發(fā)電機(jī)軸瓦溫升偏高問(wèn)題分析處理

吳德明，吳紅光

（五凌電力掛治水力發(fā)電廠，貴州 錦屏556700）

1 引言

掛治水電廠位于沅水干流上游河段的清水江中下游，是沅水梯級(jí)規(guī)劃的第三級(jí)。電廠安裝3臺(tái)單機(jī)容量為50 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用立軸全傘、密閉循環(huán)、自通風(fēng)、空氣冷卻的形式。電廠2號(hào)機(jī)組檢修后，機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)了推力及下導(dǎo)組合軸承油溫瓦溫較檢修前有明顯升高的情況，值班人員統(tǒng)計(jì)各瓦溫度無(wú)顯著差別，部分溫度數(shù)據(jù)摘錄如表1。

表1 溫度數(shù)據(jù)摘錄

通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，檢修后組合軸承油溫瓦溫上升顯著，幅度達(dá)7～8℃。針對(duì)該情況，電廠統(tǒng)計(jì)分析水輪機(jī)導(dǎo)軸承油溫、瓦溫及各振動(dòng)擺度數(shù)據(jù)，均無(wú)顯著變化；停機(jī)檢查組合軸承油位、油質(zhì)均正常，取油樣化驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均正常。

發(fā)電機(jī)推力及下導(dǎo)軸瓦大幅升溫，威脅著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電廠從多個(gè)方面對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了排查與分析。

2 推力及下導(dǎo)組合軸承結(jié)構(gòu)介紹

掛治電廠推力軸承及下導(dǎo)軸承組合安裝于下機(jī)架中心體上的油槽內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖1。推力軸承采用彈性圓盤支撐結(jié)構(gòu)，軸承由12塊扇形瓦組成，推力瓦采用彈性金屬塑料瓦，其與彈性圓盤為面接觸，可有效減小瓦面受力后的變形，軸瓦徑向靠?jī)?nèi)、外側(cè)定位銷定位。下導(dǎo)軸承由16塊可傾導(dǎo)軸瓦、楔形調(diào)整裝置等組成，導(dǎo)軸瓦采用巴氏合金，瓦的背面有球面支承柱，該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)偏心調(diào)整導(dǎo)軸瓦傾向，徑向力通過(guò)支承柱傳到楔形塊上，楔形塊組裝在導(dǎo)軸承支架上，利用楔形塊可以調(diào)整轉(zhuǎn)子中心和導(dǎo)軸承間隙。油槽潤(rùn)滑油采用外循環(huán)水冷卻方式，在推力鏡板上分布有20條與徑向呈60°傾角的過(guò)油通道，在機(jī)組運(yùn)行中形成動(dòng)壓效應(yīng)，保證潤(rùn)滑油的循環(huán)流量，實(shí)現(xiàn)與冷卻水的熱交換。

圖1 推力及下導(dǎo)組合軸承結(jié)構(gòu)示意圖

3 推力軸承和下導(dǎo)軸承對(duì)軸瓦溫升影響評(píng)估

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于分塊可傾式導(dǎo)軸承，其間隙分布情況對(duì)軸瓦溫度會(huì)有一定的影響，在水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)維實(shí)踐中，檢修人員會(huì)經(jīng)驗(yàn)性地參照軸瓦溫度適當(dāng)調(diào)整其安裝間隙，在某些情況下也能夠取得一定的效果，對(duì)此，我們要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

表2 掛治水電廠推力軸承及下導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)

電廠在2號(hào)機(jī)檢修中對(duì)機(jī)組中心進(jìn)行了調(diào)整并重新調(diào)整下導(dǎo)瓦間隙，查閱部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄及結(jié)算結(jié)果如下：

（1）對(duì)稱抱4塊下導(dǎo)瓦、4塊水導(dǎo)瓦盤車，測(cè)量計(jì)算聯(lián)軸法蘭對(duì)下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子相對(duì)擺度為0.002 5 mm/m，遠(yuǎn)小于要求值0.03 mm/m，說(shuō)明軸系直線度非常好。

（2）僅對(duì)稱抱4塊下導(dǎo)瓦盤車，測(cè)量計(jì)算水導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子對(duì)下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子相對(duì)擺度為0.009 8 mm/m，比要求值0.05 mm/m小很多，說(shuō)明軸系靜態(tài)擺度很小。

（3）參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)下導(dǎo)軸承按設(shè)計(jì)間隙均勻放瓦，單邊間隙0.24 mm。

考慮到推力軸承損耗是下導(dǎo)軸承的20多倍，即便是下導(dǎo)軸承損耗成倍增大，也不可能對(duì)組合軸承油溫有太大影響，且如果出現(xiàn)這種情況，下導(dǎo)瓦溫度必會(huì)高于推力瓦溫度，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符。通過(guò)上述分析，可以推測(cè)檢修中對(duì)下導(dǎo)軸承間隙的處理不可能使軸承損耗大幅增加，應(yīng)另有原因。

4 組合軸承熱平衡分析

通過(guò)前文分析，我們推斷，在此次2號(hào)機(jī)組軸瓦溫升大幅增加的問(wèn)題中，推力軸承對(duì)軸瓦和油槽溫升的影響更需要重點(diǎn)關(guān)注。檢修中未對(duì)推力瓦和軸系進(jìn)行拆裝，可以認(rèn)為推力軸承的損耗不會(huì)有太大變化，那么問(wèn)題可能出現(xiàn)在軸承散熱系統(tǒng)。基于此，電廠對(duì)1～3號(hào)發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)散熱設(shè)備進(jìn)行溫度測(cè)量，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算數(shù)據(jù)形成如表3。

表3中，任意相同測(cè)點(diǎn)的兩次數(shù)據(jù)差別都不大，說(shuō)明測(cè)量數(shù)據(jù)可信，進(jìn)一步分析還可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)與另外2臺(tái)機(jī)的明顯差別除了油溫外，油冷卻器進(jìn)出油溫差也明顯大很多。根據(jù)各油冷卻器的第一次溫度數(shù)據(jù)，繪制熱平衡圖如圖2。

表3 風(fēng)洞內(nèi)設(shè)備溫度測(cè)量計(jì)算表

圖2 熱平衡圖

圖2可知，2號(hào)機(jī)油冷卻器中油、水的溫度梯度最大，根據(jù)熱交換原理，在其他變量一定的條件下，兩者溫度梯度越大，熱交換速度越快，以油的降溫幅度來(lái)看，2號(hào)機(jī)的最快，但其水的升溫卻并不顯著。

對(duì)于兩種流體，在理想的熱交換情況下，熱平衡公式為：

相對(duì)流量比為：

式中：ρ、V、C、Δt分別為相應(yīng)介質(zhì)的密度、體積流量、比熱容、溫差，油和水的密度和比熱容隨溫度略有變化，由于實(shí)際的溫度變化不大，可視為定值，查資料近似取值ρ水=1 000 kg/m3、C水=4 200kJ/（kg·℃）、ρ油=885 kg/m3、C油=1 900 kJ/（kg·℃）。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，結(jié)合每臺(tái)機(jī)組兩油冷卻器第二次測(cè)量溫度的平均數(shù)據(jù)，暫忽略其他熱量交換影響，計(jì)算油、水的相對(duì)流量比值如下：

不難發(fā)現(xiàn)，1、3號(hào)機(jī)油冷卻器的油、水流量比值差別不大，而2號(hào)機(jī)的則小得多，由于該機(jī)組合軸承油溫瓦溫較高，不可能是其冷卻水流量大，綜合判斷2號(hào)機(jī)經(jīng)過(guò)冷卻器的循環(huán)油流量較小。

表4 組合軸承冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

5 循環(huán)油流量變小的原因排查

掛治電廠組合軸承油循環(huán)圖如圖3，機(jī)組運(yùn)行中推力鏡板將潤(rùn)滑油甩出，在油槽內(nèi)形成高、低壓兩個(gè)腔室，高壓腔室的油經(jīng)油冷卻器降溫后進(jìn)入下油槽，通過(guò)推力瓦間的噴油管對(duì)瓦和鏡板冷卻潤(rùn)滑后進(jìn)入低壓腔室，在鏡板泵的作用下再進(jìn)入高壓腔室，形成閉合回路。

流體總是走阻力最小的回路，為了讓潤(rùn)滑油盡量通過(guò)油冷卻器，在推力鏡板與下導(dǎo)軸承座之間設(shè)有非接觸式密封，通過(guò)增大內(nèi)循環(huán)阻力，以減弱高、低壓2個(gè)腔室之間在油槽內(nèi)部形成的對(duì)流效應(yīng)，總的循環(huán)油流量即鏡板泵油量等于內(nèi)循環(huán)流量加外循環(huán)流量。

通過(guò)前文分析，我們認(rèn)為問(wèn)題的原因是經(jīng)過(guò)油冷卻器的外循環(huán)油流量減小了，其原因可能有3方面：外循環(huán)回路受阻直接減小、總流量變小或內(nèi)循環(huán)流量變大。前2個(gè)因素的可能性較小：（1）從前面熱平衡圖可以看出，2號(hào)機(jī)2臺(tái)油冷卻器換熱效果相差不大，2個(gè)油冷卻器都受阻的可能性較??；（2）如果是總流量變小，必然基于內(nèi)部回路受阻，內(nèi)部回路除了噴油管與鏡板流道相對(duì)較小外，其他各處均難以對(duì)循環(huán)油形成有效阻力，而鏡板流道與噴油管數(shù)目較多，從前面的熱平衡計(jì)算結(jié)果來(lái)看，油流應(yīng)該要減少一半以上，只有多處堵塞才能形成這樣的效果，該情況發(fā)生的可能性很小。

圖3 組合軸承油循環(huán)圖

內(nèi)循環(huán)流量變大可能是由于密封環(huán)磨損造成的，在檢修中因機(jī)組中心調(diào)整的需要，對(duì)有礙調(diào)整的方位進(jìn)行了局部修磨處理，機(jī)組中心調(diào)整到位后，會(huì)使對(duì)側(cè)間隙變大，而軸系在新的旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)行時(shí)，可能還會(huì)將部分方位的間隙進(jìn)一步磨大，至于該間隙變大對(duì)潤(rùn)滑油內(nèi)循環(huán)的影響性到底如何，需要進(jìn)一步分析確認(rèn)。

對(duì)密封環(huán)內(nèi)的間隙流進(jìn)行力學(xué)分析，其受力為表面力和質(zhì)量力，表面力中對(duì)流量有影響的只有切向力，設(shè)單位表面ΔA上的切向表面力ΔT，應(yīng)力為：

總的切向表面力為：T=τAZ

圖4 表面力

AZ為密封環(huán)內(nèi)、外兩側(cè)與油液的周向接觸面積，令密封環(huán)周長(zhǎng)為L(zhǎng)，油液流向長(zhǎng)度h，則：

AZ=2hL

質(zhì)量力包括高低壓腔室的差壓力和油液的重力：

W=ΔpAl+ρVg

圖5 質(zhì)量力

Al為油液的流向面積，令密封間隙為δ，則：

Al=δL

V為油液體積：

V=Al·h=δhL

圖6 虛加慣性力

為了簡(jiǎn)化，將流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題，在間隙流上虛加慣性力F：

F=W-T

求解慣性力：

F=（Δp+ρgh）Lδ-2τhL

由此可繪制F（δ）函數(shù)曲線，但實(shí)際的F（δ）并不是一次線性函數(shù)，原因在于流體的切向表面力屬動(dòng)力學(xué)范疇，其大小并不恒定，而與流體的邊界層因素相關(guān)，當(dāng)間隙較小時(shí)，邊界層占主導(dǎo)作用，當(dāng)間隙較大時(shí)，邊界層所受的切向力對(duì)流體的作用并不明顯，因此可以定性修正F（δ）函數(shù)如圖7。

圖 7 F（δ）函數(shù)曲線

理論上，間隙δ的取值越小密封效果越好，但其值不能小于導(dǎo)軸瓦間隙，否則機(jī)組運(yùn)行中將發(fā)生碰磨，掛治電廠密封環(huán)間隙設(shè)計(jì)值為0.3～0.5 mm，實(shí)測(cè)間隙多處在1 mm以上，由F（δ）函數(shù)圖可知，在δ取值較小時(shí)，若其增大一倍，F(xiàn)（δ）增幅遠(yuǎn)不止一倍，故而密封環(huán)間隙對(duì)油流內(nèi)循環(huán)的影響不容忽視。

6 問(wèn)題的處理及效果

在對(duì)密封環(huán)進(jìn)行處理之前，實(shí)測(cè)各處間隙如圖8，所有數(shù)值均已超標(biāo)，最大處超標(biāo)4倍，為了解決組合軸承溫升問(wèn)題，保證機(jī)組安全運(yùn)行，需要更換密封帶，使密封環(huán)間隙在設(shè)計(jì)要求0.3～0.5 mm以內(nèi)。

圖8 密封環(huán)處理前實(shí)測(cè)間隙

6.1 處理步驟

（1）拆卸組合軸承蓋板，做好拆裝標(biāo)記后，將下導(dǎo)擋油圈、下導(dǎo)軸承及楔形調(diào)整裝置、下導(dǎo)軸承座依次拆下取出。

（2）測(cè)量并記錄油槽內(nèi)下導(dǎo)軸承座安裝止口四個(gè)方向至鏡板的徑向距離：X 34.20 mm，Y 33.95 mm，-X 34.25 mm，-Y 34.40 mm。

（3）拆下下導(dǎo)軸承座密封帶，對(duì)密封帶導(dǎo)槽進(jìn)行全面清理，截取合適長(zhǎng)度的密封帶將截取的密封帶進(jìn)行彎折找直，然后沿著密封帶裙邊方向向內(nèi)彎曲。

（4）使用專用工具卡住密封帶裙邊向內(nèi)按壓密封帶進(jìn)槽，沿一個(gè)方向依次按壓敲擊密封帶直至密封帶全部進(jìn)槽。對(duì)兩側(cè)凸出的密封帶進(jìn)行切除，修磨切口。

（5）密封帶更換修磨完成后妥善保護(hù)并外送進(jìn)行加工。

（6）下導(dǎo)軸承座運(yùn)輸至加工廠后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)合圓組裝，組裝完成后根據(jù)油槽內(nèi)相應(yīng)安裝止口四個(gè)方向至鏡板的徑向距離，調(diào)整下導(dǎo)軸承支座與車刀中心的位置，位置關(guān)系如圖9，按照密封帶內(nèi)徑設(shè)計(jì)尺寸的下偏差，加工密封帶內(nèi)徑側(cè)。

（7）加工完成后轉(zhuǎn)運(yùn)回電廠，按照相關(guān)記號(hào)進(jìn)行回裝，回裝完成后測(cè)量相關(guān)間隙數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。

6.2 處理效果

電廠對(duì)2號(hào)機(jī)下導(dǎo)軸承座密封帶進(jìn)行處理后，機(jī)組調(diào)試時(shí)，組合軸承瓦溫油溫?cái)?shù)據(jù)都恢復(fù)正常（見表5），機(jī)組運(yùn)行1年以來(lái)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，機(jī)組安全運(yùn)行可靠，問(wèn)題得到解決。

圖9 密封帶加工時(shí)，對(duì)下導(dǎo)軸承座定位的偏心量計(jì)算

表5 處理后溫度數(shù)據(jù)

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)掛治電廠2號(hào)機(jī)組檢修后發(fā)電機(jī)軸瓦溫升偏高的問(wèn)題，本文利用軸承損耗的基礎(chǔ)理論，排除下導(dǎo)軸承安裝因素對(duì)該問(wèn)題的影響，通過(guò)對(duì)軸承散熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)比3臺(tái)機(jī)組合軸承的熱平衡關(guān)系，最終分析出2號(hào)機(jī)冷卻器循環(huán)油流量減小的問(wèn)題，并進(jìn)一步分析了密封環(huán)間隙增大對(duì)循環(huán)油流量的影響。

由于對(duì)組合軸承循環(huán)油流量沒(méi)有可靠的監(jiān)測(cè)手段，電廠在問(wèn)題的排查過(guò)程中付出了較多精力。因此對(duì)于采用外置冷卻器的機(jī)組，宜加裝流量監(jiān)測(cè)儀器，以便提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有助于運(yùn)行中問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。

無(wú)論采用內(nèi)置冷卻器還是外置冷卻器結(jié)構(gòu)，廠家設(shè)計(jì)油循環(huán)的回路時(shí)，通常會(huì)考慮在油槽內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)流帶、隔板等結(jié)構(gòu)，通過(guò)阻礙不必要的油流以提高冷卻器的熱交換效率，在設(shè)備維護(hù)中，需要對(duì)相關(guān)部位加強(qiáng)關(guān)注。