汽轮发电机组轴承载荷应变识别法及试验研究

第55卷第2期2013年4月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0L_55NO2APR2013汽轮发电机组轴承载荷应变识别法及试验研究李燕勇，张世东，杨建刚，董川，彭斌1云南省电力试验研究院，昆明650217；2东南大学火电机组振动国家工程研究中心，南京210096摘要轴承载荷直接影响轴承工作特性，并进而影响大型汽轮发电机组的安全稳定运行。转子一轴承系统是一个静不定结构，轴承所承受的载荷无法直接求出。提出基于转轴应变信号的轴承载荷识别方法。通过在轴承两侧3个截面上布置应变片，测量转轴低速旋转过程中应变值变化情况，进而识别轴承载荷。在转子一轴承试验台上开展了相关实验，验证了本方法的可行性。关键词轴承；转子；应变；载荷分类号TK267文献标识码B文章编号100158842013O2O11503TURBINEGENERATORBENGLOADIDENTIFICATIONMETHODANDTESTUSINTHEMEASUREDSTRAINVALUELIYANYONG，ZHANGSHIDONG，YANGJIANGANG，DONGCHUAN，PENGBIN1YUNNANELECTRICANDPOWERRESEARCHINSTITUTE，KUNMING650217，CHINA；2NATIONALENGINEERINGRESEARCHCENTEROFTURBOGENERATORVIBRATION，SOUTHEASTUNIVERSITY，NANJING210096，CHINAABSTRACTADHASLARGEINFLUENCEONBEARINGDYNAMICSITINFLUENCESTHESAFEANDRELIABLEOPERATIONOFLARGETURBOGENERATORUNITROTORBEARINGSYSTEMOFTURBINEISANUNDETERMINEDSTRUCTUREBEARINGLOADCANNOTBECALCULATEDDIRECTLYTHEPAPERPRESENTSABEARINGLOADIDENTIFICATIONMETHODBASEDONTHEMEASUREDSHAFTDYNAMICSTRAINSIGNALDURINGLOWSPEEDROTATIONTHREESHAFTSECTIONSNEARTHEBEARINGISUSEDTOMEASURESHAFTBENDSTRAINVALUETESTWASDONEONROTORBEARINGRIGTHEMETHODWASVERIFIEDKEYWORDSBEARING；ROTOR；STRAIN；LOAD0前言轴承是汽轮机等各类旋转机械的关键部件，起着支撑转子的重要作用，对于机组安全、稳定运行至关重要。大量理论研究和工程实践表明，轴承工作状况受载荷的影响很大。载荷过重，轴承容易出现瓦温高、乌金碎裂、碾瓦等故障；载荷过轻，轴承容易出现油膜涡动和油膜振荡故障。这两种情况下，轴承都会产生较大振动，影响机组安全运行。随着机组向大型化方向发展以及现代电力工业对机组安全运行的要求越来越高，识别轴承载荷并在此基础上分析轴承工作状况就显得越来越重要。汽轮发电机组轴系通常是由多根转子和多个轴承所组成，这是一个静不定系统，轴承所承受的载荷无法直接计算。目前常用的连通管方法虽然可以测量冷、热态以及启动过程中各轴承标高相对变化情况，但无法测出各轴承所实际承受的载荷。油压法通过压力传感器感受油压分布，并进而分析轴承载荷。这种方法的影响因素和不确定因素很多，识别误差较大。顶举法通过测试千斤顶作用下转轴上抬量，由顶举曲线求出轴承载荷。轴承间隙通常很小，顶举时很容易碰到上瓦，丛面生二仝塞自于上瓦的反作用力，导致结果收稿日期20120718误差较大。为了能够准确、方便地识别实际机组上轴承所承受的载荷，本文提出了三截面应变识别法，指出轴承载荷可以通过测试轴承附近3个截面上的转轴应变值来识别。建立了轴承载荷计算识别模型，在转子一轴承试验台上进行了试验验证。这种方法可以直接应用于工程，解决轴承载荷无法准确识别的问题，帮助技术人员开展汽轮发电机组轴承状态监测和故障诊断工作。1轴承载荷三截面应变识别模型I1轴承载荷应变识别法基本原理在转轴自重等载荷作用下，转轴会产生弹性弯曲变形。将一根由金属丝或金属箔制成的电阻应变片粘贴在产生弹性弯曲变形的轴颈表面。在图I左边所示状态下，贴有应变片的轴颈表面受拉伸。将轴转动180。后，如图1右边所示，贴有电阻应变片的轴颈表面金属纤维受压缩。这种轴颈表面的压缩或拉伸变形传递到应变片的电阻丝上，使电阻丝长度发生相应变化，进而引起电阻丝阻值的变化。这些微弱电阻量值的变化经过应变仪放大和转换后，即可测出转轴表面弹性弯曲变形量。作者简介李燕勇1972一，男，高级工程师，主要从事旋转机械故障诊断及振动处理工作。LL6汽轮机技术第55卷一一图1转轴旋转一周过程中弯曲变形情况轴承不同载荷分配状态下，转轴各截面所承受的弯矩、剪力不同，截面弯曲变形也不同。在弹性变形范围内，金属材料弯曲应力与应变成线性关系。因此，由所测量的应变值即可计算出测点截面弯曲应力及弯曲力矩，并进而由轴系力学模型求出各轴承载荷分配。12测点布置如图2所示，在轴承附近3个截面上布置应变片，这3个截面不能位于轴承同一侧。为了提高测量精度，每一截面处的应变测量采用全桥布置模式，即圆周表面0。和180。处各布置两片平行应变片，横截面上的4个应变片构成一组，组成全桥测试模式。矗应变测点布置VEXCSENSSENSGND应变信号全桥测量模式图2应变测点布置和接线图采用应变仪测量0。和180。角度下3个截面应变值。为消除误差，测试前可先将转子连续盘动若干周。测试开始后，以若干周内的平均值作为相应角度处应变值，记为S。，S180。，I1，2，3。13弯矩计算转轴在3个截面处所承受的弯矩可由应变值求出ME生，I1，2，31二其中，E、分别为转轴弹性模量和截面模量。对于圆轴而言，其中，D、D分别为轴外径和内径。3二14轴段力学分析模型图3给出了待测轴段力学分析模型。将轴段视为连续MIMM2JRIJ，、L儿JRL1工QFF均布质量G图3轴段力学分析模型梁，轴段自重作为均布质量，在中间应变测量截面处将轴断开，形成左、右两个单元体。在每个单元内由已知外载荷分布和截面弯矩，由力和力矩平衡可以列出如下4个方程RQLQLQ2F01JQJL一1一GIM202L02一QL一0I【Q23一Q，J；一M30式中，LL，J。未知数为轴承载荷F和3个应变测量截面处的剪力Q、Q、。2转子一轴承实验台试验研究21试验装置试验在火电机组振动国家工程研究中心大型转子一轴承试验台上进行。如图4所示，试验台由3根转子和6个轴承组成，每根转子由两个滑动轴承支撑。低速旋转过程中转轴截面应变信号采用无线发射和接受方式测量。图4试验台和无线应变测量节点22应变测量结果在转轴上粘贴反光条，以此作为转速脉冲测量基准。采用无线发射和接受技术测量转轴旋转过程中动态应变信号。根据应变片和反光条之间的角度关系，由计算机软件自动求出0。和180。角度处的应变值。图5给出了一组测试数据。O。180。650N。550450髫35025O175125毛O75025025I_一N九1一一一W7一、J。J09182736455463728190时间S图5动态应变和转速脉冲测试数据如图5所示，轴转动时应变片的受力从压缩变为拉伸，应变变化如同正弦波或余弦波一样。如果将电阻应变片粘贴并置于A点位置，则当轴转动后，A点轴截面上的弯曲应变量2S将由应变仪测试出来。相应地，弯曲应力变化为Q第2期李燕勇等汽轮发电机组轴承载荷应变识别法及试验研究11720。转轴垂直方向上的实际应变量为嘞半3式中，S，、S分别为主测量片位于最低和最高位置时的应变值。23试验结果分析在转子试验台初始安装状态下，应用三截面应变法和顶举法测试了4号、5号轴承载荷。表1给出了测试结果比较。两种方法所测结果相近。顶举法测量时，支点在轴承附近，本文没有考虑支点位置影响，没有补偿顶举系数，所测结果有一定误差。表1三截面应变法和顶举法测试结果单位N表2给出了轴承载荷随4号轴承标高变化情况。标高调整量为01TRIM时。应变法能够识别出轴承载荷变化，说明本方法比较灵敏。4号轴承标高调整量在008MM内变化时，4号、5号轴承载荷变化基本为线性。标高调整量大于08MM之后，因为调整量超过了轴承间隙，转轴碰到上瓦，产生了1个向下的附加反力，导致测试结果产生了误差。表现在图6上，就是曲线变化趋势出现了比较明显的转折点。4号轴承标高抬高后，4号轴承载荷增大，5号轴承载荷降低，该现象与计算分析完全相同。表2轴承载荷随4号轴承标高变化情况单位N标高调整量4号轴承5号轴承标高调整量4号轴承5号轴承MMMMO09491LL005175053992011L1279642O820872L13602L27168L98102695634583结论本文提出通过测量轴承座附近转轴3个截面上的应变冬瞧辐幅暴苣枢幅暴轴承抬高量LAIN4号轴承轴承抬高量LAIN5号轴承图6轴承载荷随4号轴承标高变化情况值来识别轴承所承受的载荷。转子试验台测试结果表明，该方法能够比较准确地识别出轴承载荷，线性度较好。大型汽轮发电机组安装好后，轴承所承受的实际载荷难以准确知道。本文所提出的方法可以解决该问题，具有较强的工程应用价值。参考文献1杨建刚，周世新，黄葆华，等多支撑汽轮发电机组轴承载荷灵敏度计算与分析J中国电机工程学报，2000，20779822田新启，高伟，杨建刚，等连通管一涡流传感器轴系标高多点同时测试系统及应用J汽轮机技术，2009，5164604623郑定育船舶轴系顶举试验实践J中国水运，2011，LL49596上接第88页1轴承问隙太小，压力油膜的梯度很大，承载能力越强，对轴承有很大的破坏性，如果轴颈给油膜的压力不足时，油膜提供的压力大于轴颈对油膜的压力，就容易产生半速涡动和油膜震荡。2轴承间隙太大，压力梯度很小，油膜的承载能力有限，容易造成旋转机械的振动和摩擦。3在转子运行过程中，存在最佳的轴承间隙，使压力油膜既能提供稳定的载荷，又能使压力油膜具有很强的稳定性，轴承间隙大小对转子稳定性有着显著的影响。参考文献1吴超三维油膜动特性试验研究J轴承，2005，103537杨金福流体动力润滑及轴承转子系统的稳定性研究D保定华北电力大学2006杨金福，杨昆，付忠广，等滑动轴承非线性动态