燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組徑向軸承檢修

范宗旺，張正杰，李琪飛，3

（1.青海益和檢修安裝有限公司，青海省西寧市 810000；2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅省蘭州市 730050；3.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省蘭州市 730050）

0 引言

從世界水電發(fā)展的趨勢(shì)可以看出，低水頭水電站建設(shè)的重要性正在日益增大。我國(guó)低水頭水力資源十分豐富，貫流式水電機(jī)組正是開發(fā)低水頭水力資源的良好機(jī)型。隨著水電建設(shè)的發(fā)展，臥室布置的貫流式水輪機(jī)在低水頭水電站中變得更加重要和更具競(jìng)爭(zhēng)力。在貫流式機(jī)組中，由于燈泡式機(jī)組具有許多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展尤為突出，占目前已生產(chǎn)的貫流式機(jī)組數(shù)量的80%。在德、法、瑞、奧、美、俄等歐美國(guó)家以及日本等國(guó)都達(dá)到了相當(dāng)發(fā)展的程度[1]。直到近二十余年內(nèi)，燈泡貫流式機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造及發(fā)展在國(guó)內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的水平正處于不斷地摸索和不斷進(jìn)步當(dāng)中，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺，造成近年投運(yùn)的一些大型貫流機(jī)組不同程度地出現(xiàn)了一些問題。據(jù)調(diào)查[2]，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的貫流式機(jī)組在運(yùn)行初期都不同程度地存在諸如振動(dòng)噪聲大，漏水、漏油、漏氣三漏，潮濕、通風(fēng)條件差、又悶又熱，檢修困難、工作條件差等問題。機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到電站安全、經(jīng)濟(jì)地提供可靠、高質(zhì)量的電力，所以保證水電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，及早發(fā)現(xiàn)機(jī)組所存在的問題是有重要意義的。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組徑向軸承嚴(yán)重?zé)龘p是非常少見的事故，但由于機(jī)組燈泡體的空間過于狹小，在潮濕、悶熱等惡劣環(huán)境下，給檢修工作帶來了難以想象的困難。在大型貫流式水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)中法國(guó)的奈爾皮克公司采用增壓式壓縮空氣冷卻，極大地緩解了水輪機(jī)燈泡內(nèi)部各發(fā)電機(jī)組及軸承的冷卻問題[5-7]。軸承是水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)部件，其運(yùn)行性能的優(yōu)劣，直接影響機(jī)組運(yùn)行可靠性的高低。軸承事故率在機(jī)組運(yùn)行事故中占有較大的比重。究其原因，除了設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量水平低外，多數(shù)是由于檢修、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，處理調(diào)整不當(dāng)造成。現(xiàn)有對(duì)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組徑向軸承修復(fù)方法大多都停留在初步探討，實(shí)用性和普遍性尚待進(jìn)一步驗(yàn)證，提供的專用工具體型大、過于沉重，根本體現(xiàn)不出現(xiàn)有工具在檢修過程中的優(yōu)越性。

2013年5月15日突降暴雨，造成該機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)水，進(jìn)而發(fā)生一起發(fā)電機(jī)組徑向軸承燒瓦事故。通過全程參與該事故的緊急檢修，針對(duì)工具的不實(shí)用性、檢修程序的詳細(xì)介紹及重點(diǎn)和難點(diǎn)的分析，對(duì)檢修工具進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)和研究，保證正常檢修有重要的意義。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)同類型電站發(fā)生機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)水的處理提供指導(dǎo)作用。

1 機(jī)組主要參數(shù)

該機(jī)組為臥軸燈泡貫流轉(zhuǎn)槳式結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共用一根主軸，兩端分別與轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)子相連接。發(fā)電機(jī)組型號(hào)為SFG 40.75—48/5835，其他參數(shù)如表1所示。轉(zhuǎn)動(dòng)部分由2個(gè)導(dǎo)軸承支撐。發(fā)電機(jī)組被安置在燈泡體內(nèi)，燈泡體成為水輪機(jī)流道的組成部分。機(jī)組的支撐采用管型座上、下兩根支柱（上、下過人豎井）為主支撐，發(fā)電機(jī)組水平和垂直支撐為輔助支撐的方式。上、下支柱與混凝土為剛性連接，承受水推力產(chǎn)生的彎矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。輔助支撐為彈性連接，主要承受燈泡體的重量、浮力和不平衡力以增加機(jī)組的穩(wěn)定性，支撐設(shè)有允許滑動(dòng)的球面。其徑向軸承表面材料和正 、反推力軸瓦表面材料均為巴氏合金。

表1 機(jī)組的重要參數(shù)Tab. 1 Important parameter for unit

2 組合軸承的結(jié)構(gòu)分析

該電站發(fā)電機(jī)組組合軸承是集鏡板、正、反向推力軸承和徑向軸承為一體，結(jié)構(gòu)緊湊。正、反向推力軸承外形尺寸相同，材料均為普通巴氏合金瓦，正向推力軸承承受機(jī)組在運(yùn)行時(shí)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸向水推力，反向推力軸承承受機(jī)組在停機(jī)過程中所產(chǎn)生的反向軸向水推力，并將承受的徑向載荷通過瓦座、支撐環(huán)傳遞給電站基礎(chǔ)。在正常運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油由鏡板進(jìn)入摩擦面，充分潤(rùn)滑推力軸承，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的可靠性、安全性。鏡板為25號(hào)鍛鋼，與合縫板及筋板焊接而成，鏡板分為正、反向推力兩個(gè)工作面，合縫板將兩瓣鏡板把合成整圓套于主軸上，通過平鍵傳遞扭矩，為減小鏡板旋轉(zhuǎn)時(shí)的攪動(dòng)損耗，鏡板外緣裝有圍板進(jìn)行防護(hù)，發(fā)電機(jī)組導(dǎo)軸承由導(dǎo)軸承殼和軸瓦等部件組成，為分半結(jié)構(gòu)導(dǎo)軸承殼采用ZG20MnSi材質(zhì)，軸瓦系鋼襯外殼，內(nèi)圓澆筑巴氏合金，導(dǎo)軸承殼與支持環(huán)用的是剛度高穩(wěn)定性好的球面支承結(jié)構(gòu)，可以大大提高機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性，正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)軸承由外部供油潤(rùn)滑冷卻。開停機(jī)過程中機(jī)組在低速區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由高壓給油裝置供油潤(rùn)滑。正、反推力瓦測(cè)溫電阻為內(nèi)置式，電阻及其線纜布置在油槽內(nèi)，采用特制接頭與外部連接。

3 徑向軸承的檢修

燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組的徑向軸承采用調(diào)位軸承，能隨軸的擺度自行調(diào)整，保證與軸頸有良好的接觸，以避免偏磨，與推力軸承是密切地結(jié)合在一起，為了順利檢修徑向軸承，首要任務(wù)是將組合軸承依次拆卸下來。檢修的效益表現(xiàn)在投入、工期和質(zhì)量等方面。應(yīng)力求盡量減少人力、物力的投入；盡量縮短工期，同時(shí)要保證高質(zhì)量，保證檢修后的機(jī)組能長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.1 組合軸承拆卸

檢修效益的取得離不開好的計(jì)劃安排和嚴(yán)格的管理。在拆卸之前，準(zhǔn)備好所需的工具，必要時(shí)做好記錄的準(zhǔn)備，拆卸方案如下所示：

（1）關(guān)閉進(jìn)水口、尾水閘門，排空進(jìn)水口、 尾水流道內(nèi)的集水，緊接著關(guān)閉組合軸承供油總閥，排除軸承內(nèi)潤(rùn)滑油，最后關(guān)閉調(diào)速器總供油閥。

（2）做好標(biāo)記后，首先拆除與組合軸承相連的所有二次接線，依次拆除進(jìn)入燈泡體豎井兩側(cè)所有妨礙設(shè)備吊裝的一、二次電纜、 遮欄和油氣水管路，檢修人員進(jìn)入爬梯，并拆除燈泡體內(nèi)的檢修平臺(tái)及所有影響正推力油槽平移的部件。正式拆卸按下列步驟和方法進(jìn)行：

（1）拆除燈泡體內(nèi)主軸保護(hù)罩，因燈泡體內(nèi)空間狹小，若放置在此嚴(yán)重影響后續(xù)工作開展，將其吊出燈泡體放置在運(yùn)行層指定位置。

（2）用專用工器具將拆除正推力油箱與支撐環(huán)連接螺栓，水平位置左右各預(yù)留兩個(gè)連接螺栓以防止意外發(fā)生。

（3）在主軸上敷設(shè)厚5.0mm的工業(yè)毛氈保護(hù)主軸。

（4）在燈泡體內(nèi)專用平移軌道上安裝自制正推力油槽平移小車，拆除所有預(yù)留連接螺栓；在下游側(cè)利用兩個(gè)1T手拉葫蘆配合平移工具，緩慢地將正推力油槽轉(zhuǎn)移至下游側(cè)，離開距離達(dá)2800mm時(shí)將平移小車及正推力油槽可靠固定。

3.2 盤車檢查及結(jié)果

將正推力瓦座轉(zhuǎn)移至下游側(cè)后，正常情況下，要求進(jìn)行機(jī)組整體盤車。 盤車的目的有4個(gè)：

（1）檢查機(jī)組軸線的傾斜和曲折情況。

（2）通過盤車測(cè)量各處的擺度值，用于分析和調(diào)整機(jī)組軸線。

（3）為導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)整做準(zhǔn)備。導(dǎo)軸瓦與軸頸之間的間隙，需根據(jù)機(jī)組軸線的實(shí)際情況來調(diào)整。導(dǎo)軸瓦間隙的調(diào)整工作，以最后一次軸線檢查為依據(jù)。

（4）檢查推力瓦的接觸情況。

此次事故已將徑向軸承嚴(yán)重?fù)p害，巴氏合金將主軸“抱死”，無法進(jìn)行盤車作業(yè)。因此，會(huì)給后續(xù)設(shè)備的拆卸和回裝帶來諸多困難，檢修工期也會(huì)因此延長(zhǎng)。本次檢修在對(duì)各種方法進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比之后，選用以下方法進(jìn)行拆卸：

（1）測(cè)量鏡板與反推力座的距離，以了解檢修前機(jī)組中心及受力狀況，方便與檢修后數(shù)據(jù)對(duì)照。

（2）拆除鏡板保護(hù)罩，松開鏡板分瓣連接螺栓，下半部鏡板在管型座內(nèi)利用兩個(gè)3T手動(dòng)葫蘆與主軸安裝位置可靠固定，在鏡板垂直方向的管型座內(nèi)焊接兩個(gè)吊耳，利用兩個(gè)3T手動(dòng)葫蘆將上半部鏡板拆除，通過天車配合平移至豎井下游側(cè)，放置在工業(yè)毛氈上，利用相同的方法拆除鏡板下半部并平移至上半部所在位置與其組合，組合后的鏡板平移至正推力油槽內(nèi)防止鏡板在此后的工作中受到傷害；鏡板兩面用工業(yè)毛氈制成圓面貼面加以保護(hù)，以防止工作中不小心發(fā)生碰撞損壞。

（3）在距離反推力座1500mm處利用下立柱受力，配合兩個(gè)200t油壓千斤頂和專用拖軸工具將主軸和轉(zhuǎn)子頂起，根據(jù)實(shí)測(cè)的徑向軸承上部間隙0.65mm，實(shí)際操作時(shí)將軸頂起了0.4mm，在轉(zhuǎn)子上部和左右各架設(shè)一部百分表監(jiān)視主軸頂起高度和左右偏移狀況，頂起高度符合要求后，在專用拖軸工具和液壓千斤頂之間設(shè)置楔子板，防止液壓千斤頂泄露主軸降落壓壞定子。

（4）利用自制拆裝軸承工具配合10t機(jī)械千斤頂，將發(fā)電機(jī)組徑向軸瓦整體平移出徑向軸承座，在管型座處利用2個(gè)19T手拉葫蘆吊住發(fā)電機(jī)組徑向軸瓦下部，松開組合螺栓，在行車小鉤上掛1個(gè)2T、2個(gè)1T手拉葫蘆，經(jīng)吊起換向后將上部軸瓦吊出燈泡體。

（5）將下部軸瓦轉(zhuǎn)至主軸+Y處，和上部軸瓦同樣的工藝下部軸瓦吊出燈泡體，經(jīng)過以上分段拆卸，拆卸工作即告完成。

3.3 主軸修復(fù)

因徑向軸瓦已嚴(yán)重?zé)龘p，造成主軸也受到較嚴(yán)重的損傷，特別是水潤(rùn)滑的橡膠導(dǎo)軸承其不銹鋼段損傷嚴(yán)重，出現(xiàn)許多深溝。需對(duì)主軸進(jìn)行修復(fù)，確保主軸的光潔度，還應(yīng)對(duì)軸頸進(jìn)行檢查和處理。

（1）用刮刀輕刮去掉主軸上的塊狀巴氏合金，以便于研磨修復(fù)。用天然油石對(duì)主軸軸頸沿圓周方向進(jìn)行帶油碾磨，碾磨力度必須一致。用砂紙帶油拋光到要求的光潔度。

（2）軸頸檢查：用水潤(rùn)滑的橡膠瓦導(dǎo)軸承，單側(cè)偏磨值在0.5mm以下為合格。

（3）軸頸處理：當(dāng)軸頸偏磨超過允許值，要進(jìn)行處理。可以使用皮帶繞過大軸轉(zhuǎn)動(dòng)架可以繞軸做圓周運(yùn)動(dòng)，用固定在走刀架上的砂輪進(jìn)行研磨處理。

3.4 備用瓦的處理

軸承的檢查，必須在拆下后馬上進(jìn)行。這是因?yàn)楦鶕?jù)巴氏合金的磨損、損傷的程度，必須要對(duì)備用的軸瓦進(jìn)行加工，而軸瓦的珩磨需要很長(zhǎng)時(shí)間。軸瓦進(jìn)出油邊的鎢金在制造廠內(nèi)刮好，在工地裝配時(shí)軸瓦不再進(jìn)行刮研。檢查時(shí)必須注意下列幾點(diǎn)：

（1）工作面的磨損、損傷及變色；輕微的磨損可以使用掛瓦的刀花磨掉，而嚴(yán)重的磨損可使巴氏合金磨薄，甚至在局部形成凹坑和溝槽，這就需要采用熔焊巴氏合金的方法進(jìn)行修補(bǔ)。

（2）軸瓦與巴氏合金有無脫離的地方，用銅或木槌輕輕敲打，從聲音即能判斷出來。

（3）對(duì)扇形瓦來說要注意摩擦腐蝕。

3.5 徑向軸承的裝配

發(fā)電機(jī)組徑向軸承的回裝步驟全部按照拆卸的逆向順序進(jìn)行回裝。將拆卸時(shí)的方法和步驟詳細(xì)記錄在案，回裝時(shí)也就有了具體操作方式，簡(jiǎn)單易行。先把軸承體與頂蓋支持面結(jié)合的盤根槽和法蘭面清掃干凈，把止水橡皮條接好，檢查軸承坑內(nèi)部并清洗雜物，同時(shí)還有以下注意事項(xiàng)：

（1）在對(duì)徑向軸瓦進(jìn)行裝配時(shí)，對(duì)于瓦面要特別加以重視，瓦面應(yīng)無脫殼、裂紋、硬點(diǎn)、砂眼等缺陷。檢查徑向軸瓦潤(rùn)滑油孔、高壓油孔、測(cè)溫孔螺紋。在瓦面經(jīng)過經(jīng)過鏡板止口處，應(yīng)鋪墊玻璃絲板加以保護(hù)，防止刮傷瓦面。

（2）對(duì)鏡板進(jìn)行裝配時(shí)，應(yīng)首先安裝帶有鍵槽的分瓣鏡板，找準(zhǔn)鏡板的安裝位置，此次特別注意鏡板鏡面的粗糙度，通過測(cè)量機(jī)組啟動(dòng)摩擦系數(shù)來確定鏡面粗糙度的變化情況。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，軸瓦摩擦面在正常情況下的摩擦系數(shù)約為0.15～0.20，若所測(cè)數(shù)值遠(yuǎn)超過此范圍，即證明鏡板鏡面的粗糙度增加了。需要按擬定的工藝對(duì)鏡板鏡面進(jìn)行超級(jí)精磨或研磨，降低鏡面粗糙度。

（3）更換所有組合面的橡膠盤根，并在所有組合面抹密封膠，并對(duì)軸承間隙進(jìn)行測(cè)定及調(diào)整，以防止運(yùn)行過程中漏油。

（4）軸瓦安裝后，拆除安裝的楔子板，緩慢松下落頂主軸的千斤頂，將轉(zhuǎn)子重量轉(zhuǎn)至發(fā)電機(jī)組徑向軸承處，檢查支撐墊背部與對(duì)應(yīng)鏡板的間隙為2.0～2.3mm，測(cè)量軸承間隙。

4 結(jié)束語

此次檢修比較成功，機(jī)組修復(fù)后成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，各項(xiàng)參數(shù)皆與正常運(yùn)行相同。本次檢修工藝在相同類型的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組具有較高的推廣價(jià)值。當(dāng)然，由于不同類型機(jī)組的結(jié)構(gòu)不盡相同，其運(yùn)行和維護(hù)工作有所差異，應(yīng)根據(jù)不同情況區(qū)別對(duì)待。只有這樣才能提高燈泡貫流式機(jī)組的安全運(yùn)行水平。

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