溪洛渡22块推力瓦推力负荷之和。
∬AP·rdrdθ
式中：P为瓦面油膜压力；A为单个推力瓦面积；F为瓦推力负荷。
两种计算推力负荷方法计算结果相差3%以内，本文中计算结果根据第一种计算方法得到。
3 试验方案
1)东电根据溪洛渡电厂真机推力瓦(以下称真机瓦)的图纸设计制造两套试验用推力瓦(以下称试验瓦)。试验瓦与真机瓦不同之处，在于每块试验瓦瓦面上分布26个直径2mm的压力测试孔，如图4。这些压力测试孔的下面，安装了26个的压力传感器。压力传感器的量程为0～20 MPa，能够覆盖推力瓦面所有可能达到的压力范围。
图4 压力测点分布图
2)现场选取两块对称分布的真机瓦，将两块试验瓦代替真机瓦分别安装到各自的位置。从
试验瓦引出的两组52根压力传感器测试线，需要穿过推力油槽壁，引出到推力油槽外，连接到压力传感器的前置器上。前置器的作用是将微弱的信号放大和滤波，从而能将信号传递到更远的发电机基坑外。在基坑外，布置了基于NI数据采集模块的推力轴承便携式测试系统。所有的推力瓦压力测试数据经过处理后，能够直观的反应在测试电脑上。测试现场布置示意图，如图5。
3)根据现场测试数据，结合试验瓦压力测点分布图，能够绘制出瓦面压力分布图，同时计算出不同工况下推力负荷。需要测试的工况包括：①安装压力传感器后初值，②高顶开启前压力值，③高顶开启后的压力值，④额定工况运行时压力值。
最后，比较真机测试得到的推力负荷值与理论计算的差异。
图5 压力测试方案示意图交通评估
4 现场试验
经过东电技术人员与溪洛渡电厂负责人充分的交流沟通，并经过现场勘察后，决定2017年3月，在溪洛渡电厂17号机上进行现场安装测试。经过一个月的工作，完成了现场的推力
四甲基环丁烷
负荷测试工作。测试结果如下。
4.1 安装初值
将布置了压力传感器的试验瓦代替真机瓦后，推力油槽内注入润滑油。此时机组未开机，转子未落下。油膜压力分布初值如图6所示，可以看出压力分布较均匀，传感器测得初值在-0.3～0.2 MPa之间。
4.2 高顶开启前压力值
油槽注入润滑油后，高顶还未开启。传感器测得压力值在-0.5～0.2 MPa之间，油膜压力分布初值如图7所示，与图6所示相似。说明在高顶未开启的情况下，镜板与推力瓦没有被油膜隔离开，油膜没有受到压力，机组转动部分重量全部压在推力瓦上。
三明治面料图6 初值压力分布图
图7 高顶开启前压力分布图
4.3 高压开启后压力值
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高压油顶起后，传感器测得压力值有明显变化，推力瓦面有两个高压区，位置在环形油室附近，最高压力值约为5.3 MPa。此时机组转速为0，高顶系统已经起作用，将机组转动部分顶起，镜板和推力瓦中间有一层油膜，该油膜压力分布如图8。
图8 高压油顶起时压力分布图
4.4 额定工况运行压力值
机组稳定运行后，测点数据及瓦面压力分布如图9所示。可以看出，推力瓦压力呈进油边低、出油边高的分布，最高压力区呈椭圆形，位于瓦的中心靠出油边侧。瓦面最高压力约为7.0 MPa。这与理论计算的油膜压力分布趋势一致。
图9 额定工况压力分布图
5 试验结果
根据图6～图9，根据单块瓦测试结果换算的整个机组推力负荷，计算结果见表1。
表1 不同工况下推力轴承载荷工况转速/%根据1号瓦计算的推力负荷/t根据2号瓦计算的推
力负荷/t平均值/t初值020.135.928.0高顶开启前034.231.332.8高顶开启后01 748.91 810.01 779.5额定工况运行1001 773.01 752.21 762.6第一联动
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