長洲電站燈泡貫流機(jī)組推力瓦脫落原因分析及處理

付雪輝

(國家電投廣西長洲水電開發(fā)有限公司，廣西■梧州■543002)

1　概　述

長洲水利樞紐位于廣西梧州市上游12 km的潯江干流上，樞紐橫跨三江兩島。工程安裝15臺單機(jī)容量42 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其中1F、2F、9F機(jī)組為天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司制造；5F、6F、10F、11F機(jī)組為東方電機(jī)股份有限公司制造；3F、4F、7F、8F、12F、13F、14F、15F機(jī)組為哈電—東芝公司聯(lián)合制造；總裝機(jī)容量為630 MW，年設(shè)計發(fā)電量30億kW·h，是1座以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、灌溉等綜合效益的大型水利樞紐工程。

2　燈泡貫流機(jī)組軸承工作情況

長洲電站機(jī)組采用雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)側(cè)的導(dǎo)軸承與正、反推力軸承組合在一起，承受發(fā)電機(jī)重量和徑向力；同時又承受軸向正、反方向推力的軸承，稱為組合軸承。發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承承受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量和偏心磁力等引起的徑向力，發(fā)導(dǎo)軸承通過支持環(huán)將發(fā)電機(jī)的重量和徑向力傳至內(nèi)管形殼。正向推力軸承承受機(jī)組運(yùn)行時水流對水輪機(jī)產(chǎn)生的軸向推力，它主要由正推力瓦、推力環(huán)(鏡板)和抗重盤組成。 反推力軸承主要由反推力瓦、反推力環(huán)組成，承受機(jī)組停機(jī)過程中水錘反向沖擊力。水導(dǎo)軸承位于大軸的水輪機(jī)側(cè)，由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為懸臂形式，所有水導(dǎo)軸承除了承受水輪機(jī)的重量外，還要承受由于水力不平衡和水輪機(jī)重心偏移等帶來的徑向力。

哈電—東芝機(jī)組的正推力瓦采用鋼襯澆鑄巴氏合金結(jié)構(gòu)，扇形分塊式，分為12塊，成圓周布置。正常運(yùn)行情況下，正推力瓦與鏡板之間通過潤滑油進(jìn)行潤滑冷卻(24 m層軸承高位油箱自流至-3.8 m層軸承處)，且在開停機(jī)過程中，發(fā)導(dǎo)軸承底部注入高壓油，將大軸微微頂起，以便開機(jī)前在各軸瓦間建立油膜。

3　故障分析

長洲電站自投運(yùn)以來，哈電—東芝機(jī)組多次出現(xiàn)正向推力瓦面開裂、脫落現(xiàn)象，公司與廠家多次組織研究分析，查找正向推力瓦面開裂、脫落的原因，并對正向推力瓦面巴士合金進(jìn)行化學(xué)成分和金相組織的檢測，其檢測結(jié)果均為合格；且現(xiàn)場安裝的推力瓦都進(jìn)行了脫氫處理，使鎢金與鋼制瓦坯表面的結(jié)合力達(dá)到最佳。在排除瓦本身質(zhì)量問題后，對振動、受力、疲勞等各方面原因進(jìn)行了分析。

(1) 推力瓦的撐受力部件(如軸承支架、正向推力軸承殼)剛強(qiáng)度低，固有頻率未避開干擾頻率(與水輪機(jī)轉(zhuǎn)頻相關(guān))，導(dǎo)致共振；致使瓦受脈振力，使烏金層出現(xiàn)疲勞斷裂。推力軸承支撐的第一階軸向固有頻率為28.693 2 Hz，不會引起共振。通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)來看基本與計算值相符，所以不存在正向推瓦受力支撐部件剛度不足及變形過大的問題，也不存在共振現(xiàn)象。

(2)機(jī)組軸承結(jié)構(gòu)正推瓦受力調(diào)整及12塊正推瓦形成的承載面與鏡板平行度的調(diào)整安裝工藝要求較高，各瓦受力的均勻性需嚴(yán)格控制。從歷年機(jī)組正推力瓦損壞情況可以看出有受力不均的情況存在，有的瓦開裂，有的未裂。安裝時各瓦調(diào)整不均勻、安裝質(zhì)量不高、使受力不均是造成瓦烏金脫落原因之一。

(3)推力瓦在運(yùn)行時，瓦傾斜而產(chǎn)生的油楔理論上是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)瓦面受力的波動及瓦面疲勞破壞的問題。正向水推力傳遞路徑為：鏡板→正推力瓦→推力軸承殼→軸承支架。軸承支架為錐形支撐，受力后不會產(chǎn)生環(huán)向的波浪變形。推力軸承殼為焊接結(jié)構(gòu)，軸承殼外部焊接12個加強(qiáng)筋，在加強(qiáng)筋之間設(shè)置有支撐推力瓦用的12個支柱螺釘，為環(huán)向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。推力瓦調(diào)平后各支柱螺釘受力均勻，軸向變形一致，不會導(dǎo)致各推力瓦面出現(xiàn)環(huán)向波浪變形。因此，軸承支架及推力軸承殼不會引起瓦面力的振動。

(4) 對比實心鏡板和空心鏡板的特性，空心焊接鏡板可能是瓦面產(chǎn)生振動力的根源，在正向推力負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，由于空心鏡板環(huán)向的軸向剛度的不均勻會產(chǎn)生環(huán)向波浪度，鏡板旋轉(zhuǎn)時各塊推力瓦油膜厚度就會時大時小(即會發(fā)生瓦面受力波動)，導(dǎo)致鎢金層疲勞剝落。

初步分析原因為瓦面受到疲勞振動，導(dǎo)致瓦面出現(xiàn)裂紋在油膜壓力及溫度的作用下發(fā)生的整塊脫離現(xiàn)象。長洲哈電—東芝機(jī)組正向推力較大(663 t)，轉(zhuǎn)速較低(75 r/min)，即使采用了#68潤滑油，油膜厚度也僅為0.03 mm。油膜厚度在0.035 mm以下時通常采用整鍛實心鏡板以減小鏡板環(huán)向波浪度對油膜的影響；油膜厚度大于0.035 mm通常采用焊接空心鏡板。由于油膜厚度足夠大，鏡板波浪度對油膜影響較小，長洲哈電—東芝機(jī)組的推力軸承油膜厚度正好處于臨界的0.030 mm，因此使用整鍛實心鏡板應(yīng)該更適合。

4　改造方案

4.1　采用整鍛實心鏡板

將哈電—東芝機(jī)組的鏡板由焊接空心鏡板改造為整鍛實心鏡板，鏡板尺寸與原焊接鏡板尺寸一致，分為2瓣。由于尺寸不變且鏡板重量有所增加，為此對徑向軸承進(jìn)行了核算，計算結(jié)果油膜厚度滿足運(yùn)行要求。為減小正向推力瓦變形，正向推力瓦厚度由125 mm增厚到175 mm，鏡板厚度相對減薄，這樣徑向軸承潤滑參數(shù)更加優(yōu)良。

由于為正向推力瓦變厚留出空間，在正向推力瓦位置鏡板減薄75 mm,兩瓣之間由徑向及環(huán)向銷釘定位；2瓣之間由28個M42 螺栓把合，對把合螺栓應(yīng)力進(jìn)行計算，可以確保鏡板穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。對改造前鏡板及改造后鏡板的剛度進(jìn)行計算，改造后鏡板剛度均優(yōu)于改造前鏡板。

4.2　優(yōu)化正向推力瓦

(1)正向推力瓦內(nèi)直徑由1 350 mm減小到1 300 mm,正推力瓦外徑由2 250 mm增加到2 280 mm,增大正推力瓦的面積，降低單位壓力，提高油膜厚度。

(2)正推力瓦厚由125 mm增厚到175 mm,以減小正向推力瓦變形；周向偏心由6.7%增大到10%,更利于油膜建立。

5　加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視管理

為確保哈電—東芝機(jī)組運(yùn)行正常，運(yùn)行人員也采用多種手段加強(qiáng)監(jiān)視分析，以便能及時發(fā)現(xiàn)機(jī)組的異常情況。

(1)加強(qiáng)對機(jī)組的監(jiān)視分析。按照《發(fā)電運(yùn)行監(jiān)盤分析表》的要求加強(qiáng)對機(jī)組各部瓦溫的監(jiān)視，定期調(diào)用曲線分析溫度的變化趨勢，了解機(jī)組運(yùn)行過程各部溫度變化情況；定期對機(jī)組軸承潤滑油冷器進(jìn)行倒換、清掃，以保證正常的冷卻效果。

(2)監(jiān)視機(jī)組運(yùn)行工況。一是監(jiān)視在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保各部數(shù)據(jù)在允許范圍之內(nèi)，二是加強(qiáng)現(xiàn)地的檢查，確保機(jī)組運(yùn)行工況正常。汛期運(yùn)行時，加強(qiáng)對攔污柵前后壓差的監(jiān)視，及時進(jìn)行攔污柵清污工作，避免哈電—東芝機(jī)組在振動區(qū)運(yùn)行。

(3)制定《哈電—東芝機(jī)組軸瓦月度分析報告》，分析一個月內(nèi)哈電—東芝機(jī)組正推、反推、發(fā)導(dǎo)、水導(dǎo)、潤滑冷油、潤滑熱油溫度變化趨勢，按每周最高點(diǎn)做出變化曲線，掌握哈電—東芝機(jī)組軸瓦溫度變化情況；按月度進(jìn)行機(jī)組在線監(jiān)測狀態(tài)分析，了解運(yùn)行機(jī)組工況的變化趨勢。

(4)定期進(jìn)行哈電—東芝機(jī)組組合軸承內(nèi)部檢查，利用內(nèi)窺鏡進(jìn)行鏡板及推力瓦運(yùn)行情況的檢查。

6　結(jié)　語

長洲哈電—東芝機(jī)組的鏡板采用了整鍛實心鏡板，并將正推力瓦進(jìn)行優(yōu)化，增大正推力瓦面積，降低單位壓力，并增加瓦的厚度，更有利于油膜的建立；運(yùn)行過程中加強(qiáng)監(jiān)視分析，采取多種手段保證機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行工況。

自改造投運(yùn)以來，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各軸瓦溫度正常，未出現(xiàn)正推力瓦面脫落現(xiàn)象，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓笑偉，燈泡貫流式機(jī)組正推力瓦巴氏合金脫落原因分析及對策[J].廣西水利水電，2016(6)：48_55.

[2]劉國選.燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2006.