水輪機(jī)導(dǎo)軸承系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)

何 東

（漢中市南鄭區(qū)紅寺壩水庫(kù)灌溉管理局，陜西 漢中 723112）

0 引言

貫流式、軸流式水輪機(jī)內(nèi)通常設(shè)有導(dǎo)軸承，用于支撐水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的部分重力，承受一部分主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的徑向離心力。普通導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用水冷卻潤(rùn)滑方式，制造和運(yùn)行成本低，因而在中小容量的貫流式、軸流式水輪機(jī)中得到普遍應(yīng)用。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，常存在一些問題，影響水輪機(jī)組正常運(yùn)行，本文就水輪機(jī)組普遍存在的問題進(jìn)行分析探討。

1 導(dǎo)軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

導(dǎo)軸承位于水輪機(jī)進(jìn)水端導(dǎo)水室中的導(dǎo)水錐內(nèi)，導(dǎo)軸承由金屬軸承體與酚醛塑料軸瓦（簡(jiǎn)稱軸瓦）構(gòu)成，軸承體通過螺栓與水輪機(jī)導(dǎo)水室固定連接，軸瓦與軸承體的連接為過渡配合、固定連接。

水輪機(jī)主軸的上游端套有表面鍍鉻的合金鋼護(hù)套（簡(jiǎn)稱鋼套），鋼套與主軸之間出廠時(shí)為過盈配合，鋼套緊緊的箍在主軸上，與主軸固定成為一體在軸瓦內(nèi)旋轉(zhuǎn)（以下如說主軸與軸瓦的關(guān)系時(shí)即指套有鋼套的主軸）。為防止鋼套沿軸向移動(dòng)而脫落，在主軸端部設(shè)有端蓋，端蓋與主軸采用螺紋連接，限制鋼套軸向移動(dòng)。

主軸與軸瓦之間有很小的間隙，以便主軸在軸瓦內(nèi)平滑穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)軸承瓦和主軸的冷卻潤(rùn)滑方式為水冷卻潤(rùn)滑，經(jīng)過濾后的清潔冷卻水通過軸瓦內(nèi)壁的導(dǎo)水槽，在主軸旋轉(zhuǎn)力和冷卻水軸向壓力的共同作用下，沿主軸與軸瓦間隙，呈螺旋狀向前作徑向與軸向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，對(duì)主軸與軸瓦之間的滑動(dòng)摩擦起潤(rùn)滑冷卻作用，不斷的帶走摩擦所產(chǎn)生的熱量，冷卻水與下游水流匯合流出。以上即構(gòu)成了水輪機(jī)導(dǎo)軸承的過濾、潤(rùn)滑、冷卻、聯(lián)結(jié)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以下簡(jiǎn)稱“導(dǎo)軸承系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 改造前導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

2 普通導(dǎo)軸承系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題、原因和改進(jìn)措施

以南鄭區(qū)青龍崖水電站為例，近年來，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行3～6 個(gè)月后，機(jī)組震動(dòng)逐漸增大，噪音逐漸升高，初步判斷為導(dǎo)軸承損壞，關(guān)機(jī)停水后拆開水輪機(jī)進(jìn)水段，發(fā)現(xiàn)有以下單獨(dú)或者疊加出現(xiàn)的問題：

2.1 軸瓦、鋼套磨損

軸瓦內(nèi)壁、鋼套外壁磨損，套有鋼套的主軸與軸瓦間隙過大，震動(dòng)過大。如果軸瓦、鋼套超過其使用壽命而磨損，則屬于正?，F(xiàn)象。軸瓦、鋼套的磨損，更換容易，成本低。正常的維修，通常都是定期更換軸瓦和鋼套，以保護(hù)其他部位不受磨損。

如果軸瓦、鋼套磨損過快，通常是由于冷卻水中泥沙含量超標(biāo)，管路堵塞，冷卻水壓力流量不足導(dǎo)致。經(jīng)常疏通管路和過濾器，可解決冷卻水壓力流量不足的問題。泥沙的源頭是洪水夾砂以及渠道垮塌淤積進(jìn)入引水渠道。泥沙問題近幾年長(zhǎng)期困擾該電站低水頭機(jī)組，尤其夏季雨水較多時(shí)更明顯。將冷卻水進(jìn)水口前移，遠(yuǎn)離前池尾部淤積扇區(qū)，該問題得到較大程度的改善。要更徹底的解決泥沙問題，應(yīng)將引水渠襯砌改造，并沿途設(shè)沉砂池、拉沙閘等設(shè)施，但工程投資較大，一時(shí)難以徹底解決。至于河道源頭泥沙問題，已超出了電站的自身能力，不在本次探討范圍內(nèi)。曾設(shè)想過修建二級(jí)沉淀池，但前池水頭本來就不高，若在前池下部挖出原來的管路，增設(shè)二級(jí)沉淀池，則冷卻水壓力又不滿足要求。若在前池上游設(shè)沉淀池，工程投資過大。泥沙問題的徹底解決可留待電站渠道改造時(shí)一并進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，以下問題也與泥沙有關(guān)，暫不再深入探討。

2.2 鋼套脫落，主軸磨損

鋼套脫落后，主軸在鋼套內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，造成主軸磨損。主軸貫通水輪機(jī)，與發(fā)電機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)接。因此，主軸的拆除維修難度很大，停機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)；無論是主軸的修復(fù)或更換費(fèi)用，還是停機(jī)損失都很大。因此，必須避免主軸磨損。

鋼套與主軸的設(shè)計(jì)連接方式為過盈配合，過盈配合在水輪機(jī)制造廠家很容易實(shí)現(xiàn)。但經(jīng)過運(yùn)行后，在現(xiàn)場(chǎng)檢修更換時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工藝條件很難達(dá)到廠家要求，很難做到符合設(shè)計(jì)要求的過盈配合，將主軸拆除運(yùn)到機(jī)械加工廠安裝，難度大，時(shí)間長(zhǎng)，安裝好后，以后仍然會(huì)出現(xiàn)此類問題；且水中泥沙含量有時(shí)超標(biāo)，很難達(dá)到廠家要求的水質(zhì)，更加劇了這種問題。實(shí)際以現(xiàn)場(chǎng)工藝條件檢修后，主軸與鋼套的聯(lián)接實(shí)際上成了過渡配合，主軸與鋼套的結(jié)合力主要靠摩阻力。在冷卻水較為清潔時(shí)，還能長(zhǎng)期運(yùn)行，但泥沙進(jìn)入或冷卻水流量不足時(shí)，鋼套與軸瓦內(nèi)壁摩阻力增大，軸瓦將鋼套抱死，造成主軸在鋼套內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次研究試驗(yàn)，改進(jìn)了鋼套與主軸的連接方式。具體方法是：將主軸端部焊接兩個(gè)厚度為15 mm 的扇形鋼塊，扇形鋼塊直徑略小于或等于主軸直徑。兩鋼塊中間留槽，槽寬40 mm～42 mm，槽深即為鋼塊厚度：15 mm。每個(gè)鋼塊中間對(duì)應(yīng)主軸原螺紋孔處留孔，以保留原螺紋孔。同時(shí)，將端蓋中間焊接一個(gè)與主軸端部槽口形狀尺寸相同的凸起鋼條，鋼條長(zhǎng)度等于或略小于鋼套外徑，厚15 mm，寬度38 mm～40 mm。將鋼套對(duì)應(yīng)處開兩個(gè)寬40 mm～42 mm，徑向深15 mm的缺口，深15 mm的缺口并沒有超出鋼套的長(zhǎng)度余量，因此，不會(huì)阻礙鋼套隨主軸在軸瓦內(nèi)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)然，也可以根據(jù)新的長(zhǎng)度要求定做鋼套。端蓋、主軸、鋼套之間構(gòu)成了一個(gè)榫卯結(jié)構(gòu)。這樣端蓋不僅能阻止鋼套軸向移動(dòng)，還能將主軸與鋼套牢牢的連接在一起。端蓋與主軸端部的連接改用有孔螺釘連接，再將兩顆螺釘用鐵絲鎖孔。

該方法應(yīng)用成熟后，直接在機(jī)械加工廠制造了一個(gè)同以上形狀尺寸的端蓋以替代焊接改進(jìn)的端蓋，尺寸配合更加精確。采用此改進(jìn)方法后，機(jī)組運(yùn)行至今，再?zèng)]有出現(xiàn)過鋼套脫落的問題。此種方法在現(xiàn)場(chǎng)即可操作，簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低、停機(jī)時(shí)間短。

2.3 軸瓦脫落，軸承體內(nèi)壁磨損

軸瓦脫落后，主軸連同軸瓦沿軸承體內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承體內(nèi)壁磨損。軸承體也便于拆卸，修復(fù)或更換難度也不大，但屬于不正常磨損，也應(yīng)避免。

造成這種現(xiàn)象的原因是：軸瓦的二次加工精度、軸瓦與軸承體的安裝方式、公差配合沒有控制好；還有泥沙問題。選擇工藝技術(shù)較好的機(jī)械加工廠，一般都能達(dá)到技術(shù)要求。對(duì)于已經(jīng)磨損的軸承體，可做噴塑處理或更換，本處不作過多探討。

2.4 軸承體脫落，軸承座內(nèi)壁磨損，軸承體外壁磨損

軸承體脫落后，主軸、軸瓦連同軸承體在軸承座內(nèi)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承座內(nèi)壁磨損。軸承座與水輪機(jī)外殼為一體，磨損后需要整體拆除送修，拆除維修難度大，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。因此，必須避免軸承座磨損。

軸承座磨損的原因是：軸承體通過4 顆螺釘與軸承座上的螺紋孔連接，本來連接就比較薄弱。軸瓦磨損后，間隙增大，又沒有及時(shí)檢修更換，長(zhǎng)期震動(dòng)，造成僅有的4 顆螺釘松動(dòng)，最終導(dǎo)致軸承體與軸承座脫落、產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)而引起軸承座內(nèi)壁磨損；同時(shí)，軸承體外壁也會(huì)受到磨損。將水輪機(jī)進(jìn)水段整體運(yùn)到機(jī)械加工廠，將軸承座磨損部分修復(fù)，并均勻增加了4個(gè)螺紋孔。軸承體也要做修復(fù)處理。以后檢修時(shí)，軸承體與軸承座的連接采用8 顆有孔螺釘連接，并用鐵絲鎖孔，軸瓦磨損出現(xiàn)震動(dòng)后，及時(shí)更換檢修，徹底解決了軸承座磨損問題。改造后的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 改造后的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論及建議

上述改進(jìn)方法，屬于后期現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)，受到現(xiàn)場(chǎng)條件、已有部件尺寸的限制。實(shí)際運(yùn)行中，許多條件難以達(dá)到水輪機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)假定的理想工況。對(duì)于鋼套與主軸連接方式，可以在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造時(shí)加以考慮，使其連接更加精密合理，留有充分的裕量，更能適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行中的一般冷卻水質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)維修條件。