清蓄電站水導(dǎo)軸瓦間隙增大原因分析及處理

甄培江，周玉權(quán)，楊偉坡

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511853）

1 前言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“清蓄”）機(jī)組為立軸單級(jí)混流可逆半傘式結(jié)構(gòu)，設(shè)有上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承，單機(jī)容量320MW，額定轉(zhuǎn)速428.6r/min。導(dǎo)軸瓦分為上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)，均采用支柱式抗重螺栓分塊軸承瓦，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平面布置緊湊，剛性、自調(diào)節(jié)功能均好的特點(diǎn)。

清蓄機(jī)組運(yùn)行中多次出現(xiàn)導(dǎo)軸承擺度報(bào)警，其中有兩次導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)。機(jī)組檢修消缺中實(shí)測(cè)導(dǎo)軸承軸瓦間隙，上導(dǎo)與下導(dǎo)軸瓦間隙變化不大，而水導(dǎo)軸瓦間隙明顯增大。其中1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸瓦間隙增幅最高達(dá)46.6%，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1；2號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸瓦間隙增幅最高達(dá)34.5%，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2；水導(dǎo)軸瓦間隙的增大導(dǎo)致機(jī)組振擺情況惡化，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行性能和指標(biāo)。因此有必要從理論分析、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)安裝等方面進(jìn)行深入剖析，確定主要原因并制定實(shí)施處理措施。鑒于4臺(tái)機(jī)組水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)與參數(shù)相同，為方便闡述，以1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承為例進(jìn)行分析。

表1 1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承間隙實(shí)測(cè)表

表2 2號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承間隙實(shí)測(cè)表

2 原因分析

2.1 原因綜述

眾所周知，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)所反映動(dòng)態(tài)軸線(xiàn)形狀與其靜態(tài)形狀是不可能一致的。按靜態(tài)軸線(xiàn)調(diào)正導(dǎo)軸瓦間隙時(shí)的軸承并不處于最佳狀態(tài)，一般都要求在試運(yùn)行后，按需要根據(jù)動(dòng)態(tài)軸線(xiàn)重新進(jìn)行軸瓦間隙調(diào)整，從而更有效的保證軸承受力均勻、軸系運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由于機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)已基本消除了機(jī)械不平衡，軸瓦間隙增大就成為軸系引發(fā)弓狀回旋形態(tài)的主要因素，其明顯的后果是軸系振擺加劇。軸瓦間隙經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后非正常增大的現(xiàn)象是必須避免的，本文將從軸承結(jié)構(gòu)和安裝調(diào)整方法兩個(gè)方面分析并尋求解決方法。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

水導(dǎo)軸承的主要作用是承受機(jī)組徑向力，如徑向水推力、機(jī)械不平衡力、電磁不平衡力等，進(jìn)而限制、約束機(jī)組的徑向擺動(dòng)，保證機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行。清蓄水導(dǎo)軸承主要有軸瓦、嵌入塊、軸瓦支撐板、調(diào)整螺栓、調(diào)整螺母、墊塊、止動(dòng)墊片等組成，采用分塊扇形瓦結(jié)構(gòu)，均布12塊。軸瓦采用巴氏合金（錫基），瓦面材料ZChSnSb11-6。水導(dǎo)調(diào)整螺柱前端與嵌入塊接觸面為球面體，可形成輕微動(dòng)轉(zhuǎn)的支點(diǎn)，使軸瓦在運(yùn)行中與軸領(lǐng)之間形成楔形，從而效果性地產(chǎn)生油膜反力（見(jiàn)圖1）。

圖1 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

圖2 水導(dǎo)調(diào)整螺栓

水導(dǎo)軸承M100×3-6g調(diào)整螺栓采用40Cr調(diào)質(zhì)硬度269～331HB，確保與M72螺母和套筒的硬度差30～50HB，而其SR300球面則經(jīng)過(guò)淬火處理（深度15～20mm）硬度為HRC50～54；設(shè)計(jì)要求嵌入塊采用40Cr，其Φ82區(qū)域表面淬火1.5～2.0mm深，硬度達(dá)到HRC48～52HB（見(jiàn)圖2）。調(diào)整螺柱的螺紋分為M100和M72節(jié)距不同的兩段，調(diào)整螺柱座面設(shè)有止動(dòng)墊片，此結(jié)構(gòu)能夠起雙螺母效果，固定牢實(shí)且能同時(shí)止動(dòng)。但實(shí)際上由于：①螺柱與螺母的絲牙是有間隙的。②螺孔與端面可能不完全垂直，致使螺牙間受力不均勻。這樣就存在機(jī)組運(yùn)行時(shí)鎖緊螺母有松動(dòng)的可能。因而鎖定螺母是否松動(dòng)，調(diào)整螺柱球面是否磨損是檢修時(shí)的一個(gè)重要檢查項(xiàng)。

機(jī)組消缺檢查中未發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)調(diào)整螺柱球面有明顯磨損痕跡，鎖定螺母無(wú)松動(dòng)。

2.3 設(shè)計(jì)安裝分析

水導(dǎo)軸承軸瓦安裝調(diào)整嚴(yán)格按作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行，在完成機(jī)組軸線(xiàn)定位和水導(dǎo)軸承座定位后，檢查清洗水導(dǎo)瓦，瓦面設(shè)有海綿和白布保護(hù)，水導(dǎo)瓦就位后開(kāi)始軸瓦調(diào)整。用千斤頂從+Y、+X、-Y、-X4個(gè)方向頂住軸瓦，使軸瓦緊貼大軸，作業(yè)過(guò)程中架設(shè)百分表監(jiān)視大軸位移。用塞尺測(cè)量軸瓦與軸面的間隙為0mm，調(diào)整軸瓦的調(diào)整螺栓，控制調(diào)整螺栓與嵌入塊間的間隙至設(shè)計(jì)值，間隙用塞尺檢查。緊固鎖定調(diào)整螺栓，復(fù)測(cè)調(diào)整螺栓與嵌入塊的間隙無(wú)變化，拆除楔子板，百分表讀數(shù)無(wú)變化。同樣的方法完成其余軸瓦的調(diào)整與固定。全部完成后復(fù)測(cè)軸瓦間隙，要求軸瓦間隙分配偏差為±0.02mm，最后按要求焊接螺母止動(dòng)塊。

檢查機(jī)組水導(dǎo)軸承時(shí)發(fā)現(xiàn)墊塊的C5倒角有與調(diào)整螺桿螺牙擠壓的痕跡，而且在螺栓打緊過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)調(diào)整螺栓跟隨鎖定螺母一起旋轉(zhuǎn)，這說(shuō)明由于C5倒角偏小限制了調(diào)整螺栓的行程，使得M72鎖緊螺母未能起到鎖緊調(diào)整螺栓的作用。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工缺陷應(yīng)制定改進(jìn)措施加以解決。

為進(jìn)一步確定C5倒角偏小與調(diào)整螺栓鎖緊失效的關(guān)系，下面就其受力情況進(jìn)行分析，見(jiàn)下頁(yè)圖3。正常情況下，鎖定螺母打緊后產(chǎn)生的巨大拉力F間接作用在調(diào)整螺栓上，F(xiàn)等于F1。但實(shí)際情況中由于C5倒角偏小，限制了調(diào)整螺栓的行程，墊塊與調(diào)整螺栓R8過(guò)渡段接觸，鎖定螺母產(chǎn)生的拉力F一部分作用在調(diào)整螺栓與墊塊間，使得F1＜F，由于F1＜F，調(diào)整螺栓的拉緊力未達(dá)到設(shè)計(jì)值，螺牙與螺紋仍存在間隙，沒(méi)有真正起到鎖定的作用，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中受到軸瓦傳遞過(guò)來(lái)的負(fù)荷時(shí)，調(diào)整螺栓出現(xiàn)外移或者輕微轉(zhuǎn)動(dòng)使軸瓦間隙變大。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)安裝的分析結(jié)果，主要采取以下改進(jìn)措施：

（1）調(diào)整改進(jìn)水導(dǎo)墊塊C5倒角。

（2）嚴(yán)格控制軸瓦間隙調(diào)整的作業(yè)流程。

3.1 墊塊調(diào)整

調(diào)整改進(jìn)水導(dǎo)墊塊C5倒角是為了避免墊塊與整螺栓接觸，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)調(diào)整螺栓與墊塊的實(shí)際裝配位置進(jìn)行了測(cè)量，并以此改進(jìn)墊塊結(jié)構(gòu)。在原墊塊的基礎(chǔ)上加工一個(gè)Φ90×5的凹臺(tái)，以滿(mǎn)足下頁(yè)調(diào)整螺栓的行程要求。墊塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比見(jiàn)下頁(yè)圖4和圖5。

圖3 調(diào)整螺栓與墊片受力分析圖

圖4 水導(dǎo)墊塊原加工圖

3.2 安裝控制

清蓄水導(dǎo)軸瓦為非同心瓦，其特點(diǎn)是線(xiàn)接觸式受力，安裝工藝相對(duì)于同心瓦而言要求更高、工序更復(fù)雜。如果在調(diào)整過(guò)程中存在中心不對(duì)正等因素，在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)升速、甩負(fù)荷、瓦溫考驗(yàn)等功能性試驗(yàn)后，瓦間隙一般都會(huì)增大。因此嚴(yán)格控制軸瓦間隙調(diào)整的作業(yè)流程是十分必要的，該措施可有效避免導(dǎo)軸瓦兩側(cè)間隙誤差偏大或?qū)лS瓦單側(cè)接觸軸頸，保證軸瓦間隙調(diào)整的真實(shí)性。關(guān)鍵實(shí)施步驟如下：

（1）在大軸軸領(lǐng)圓周4個(gè)方向 +Y、+X、-Y、-X設(shè)置有調(diào)中心專(zhuān)用的M36調(diào)整螺栓，如圖6所示（在主軸側(cè)均采用銅板保護(hù)防止擦傷主軸表面）。

圖6 水導(dǎo)軸瓦調(diào)整布設(shè)及專(zhuān)用工具

（2）逐一就位軸瓦,調(diào)整螺柱頭部對(duì)準(zhǔn)嵌入塊凹槽。

（3）使用一對(duì)專(zhuān)用小調(diào)整螺栓頂緊軸瓦兩側(cè)，使瓦面中心單線(xiàn)貼緊軸面，用塞尺檢測(cè)C1≈C2≈0.04mm。

（4）將0.29±0.02mm厚的塞尺置于調(diào)整螺柱和嵌入塊之間，頂緊M100×3螺柱并緊固M72×3鎖緊螺母（參見(jiàn)圖3），鎖緊螺母打緊力應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（5）為消除內(nèi)、外螺紋間隙的影響，鎖緊螺母固定調(diào)整螺栓后，應(yīng)再次測(cè)量確認(rèn)軸承間隙設(shè)定值并進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至軸瓦間隙最終符合設(shè)計(jì)要求再鎖定鎖定螺母的墊片并點(diǎn)焊止動(dòng)塊。

4 改進(jìn)效果

清蓄1號(hào)機(jī)組嚴(yán)格控制軸瓦間隙調(diào)整的作業(yè)流程并改進(jìn)水導(dǎo)墊塊C5倒角，基本解決了水導(dǎo)軸瓦間隙增大的問(wèn)題，運(yùn)行至今，機(jī)組振擺得到改善，機(jī)組空載運(yùn)行水導(dǎo)擺度≤200μm、100%負(fù)荷均≤60μm，達(dá)到比較理想的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在2017年1號(hào)機(jī)組C修時(shí)對(duì)水導(dǎo)軸瓦間隙進(jìn)行實(shí)測(cè)，軸瓦間隙變化不大（見(jiàn)圖7），該問(wèn)題的解決提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性和運(yùn)行性能。

圖7 1號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸瓦間隙處理前后對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)清蓄電站水導(dǎo)軸瓦間隙增大的問(wèn)題分析，從改進(jìn)墊塊倒角和嚴(yán)控間隙調(diào)整工藝兩個(gè)方面制定處理措施。目前已完成1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組的改造，后續(xù)將根據(jù)具體情況改造3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組。改造后機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，指標(biāo)良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

6 建議與思考

抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)速高，工況轉(zhuǎn)換多，啟動(dòng)頻繁，具有正反旋轉(zhuǎn)兩個(gè)方向，相對(duì)于常規(guī)水電站而言，蓄能機(jī)組導(dǎo)軸承需要經(jīng)受更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在安裝調(diào)試期間，應(yīng)嚴(yán)格管控安裝工藝和流程；在投運(yùn)后的監(jiān)盤(pán)巡檢中，密切關(guān)注導(dǎo)軸承油位、油溫、瓦溫、振擺變化情況；在檢修消缺期間，檢查確認(rèn)導(dǎo)軸承有關(guān)部件位移磨損情況。建立完整的運(yùn)維數(shù)據(jù)資料，定期進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)匯總分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并制定應(yīng)對(duì)措施。對(duì)此，提出以下建議;

（1）導(dǎo)軸承軸瓦間隙異常往往伴隨機(jī)組振擺異常，此時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整運(yùn)維策略或者檢查消缺。

（2）軸瓦間隙是按靜態(tài)軸線(xiàn)調(diào)整，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)將軸瓦間隙實(shí)測(cè)列入檢修項(xiàng)目，確認(rèn)軸瓦間隙是否需要調(diào)整。

（3）軸瓦調(diào)整用鎖緊螺母固定調(diào)整螺栓過(guò)程中應(yīng)反復(fù)操作、測(cè)量。確保軸瓦間隙和鎖緊螺母打緊力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（4）蓄能機(jī)組在過(guò)速試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)后應(yīng)根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)適時(shí)檢查調(diào)整軸瓦間隙。

（5）軸瓦間隙調(diào)整后如擺度情況改善不明顯，還可以考慮再次配重，這樣能同時(shí)抑制軸承振動(dòng)和大軸擺度。

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