CN111927677A - 基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其包括：测算水轮发电机组的动态抬机量、推力头翻转角、推力瓦倾斜度、镜板波浪度和主轴与镜板不垂直度；若出现动态抬机量大于预设的动态抬机量阈值、推力头翻转角大于预设的推力头翻转角阈值、推力瓦倾斜度大于预设的推力瓦倾斜度阈值、镜板波浪度大于预设的镜板波浪度阈值、主轴与镜板不垂直度大于预设的主轴与镜板不垂直度阈值其中任意一种情况，则输出报警信号。本发明更加全面的反映了机组推力轴承运行状态、健康状况，从而可以对推力轴承运行中存在的潜在缺陷和问题进行准确的评估和预判，确保推力轴承运行的稳定性和安全性。

Description

基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法

技术领域

本发明涉及轴流式水轮发电机组推力轴承领域。更具体地说，本发明涉及一种基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法。

背景技术

轴流式水轮机是指水流由轴向进入转轮，沿其叶片自轴向流出，将水流能量转换为机械能的反击式水轮机。推力轴承作为轴流式水轮发电机的关键部件，为水轮发电机组的转动部分重量和水推力提供支持，其运行状态直接决定着机组运行的安全性和稳定性。国外水力发电机组故障统计数据表明，因为轴承(推力轴承)运行故障带来机组的事故停机甚为普遍，约占水力机械设备总故障的1/2，把它列为可靠程度最低的重要部件。由于缺乏对于推力轴承的有效监测手段，故无法对故障实现有效的监视、定位和预警。

目前国内外对于推力轴承的监测主要集中在对于推力瓦的监测上，且这种监测还处于初级阶段，大部分的监测系统仅停留在推力瓦温和油温的监测上，对于推力轴承的其他重要运行参数，如镜板波浪度、机组抬机量、推力头镜板配合不当、主轴与镜板不垂直和推力瓦倾斜度及倾斜方位等核心监测参数，目前还处于空白阶段，难以实施在线监测，且仍有待进一步的开发和研究。

因此为满足目前机组的运行稳定性需求研究一种基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法用于推力轴承在线监测，实现对轴流定桨式水轮发电机推力轴承运行状态的全面监测已经迫在眉睫。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，实现对机组推力轴承运行状态、健康状况的全面实时监测，对推力轴承运行中存在的潜在缺陷和问题进行评估和预判，确保推力轴承运行的稳定性和安全性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其包括：

测算水轮发电机组的动态抬机量、推力头翻转角、推力瓦倾斜度、镜板波浪度和主轴与镜板不垂直度；

比较动态抬机量与预设的动态抬机量阈值、推力头翻转角与预设的推力头翻转角阈值、推力瓦倾斜度与预设的推力瓦倾斜度阈值、镜板波浪度与预设的镜板波浪度阈值、主轴与镜板不垂直度和预设的主轴与镜板不垂直度阈值；

若出现动态抬机量大于预设的动态抬机量阈值、推力头翻转角大于预设的推力头翻转角阈值、推力瓦倾斜度大于预设的推力瓦倾斜度阈值、镜板波浪度大于预设的镜板波浪度阈值、主轴与镜板不垂直度大于预设的主轴与镜板不垂直度阈值其中任意一种情况，则输出报警信号。

优选的是，测算水轮发电机组的动态抬机量的方法包括：

在推力轴承的镜板下方沿周向均匀间隔的设置3只动态抬机量传感器，用以测量动态抬机量传感器与镜板的间隙值；

获取水轮发电机组被高压油顶起前，动态抬机量传感器与镜板的间隙值D₀₁、D₀₂、D₀₃；

获取水轮发电机组被高压油顶起后，水轮发电机组转速开始增加时，动态抬机量传感器与镜板的间隙值D₁、D₂、D₃；

计算水轮发电机组的动态抬机量

优选的是，测算水轮发电机组的推力头翻转角的方法包括：

水轮发电机组以额定转速运行时，获取上导摆度相位或上机架振动1X相位

水轮发电机组以50％额定转速运行时，获取上导摆度相位或上机架振动1X相位

计算水轮发电机组的推力头翻转角

优选的是，测算水轮发电机组的推力瓦倾斜度的方法包括：

设置每只动态抬机量传感器在水轮发电机组旋转一周过程中的测量次数为n次；

获取3只动态抬机量传感器在水轮发电机组旋转一周过程中每次测量得到的数据C_1i、C_2i、C_3i，1≤i≤n，计算水轮发电机组在旋转一周过程中每个传感器测量时的平均位移值变化量：

计算水轮发电机组在旋转一周过程中的最大镜板位移值

和最小镜板位移值

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的推力瓦倾斜度

其中，1≤j≤x，C_lj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最大镜板位移值，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值。

优选的是，当水轮发电机组的推力瓦倾斜度大于预设的推力瓦倾斜度阈值时，还输出推力瓦倾斜度方位。

优选的是，测算水轮发电机组的镜板波浪度的方法包括：

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的镜板波浪度

其中，1≤j≤x，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值。

优选的是，测算水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度的方法包括：

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度

其中，1≤j≤x，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值。

优选的是，当水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度大于预设的主轴与镜板不垂直度阈值时，还输出主轴与镜板不垂直度方位。

优选的是，预设的推力头翻转角阈值为90°或270°。

优选的是，预设的推力瓦倾斜度阈值为30μm，预设的镜板波浪度阈值为30μm，预设的主轴与镜板不垂直度阈值为30μm。

本发明至少包括以下有益效果：通过对水轮发电机组的动态抬机量、推力头翻转角、推力瓦倾斜度、镜板波浪度和主轴与镜板不垂直度这几个指标的在线监测，更加全面的反映了机组推力轴承运行状态、健康状况，从而可以对推力轴承运行中存在的潜在缺陷和问题进行准确的评估和预判，确保推力轴承运行的稳定性和安全性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述保护方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本保护方法致力于实现对能够体现推力运行稳定性的核心参数的监测和报警保护，包括机组动态抬机量、镜板波浪度、主轴与镜板不垂直度、推力瓦倾斜度及倾斜方位计算评价和推力头镜板配合不当计算评价与报警保护等。

1、机组动态抬机量

在导叶关闭时，由于水流的惯性作用，会在转轮室中产生一段真空，同时水流在下游水压力作用下减速停止并反向运动，撞击转轮叶片，引起向上的水力冲击，即所谓的反水锤，只要反向轴向力大于机组转动部分的总重量，就会使机组转动部分被抬起一定高度，此现象称为抬机。抬机现象是轴流式水轮机常出现的一种现象，严重抬机对机组是有危害的，会导致水轮机叶片的断裂，顶盖损坏等,也会导致发电机电刷和集电环的损坏发电机转子风扇损坏而甩出，引起发电机烧损的恶性事故。因此对于轴流式水轮发电机组而言，监视其动态抬机量具有重要意义。

2、推力瓦倾斜度及倾斜方位

盘车作为机组安装中机械调整的一个关键工艺步骤，对后期机组稳定运行有着重要的影响，而推力瓦水平调整作为盘车的一个重要环节，影响着最终的盘车效果。推力瓦调整水平不合格，后期的盘车数据很难达到理想的效果，因此推力瓦水平的调整对于机组稳定运行有着重要的影响。

推力瓦倾斜度故障分为两类：

(1)静态安装调整不水平，这种通常在机组运行过程中体现在降速过程中会出现较为明显的旋转中心偏移；

(2)动态推力瓦倾斜度，这种状态是由于机组受到不平衡力，如固定方向不平衡磁拉力或水力不平衡不均匀等，导致在机组运行过程中推力瓦受力明显不均匀，这种现象严重时通常会在振动中产生推力瓦数振动频率。

对于推力瓦水平故障的调整，国家标准《GB T 8564-2003水轮发电机组安装技术规范》要求其数值不可以大于30μm。因此，对推力瓦倾斜度故障的监测和调整是不可或缺的。

3、镜板波浪度

镜板作为水轮发电机的重要核心部件，起到承受整台机组转动部份的重量和水推力的作用。镜板波浪度体现的是镜板在受力后的机械变形和热变形，其反应出来的是镜板的刚度相对于镜板载荷的裕度，波浪度越小，说明镜板刚度裕度越大。因此对镜板波浪度的严格监测是监测水轮发电机稳定运行的重要步骤。

4、主轴与镜板不垂直

主轴与镜板不垂直故障主要来源于机组盘车时的工艺不合格，此故障需要机组重新盘车，调整主轴与镜板垂直度。检查镜板和主轴的不垂直度作为盘车的一个重要工艺环节，影响着整个盘车工艺的好坏。而对于主轴与镜板的垂直度，《GB T 8564-2003水轮发电机组安装技术规范》要求其不垂直度不可以超过30μm。镜板作为关键部件，其与主轴连接的状况应给予密切监测和关注。

5、推力头镜板配合不当

镜板作为水轮发电机的核心部件，其整体的加工、制造、安装工艺要求非常严苛。对于推力头与镜板的连接，必须保证其具有足够的紧密度，才能确保机组在后续运行过程中整个轴系是稳定的，因此推力头与镜板必须是过盈配合。在安装工艺上采用的是热套工艺，对于热套时的温度也有着极为严格的要求。推力头镜板配合不当故障的主要来源是安装工艺的不规范，导致镜板与推力头之间连接不够紧密，从而引起机组在运行过程中轴系不稳定，带来振摆异常。因此，密切关注并监测推力头镜板配合不当故障参数是非常重要的。

为了更加全面的反映机组推力轴承运行状态、健康状况，如图1所示，本发明提供一种基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其包括：

测算水轮发电机组的动态抬机量、推力头翻转角、推力瓦倾斜度、镜板波浪度和主轴与镜板不垂直度；

比较动态抬机量与预设的动态抬机量阈值、推力头翻转角与预设的推力头翻转角阈值、推力瓦倾斜度与预设的推力瓦倾斜度阈值、镜板波浪度与预设的镜板波浪度阈值、主轴与镜板不垂直度和预设的主轴与镜板不垂直度阈值；

若出现动态抬机量大于预设的动态抬机量阈值、推力头翻转角大于预设的推力头翻转角阈值、推力瓦倾斜度大于预设的推力瓦倾斜度阈值、镜板波浪度大于预设的镜板波浪度阈值、主轴与镜板不垂直度大于预设的主轴与镜板不垂直度阈值其中任意一种情况，则输出报警信号。

在另一实施例中，测算水轮发电机组的动态抬机量的方法包括：

在推力轴承的镜板下方沿周向均匀间隔的设置3只动态抬机量传感器，用以测量动态抬机量传感器与镜板的间隙值，这3只动态抬机量传感器的探头可设置在不同高度处，当然最好设置在同一水平高度；

获取水轮发电机组被高压油顶起前，动态抬机量传感器与镜板的间隙值D₀₁、D₀₂、D₀₃，这里由于镜板平面的位置由3只动态抬机量传感器的测量结果可确定下来(三点确定一平面)，故将初始状态的镜板平面的位置定义为镜板静态基准平面；

获取水轮发电机组被高压油顶起后，水轮发电机组转速开始增加时，动态抬机量传感器与镜板的间隙值D₁、D₂、D₃；

计算水轮发电机组的动态抬机量

这里比较动态抬机量与预设的动态抬机量阈值的方法包括：

计算水轮发电机组的动态抬机量L_f与预设的动态抬机量阈值L₀的差值ΔL，

ΔL＝L_f-L₀

当ΔL>0时，则输出动态抬机量L_f过大的故障判定，输出报警信号。

在另一实施例中，测算水轮发电机组的推力头翻转角的方法包括：

水轮发电机组以额定转速运行时，获取上导摆度相位或上机架振动1X相位

水轮发电机组以50％额定转速运行时，获取上导摆度相位或上机架振动1X相位

计算水轮发电机组的推力头翻转角

这里预设的推力头翻转角阈值为90°或270°，这两个角度都是在实际应用中常使用的相位角最大容忍角度，而比较推力头翻转角与预设的推力头翻转角阈值的方法包括：

计算推力头轴线与镜板的配合角度θ，

当90°≤θ≤270°,则输出推力头与镜板配合不当的故障判定，输出报警信号。

在另一实施例中，测算水轮发电机组的推力瓦倾斜度的方法包括：

设置每只动态抬机量传感器在水轮发电机组旋转一周过程中的测量次数为n次，这里测量次数n一般取机组的振动频率，对每一次振动进行采样，在本实施例中水轮发电机组旋转一周振动256次，故取n＝256，同理，下面实施例中n也可以取256；

获取3只动态抬机量传感器在水轮发电机组旋转一周过程中每次测量得到的数据C_1i、C_2i、C_3i，1≤i≤n，计算水轮发电机组在旋转一周过程中每个传感器测量时的平均位移值变化量：

计算水轮发电机组在旋转一周过程中的最大镜板位移值

和最小镜板位移值

是指取水轮发电机组在旋转一周过程中3只传感器测量得到的平均位移值变化量中的最大值，

是指取水轮发电机组在旋转一周过程中3只传感器测量得到的平均位移值变化量中的最小值。

这里由于推力瓦平面由多块推力瓦拼接形成，水轮发电机组在低转速时，在重力作用下镜板与推力瓦平面接近(二者之间由推力油膜维系)。如果构成推力瓦平面的所有推力瓦瓦面不在同一水平，略有起伏，那么当水轮发电机组转速升高后，各导轴承完全承载时，镜板的抬升量在各个方位就会不一致，较低位置的推力瓦瓦面处镜板抬升量较大，较高位置的推力瓦瓦面处镜板抬升量较小，故取水轮发电机组在旋转一周过程中的最大镜板位移值实际上是确定较低位置的推力瓦瓦面，取水轮发电机组在旋转一周过程中的最小镜板位移值实际上是确定较高位置的推力瓦瓦面；

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的推力瓦倾斜度

其中，1≤j≤x，C_lj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最大镜板位移值，

即为水轮发电机组旋转x周后x个最大镜板位移值中的最大值，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值，

即为水轮发电机组旋转x周后x个最小镜板位移值中的最小值。

这里x由用户根据机组运行状态定义，最好定义为机组运行状态稳定后的若干周，这样能较准确的反映推力轴承的实际情况，本实施例中机组运行32周时已处于稳定状态一段时间，故取x＝32，下面实施例中x也可以取32。

这里由于根据国家标准规定推力瓦倾斜度阈值为30μm，故比较推力瓦倾斜度与预设的推力瓦倾斜度阈值的方法为：

如果B_l>30μm，则输出对机组推力瓦倾斜度的故障判定，输出报警保护信号；

在另一实施例中，当水轮发电机组的推力瓦倾斜度大于预设的推力瓦倾斜度阈值，不仅输出报警信号，还输出推力瓦倾斜度方位，所述推力瓦倾斜度方位为水轮发电机组旋转x周后x个最小镜板位移值中的最小值，即

在另一实施例中，测算水轮发电机组的镜板波浪度的方法包括：

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的镜板波浪度

其中，1≤j≤x，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值，C_h(j-1)为水轮发电机组旋转x周中第j-1周的最小镜板位移值，B_max即为取x周中相邻两周的最小镜板位移值之差的最大值。

这里由于根据国家标准规定镜板波浪度阈值为30μm，故比较镜板波浪度与预设的镜板波浪度阈值的方法为：

如果B_max>30μm，则输出对机组镜板波浪度过大的故障判定，输出报警保护信号；

在另一实施例中，测算水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度的方法包括：

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度

其中，1≤j≤x，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值，

即为水轮发电机组旋转x周后x个最小镜板位移值中的最大值。

这里由于根据国家标准规定主轴与镜板不垂直度阈值为30μm，故比较主轴与镜板不垂直度和预设的主轴与镜板不垂直度阈值的方法为：

如果B_hm>30μm，则输出机组主轴与镜板不垂直度异常的故障判定，输出报警保护信号。

在另一实施例中，当水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度大于预设的主轴与镜板不垂直度阈值时，不仅输出报警信号，还输出主轴与镜板不垂直度方位。

所述主轴与镜板不垂直度方位可以通过计算镜板动态平面与镜板静态基准平面的夹角Δα得出，其中，所述镜板动态平面取的是输出报警信号那一周的水轮发电机组转动过程中镜板所处平面，由于该镜板动态平面可以通过3只动态抬机量传感器的测量结果确定(每只传感器的测量结果取旋转一周过程中n次采样的平均值)，又所述镜板静态基准平面已经确定，即前面实施例中所述的由3只动态抬机量传感器在水轮发电机组被高压油顶起前的测量结果确定的初始状态的镜板平面，那么镜板动态平面与镜板静态基准平面的夹角就可计算得出，由于平面间夹角的计算方法为现有技术，故不再赘述。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，包括：

测算水轮发电机组的动态抬机量、推力头翻转角、推力瓦倾斜度、镜板波浪度和主轴与镜板不垂直度；

比较动态抬机量与预设的动态抬机量阈值、推力头翻转角与预设的推力头翻转角阈值、推力瓦倾斜度与预设的推力瓦倾斜度阈值、镜板波浪度与预设的镜板波浪度阈值、主轴与镜板不垂直度和预设的主轴与镜板不垂直度阈值；

若出现动态抬机量大于预设的动态抬机量阈值、推力头翻转角大于预设的推力头翻转角阈值、推力瓦倾斜度大于预设的推力瓦倾斜度阈值、镜板波浪度大于预设的镜板波浪度阈值、主轴与镜板不垂直度大于预设的主轴与镜板不垂直度阈值其中任意一种情况，则输出报警信号。

2.如权利要求1所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，测算水轮发电机组的动态抬机量的方法包括：

在推力轴承的镜板下方沿周向均匀间隔的设置3只动态抬机量传感器，用以测量动态抬机量传感器与镜板的间隙值；

获取水轮发电机组被高压油顶起前，动态抬机量传感器与镜板的间隙值D₀₁、D₀₂、D₀₃；

获取水轮发电机组被高压油顶起后，水轮发电机组转速开始增加时，动态抬机量传感器与镜板的间隙值D₁、D₂、D₃；

计算水轮发电机组的动态抬机量

3.如权利要求1所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，测算水轮发电机组的推力头翻转角的方法包括：

水轮发电机组以额定转速运行时，获取上导摆度相位或上机架振动1X相位

水轮发电机组以50％额定转速运行时，获取上导摆度相位或上机架振动1X相位

计算水轮发电机组的推力头翻转角

4.如权利要求2所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，测算水轮发电机组的推力瓦倾斜度的方法包括：

设置每只动态抬机量传感器在水轮发电机组旋转一周过程中的测量次数为n次；

获取3只动态抬机量传感器在水轮发电机组旋转一周过程中每次测量得到的数据C_1i、C_2i、C_3i，1≤i≤n，计算水轮发电机组在旋转一周过程中每个传感器测量时的平均位移值变化量：

计算水轮发电机组在旋转一周过程中的最大镜板位移值

和最小镜板位移值

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的推力瓦倾斜度

其中，1≤j≤x，C_lj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最大镜板位移值，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值。

5.如权利要求4所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，当水轮发电机组的推力瓦倾斜度大于预设的推力瓦倾斜度阈值时，还输出推力瓦倾斜度方位。

6.如权利要求4所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，测算水轮发电机组的镜板波浪度的方法包括：

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的镜板波浪度

其中，1≤j≤x，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值。

7.如权利要求4所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，测算水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度的方法包括：

当水轮发电机组旋转x周后，

计算水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度

其中，1≤j≤x，C_hj为水轮发电机组旋转x周中第j周的最小镜板位移值。

8.如权利要求7所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，当水轮发电机组的主轴与镜板不垂直度大于预设的主轴与镜板不垂直度阈值时，还输出主轴与镜板不垂直度方位。

9.如权利要求1～7中任意一项所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，预设的推力头翻转角阈值为90°或270°。

10.如权利要求1～7中任意一项所述的基于多特征融合的轴流定桨式发电机组推力轴承保护方法，其特征在于，预设的推力瓦倾斜度阈值为30μm，预设的镜板波浪度阈值为30μm，预设的主轴与镜板不垂直度阈值为30μm。

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