ALSTOM 機(jī)組推力軸承損壞原因及措施

魏玉國

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，承受水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分重量和全部水推力。三峽電站機(jī)組重量和水推力大，因而推力軸承負(fù)荷和尺寸大。三峽ALSTOM 發(fā)電機(jī)推力軸承采用雙層軸瓦彈性柱銷專利結(jié)構(gòu)，瓦面材料為巴氏合金，其內(nèi)、外徑分別為3.5m 和5.2m［1］。這種推力軸承由推力瓦(薄瓦)和托瓦(厚瓦)兩層之間布置了一系列直徑不等的小支柱，在托瓦底部有一個小托盤，軸承瓦通過托盤支撐在一個長支柱上面，長支柱可以通過螺紋調(diào)整高程［2］。

三峽電站ALSTOM 機(jī)組推力軸承自機(jī)組投入運(yùn)行以來運(yùn)轉(zhuǎn)良好，但也存在一些問題:鏡板與推力頭連接螺栓均有不同程度的松動，部分機(jī)組鏡板與推力頭合縫存在局部間隙及油流情況，鏡板與推力頭連接螺栓發(fā)生斷裂情況，鏡板與推力頭結(jié)合面銹蝕較嚴(yán)重等［3，4］。

1 ALSTOM 機(jī)組推力軸承問題分析

1.1 鏡板厚度不足

由于鏡板較薄，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時，鏡板在24 塊推力軸瓦的作用下，出現(xiàn)了周期性的波浪變形(這種現(xiàn)象可在機(jī)組盤車時，用百分表測量鏡板表面證實(shí))，推力頭的剛性遠(yuǎn)大于鏡板，因此當(dāng)推力頭與鏡板結(jié)合面處于相鄰兩塊推力瓦之間時，就出現(xiàn)縫隙，當(dāng)結(jié)合面轉(zhuǎn)至推力瓦面上部時縫隙就被壓合，如圖1 所示。

圖1 推力頭與鏡板結(jié)合面周期性出現(xiàn)縫隙與壓合放大示意圖

當(dāng)產(chǎn)生縫隙時油被吸入，同時在負(fù)壓作用下，油中產(chǎn)生大量氣穴現(xiàn)象。當(dāng)縫隙被壓合時，推力頭與鏡板結(jié)合面會產(chǎn)生氣蝕破壞。氣穴的產(chǎn)生、壓縮、突然破裂的作用次數(shù)，在一個大修間隔內(nèi)，可達(dá)兆次以上。這種氣蝕作用，使鏡板背面和推力頭底面變的粗超，促使氣穴更易于形成，加劇了氣蝕的破壞作用。接觸面的氣蝕破壞是呈等高線型逐漸縮小的蠶食過程，最后完全被蠶食，即由接觸受力面變?yōu)椴皇芰γ妫^而使別的不受力面上升為接觸受力面，接著它又遭受氣蝕破壞，上述氣蝕現(xiàn)象與三峽ALSTOM 機(jī)組推力軸承拆解后，結(jié)合面氣蝕情況相吻合，說明了氣蝕現(xiàn)象的存在，也證明了鏡板厚度不足是產(chǎn)生推力頭鏡板把合面銹蝕的直接原因。

推力瓦圓周均布并支撐著整圓結(jié)構(gòu)的鏡板與推力頭，當(dāng)鏡板旋轉(zhuǎn)時，由于瓦和瓦間的作用力不同，所形成的巨大交變力，使鏡板產(chǎn)生波浪變形，可見把合螺栓受該波浪變形的影響，承受交變載荷，如果鏡板厚度不足，變形則較大，當(dāng)鏡板變形大于油膜厚度時，會對推力軸承性能會產(chǎn)生不良影響，甚至可能引起燒瓦事故。

鏡板的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是減小其變形，最有效的辦法是增大鏡板厚度值，三峽推力軸承最小油膜厚度計(jì)算值為0.029mm，鏡板有害變形不能超過運(yùn)行油膜厚度，鏡板厚度取值范圍見表1。

表1 鏡板厚度取值范圍數(shù)據(jù)表

以上數(shù)據(jù)是根據(jù)幾十年已運(yùn)行機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)圖紙，經(jīng)統(tǒng)計(jì)、總結(jié)的設(shè)計(jì)規(guī)范。多年實(shí)踐證明，按表1 選取鏡板厚度可保證推力軸承安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 推力頭與鏡板結(jié)合螺栓選擇不合理

推力頭與鏡板結(jié)合螺栓規(guī)格通常為M36，M42，M48，螺栓弦距為6 ～7 倍螺栓直徑。合理選擇螺栓規(guī)格，螺栓弦距可以避免出現(xiàn)螺栓斷裂問題。

三峽右岸ALSTOM 與哈電聯(lián)合制造機(jī)組，在鏡板80mm 厚度下，將結(jié)合螺栓個數(shù)增多，結(jié)合螺栓個數(shù)增加1.5 倍，使每兩個螺栓之間的距離變小，即增多控制鏡板波浪變形的結(jié)點(diǎn)數(shù)，使鏡板波浪變形的幅值減小，相應(yīng)加在螺栓上的交變力也隨之變小。目前小改結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中并未出現(xiàn)螺栓斷裂的問題。

三峽右岸VGS 與DFEM 鏡板和推力頭結(jié)構(gòu)，鏡板厚為140mm，結(jié)合螺栓為單排16-M30。該結(jié)構(gòu)比ALSTOM 結(jié)構(gòu)鏡板厚度增加1.75 倍，相對28 塊瓦，結(jié)合螺栓個數(shù)仍然偏少，按哈電設(shè)計(jì)規(guī)范，相鄰兩螺栓弦距在220 ～260 之間選取。三峽VGS鏡板和推力頭結(jié)構(gòu)，運(yùn)行以來沒有不良現(xiàn)象的反饋，說明鏡板波浪變形較小，使作用在螺栓上的交變力較小，因此，螺栓個數(shù)偏少但未出現(xiàn)問題。

龍灘發(fā)電機(jī)鏡板和推力頭結(jié)構(gòu)。該電站是ALSTOM 與HEC 聯(lián)合設(shè)計(jì)，鏡板厚度為200mm，把合螺栓16-M30x 雙排，結(jié)合面加裝密封條，符合哈電設(shè)計(jì)規(guī)范，可保證長期安全運(yùn)行。

三峽左岸ALSTOM 機(jī)組鏡板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，鏡板厚度為80，運(yùn)行一段時間就產(chǎn)生不良現(xiàn)象，其中5 號機(jī)鏡板產(chǎn)生永久變形，平面度達(dá)0.3mm，在巨大的交變力作用下，由于推力頭鏡板結(jié)合螺栓個數(shù)少，螺栓規(guī)格較小，所產(chǎn)生的波浪變形較大，引起結(jié)合螺栓的交變載荷顯現(xiàn)，造成螺栓因疲勞產(chǎn)生斷裂，從而造成結(jié)合螺桿斷裂事故。相似機(jī)組性能比較見表2。

表2 相似機(jī)組性能比較表

1.3 其他原因

鏡板和推力頭組合結(jié)構(gòu)，還存在熱應(yīng)力引起鏡板變形，會使結(jié)合面之間產(chǎn)生間隙，較薄鏡板產(chǎn)生的間隙較大，較厚鏡板產(chǎn)生的 間隙較小，可見鏡板應(yīng)有適當(dāng)?shù)暮穸龋瑹釕?yīng)力影響同樣要求鏡板有足夠的厚度和剛度。綜上，產(chǎn)生推力頭與鏡板結(jié)合面銹蝕及螺栓斷裂的主要原因

(1)鏡板厚度薄，剛度弱。推力頭與鏡板結(jié)合面間周期性出現(xiàn)了縫隙和被壓合的現(xiàn)象，導(dǎo)致鏡板推力頭結(jié)合面銹蝕及螺栓疲勞斷裂。

(2)結(jié)合螺栓數(shù)量少，規(guī)格小，抗疲勞能力弱。

2 ALSTOM 機(jī)組推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了消除三峽ALSTOM 機(jī)組推力軸承問題要從上述兩方面著手處理，增加鏡板厚度，增加結(jié)合螺栓數(shù)量或者增大螺紋規(guī)格，在鏡板推力頭結(jié)合面內(nèi)外側(cè)增加密封圈。同時根據(jù)電廠觀測，推力頭與鏡板存在相對位移。螺桿斷裂部位為與鏡板連接段螺紋根部，斷口整齊，其中斷口上部約15mm 內(nèi)有疑似擠壓痕跡，檢查其他螺栓孔發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈螺栓孔及螺栓絕大部分有此痕跡，外圈螺栓孔無此現(xiàn)象。壓痕位置一致，均位于俯視逆時針側(cè)，懷疑螺桿有受到剪切應(yīng)力的可能，因此決定在推力頭與鏡板結(jié)合面上安裝徑向銷釘，為避免銷釘在轉(zhuǎn)動時飛出，銷釘設(shè)計(jì)成“T”形，具體如圖2所示。

圖2 推力頭鏡板最終方案裝配圖

綜合考慮各種因素，確定處理方案為［5］

(1)推力頭與鏡板結(jié)合螺栓數(shù)量由16 個增加為32 個。

(2)推力頭與鏡板結(jié)合面內(nèi)外側(cè)增加2 個密封槽，設(shè)置密封圈。

(3)推力頭與鏡板結(jié)合面設(shè)置騎縫銷釘。

3 結(jié)語

三峽電站推力軸承已經(jīng)改造且回裝完畢，機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，目前軸承運(yùn)行狀態(tài)良好，證明了上述分析及解決方案的正確性。同時該案例也提醒設(shè)計(jì)員在設(shè)計(jì)時要注意合理選擇鏡板的厚度及結(jié)合螺栓數(shù)量。為類似電站推力軸承的改造提供了寶貴的技術(shù)支持。

［1］ 王樹清，梁波.三峽右岸電站水輪發(fā)電機(jī)主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.大型水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)論文集，2008.

［2］ 武中德，張宏.三峽水輪發(fā)電機(jī)推力軸承.中國三峽建設(shè)，2003.09.

［3］ 楊忠.水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油變黑故障分析與處理.云南水利發(fā)電，2010.4.

［4］ 王松林.白龍電站機(jī)組推力頭損壞的原因分析及處理.四川水利發(fā)電，2002.

［5］ 劉康寧.三峽5F 機(jī)組鏡板修復(fù)工藝及分析.機(jī)械工程師，2013.6.