山美水電站3號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承異常振動(dòng)原因分析及處理

林美香

（泉州市山美水庫(kù)管理處，福建 泉州 362000）

山美水電站3號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承異常振動(dòng)原因分析及處理

林美香

（泉州市山美水庫(kù)管理處，福建 泉州 362000）

介紹泉州市山美電站3號(hào)機(jī)組2015年增效擴(kuò)容改造過(guò)程中，在試運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)軸承出現(xiàn)異常振動(dòng)的原因排查、分析及對(duì)機(jī)組相關(guān)部位進(jìn)行處理，并對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造的過(guò)程。成功解決了該機(jī)組設(shè)計(jì)制造時(shí)遺留的缺陷，可為水輪機(jī)水導(dǎo)軸承出現(xiàn)類似情況的處理及改造提供一個(gè)較為成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

分塊瓦式水導(dǎo)軸承；異常振動(dòng)；振動(dòng)原因排查處理；水導(dǎo)結(jié)構(gòu)改造

1 引言

泉州市山美水電站3號(hào)機(jī)組于1996年12月建成投產(chǎn)，原機(jī)組出力30 MW。機(jī)組型式為立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組轉(zhuǎn)速為166.7 r/min。2014年11月開(kāi)始，3號(hào)機(jī)組進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，機(jī)組出力增大至33 MW，2015年8月基本安裝完成，2015年11月通過(guò)啟動(dòng)驗(yàn)收，投入運(yùn)行。改造前原水導(dǎo)軸承為分半筒式結(jié)構(gòu)，橡膠瓦水潤(rùn)滑方式。此次技改，考慮到分半筒式軸承重量較重，安裝和檢修存在一定困難，所以此次改造采用分塊瓦式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軸承由6塊分塊式塑料瓦構(gòu)成，仍然采用水潤(rùn)滑形式，如圖1所示：

2015年8月15日，改造完成進(jìn)行試運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)試運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)處大軸擺度較大，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組擺度持續(xù)增大，水導(dǎo)軸承座、水箱處測(cè)量振動(dòng)值不斷加劇，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1：

表1 水導(dǎo)軸承處測(cè)得擺度及振動(dòng)值

可見(jiàn)，機(jī)組空轉(zhuǎn)試運(yùn)行的參數(shù)狀況大幅超出規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組無(wú)法繼續(xù)試運(yùn)行，需分析振動(dòng)原因并做出處理。

2 振動(dòng)原因排查

（1）由于機(jī)組擺度變化幅度較大，首先判斷可能是機(jī)組軸線發(fā)生變化。停機(jī)后，對(duì)機(jī)組軸線進(jìn)行重新盤車測(cè)量，校核軸線擺度。盤車結(jié)果如表2：

圖1 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

表2 校核盤車數(shù)據(jù)

對(duì)照安裝時(shí)機(jī)組盤車記錄數(shù)據(jù)，基本沒(méi)有變動(dòng)，說(shuō)明安裝時(shí)機(jī)組軸線調(diào)整合格，運(yùn)行后沒(méi)有變動(dòng)，可排除因軸線變動(dòng)引起的振動(dòng)。

（2）拆解水導(dǎo)軸承，對(duì)軸承各部件進(jìn)行檢查。測(cè)量水導(dǎo)瓦總間隙，達(dá)到0.70 mm左右（安裝時(shí)調(diào)瓦總間隙為0.40 mm），取出瓦塊，發(fā)現(xiàn)瓦塊背面抗壓圓墊板和支柱螺栓球頭都有明顯的壓痕，如圖2所示。造成損傷的原因是廠家在加工完圓墊片和支柱螺栓后未按技術(shù)要求做淬火處理，材料表面硬度不夠，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在大軸振擺力的作用下表面產(chǎn)生壓痕，使瓦間間隙變大，這是造成機(jī)組主軸擺度變大的原因之一。

圖2 頂瓦螺栓球頭損傷照片

（3）2015年9月份，經(jīng)多次空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，因機(jī)組上、下、水導(dǎo)三道軸承都存在額定轉(zhuǎn)速下擺度過(guò)大現(xiàn)象，而校核盤車數(shù)據(jù)又符合要求。廠家等技術(shù)部門判斷機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件存在不平衡問(wèn)題，決定請(qǐng)華中科技大學(xué)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明機(jī)組擺度跟機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比，試驗(yàn)單位分析確認(rèn)轉(zhuǎn)子裝配存在重量不平衡，引起機(jī)組各道軸承擺度增大，是造成水導(dǎo)軸承振動(dòng)的重要原因。

（4）通過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡配重，處理后機(jī)組擺度有所下降，上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸承處主軸擺度下降到規(guī)范允許值，上導(dǎo)、下導(dǎo)軸承支架上測(cè)得的振動(dòng)值也相應(yīng)下降到了規(guī)范允許值。但水導(dǎo)處軸承座振動(dòng)值沒(méi)有明顯下降，并且隨著機(jī)組工況的改變，擺度和振動(dòng)值也有較大幅度的改變。特別是水導(dǎo)軸承座，在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后，振動(dòng)值持繼增大，最終達(dá)到雙幅0.72 mm，機(jī)組無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)組停機(jī)后拆解水導(dǎo)軸承座后發(fā)現(xiàn)，軸承座與頂蓋的聯(lián)接螺栓斷裂了2支，可見(jiàn)振動(dòng)的劇烈程度。由于經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡處理，只有水導(dǎo)軸承座的振動(dòng)值未有明顯減小，據(jù)此分析，有可能是水導(dǎo)軸承座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，引起了軸承座整體振動(dòng)，在振擺力及剪切應(yīng)力的作用下，聯(lián)接螺栓發(fā)生斷裂。

如圖1所示，3號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承座設(shè)計(jì)為分塊瓦結(jié)構(gòu)，軸承整體由瓦座、水箱、主軸密封及附件組成。由圖1可以看出，瓦座與水箱為分體結(jié)構(gòu)，各自獨(dú)立通過(guò)同一支M22螺栓固定在頂蓋上。由于水導(dǎo)瓦支持座的鋼板厚度僅有30 mm，且與水箱為各自獨(dú)立結(jié)構(gòu)，未能形成整體受力結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整個(gè)軸承座徑向支撐力不足，在大軸徑向振擺力的作用下，整個(gè)軸承座產(chǎn)生較大的振動(dòng)，這也是水導(dǎo)軸承產(chǎn)生振動(dòng)的另一個(gè)重要原因。

3 處理方法及過(guò)程

針對(duì)上文對(duì)振動(dòng)原因的分析排查，對(duì)可能造成水導(dǎo)軸承振動(dòng)的疑點(diǎn)，逐條進(jìn)行整改處理。

（1）首先，查對(duì)圖紙，水導(dǎo)軸承瓦背抗壓圓墊片材質(zhì)為鍛30Cr，頂瓦支柱螺栓材質(zhì)30Cr，材質(zhì)強(qiáng)度不足，且兩個(gè)零件加工后沒(méi)有按要求經(jīng)過(guò)淬火處理，表面硬度不夠，受力后表面產(chǎn)生凹痕，造成軸承瓦間間隙變大，是造成主軸擺度持續(xù)變大的主要原因。經(jīng)過(guò)與廠家交涉，廠家重新加工了一套頂瓦螺栓和圓墊片，材質(zhì)采用40Cr，并按技術(shù)要求經(jīng)過(guò)淬火處理，保證其有足夠的強(qiáng)度和表面硬度。

（2）根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件動(dòng)平衡試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)子支架的相應(yīng)方位焊接了配重塊，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)平衡有了很大的改善，機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下測(cè)得的三道軸承擺度都與盤車的數(shù)據(jù)基本吻合，機(jī)組運(yùn)行中主軸擺度過(guò)大的缺陷得到了有效的消除。

（3）通過(guò)以上對(duì)振動(dòng)原因的分析和排查，可知水導(dǎo)軸承座的結(jié)構(gòu)存在較大的缺陷，軸承支持環(huán)的強(qiáng)度不足，是造成水導(dǎo)軸承異常振動(dòng)的另一重要原因。針對(duì)軸承座的結(jié)構(gòu)缺陷，經(jīng)過(guò)和廠家探討，對(duì)軸承座做了以下的改造：

1）對(duì)瓦座支持環(huán)和水箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將瓦座支持環(huán)和水箱做成整體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，水箱壁與瓦座支持環(huán)由同一塊鋼板構(gòu)成，提高了整個(gè)軸承座的整體強(qiáng)度，并且瓦座支持環(huán)采用70 mm厚鋼板加工而成，保證軸承有足夠的徑向支撐力。

圖3 改造后水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

2）在水箱和瓦座圓周外側(cè)加焊4條豎向加強(qiáng)筋板，進(jìn)一步加強(qiáng)了軸承座的整體強(qiáng)度。

3）將軸承座與頂蓋的聯(lián)接螺栓更換成高強(qiáng)度材質(zhì)的螺栓，在軸承基座與頂蓋的把合面，沿圓周方向另外鉆鉸4支Φ25錐銷，除了起到定位作用外，也增強(qiáng)了軸承整體對(duì)機(jī)組振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生剪切應(yīng)力的抵抗作用。

4 處理后效果

2016年3月份，經(jīng)過(guò)改造后的水導(dǎo)軸承順利安裝就位，根據(jù)技術(shù)要求，安裝水導(dǎo)軸承的同時(shí)對(duì)上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承瓦間隙重新分配調(diào)整。隨后機(jī)組進(jìn)行試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)空轉(zhuǎn)、帶額定負(fù)荷等幾種工況的試驗(yàn)，在額定負(fù)荷下機(jī)組各部測(cè)得的主軸擺度及振動(dòng)值如表3、表4：

表3 處理后機(jī)組主軸擺度測(cè)量記錄表

表4 處理后機(jī)組各部位振動(dòng)測(cè)量值

從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過(guò)一系列針對(duì)振動(dòng)原因所做的處理和改造，效果顯著，運(yùn)行時(shí)各部的振動(dòng)值和主軸擺度值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，機(jī)組的不正常振動(dòng)，特別是水導(dǎo)軸承的異常振動(dòng)得到了有效處理。3號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承改造后投入運(yùn)行已3個(gè)多月，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)平穩(wěn)正常，未再出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明本次異常振動(dòng)故障的原因排查準(zhǔn)確，處理及改造方法科學(xué)有效，不失為一次成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

山美電站3號(hào)機(jī)組用水潤(rùn)滑分塊瓦結(jié)構(gòu)的水導(dǎo)軸承代替原分半筒式的的水導(dǎo)軸承，分塊瓦結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、檢修方便的優(yōu)點(diǎn)。但作為一種新的嘗試，在設(shè)計(jì)、制造方面還存在一些不足。本次水導(dǎo)軸承異常振動(dòng)的原因分析及有針對(duì)性處理、結(jié)構(gòu)改造的經(jīng)驗(yàn)介紹，整個(gè)分析處理過(guò)程科學(xué)合理，處理效果良好，作為一次成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可為今后水電站技改出現(xiàn)的類似問(wèn)題的處理提供一定的借鑒和參考。

［1］單文培，黃少敏.水輪發(fā)電機(jī)組安裝與檢修［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［2］GB/T8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范［S］.水利電力出版社，2004.

［3］鄭 源，陳德新.水輪機(jī)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

TV734.2

B

1672-5387（2016）10-0057-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.017

2016-05-31

林美香（1973-），女，工程師，從事水電站運(yùn)行及技術(shù)管理工作。