水輪機導軸承甩油現(xiàn)象的原因分析與探討

彭祖賢，張 華

(國家能源集團恩施水電開發(fā)有限公司，湖北 恩施 445000)

立式水輪發(fā)電機組水輪機導軸承，是水輪機的重要組成部件，其作用是維持機組安裝時調(diào)整好的主軸軸線位置，保證主軸圍繞軸線中心旋轉(zhuǎn)，將主軸承受的徑向力，通過軸瓦傳遞給頂蓋。水輪機導瓦瓦面一般采用巴氏合金材質(zhì)，通過潤滑油，將摩擦產(chǎn)生的熱量，通過潤滑油帶走，保證軸瓦溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，確保水輪機潤滑油油量足夠，是水輪發(fā)電機組安全運行的必要條件。但在實際運行過程中，因結(jié)構(gòu)或安裝等原因，常常在運行過程中發(fā)生甩油現(xiàn)象，嚴重時發(fā)生瓦面損傷事故。2020年，國電恩施水電開發(fā)有限公司所屬車壩三級電站，發(fā)生一起機組檢修后試運行期間，因水導軸承內(nèi)側(cè)真空影響，潤滑油瞬間被吸出現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場分析處理，從結(jié)構(gòu)上進行了改進，解決了甩油隱患。

1 基本情況

國電恩施水電開發(fā)有限公司車壩三級電站屬于車壩河流域開發(fā)的第四級電站，1號機組于1998年7月投產(chǎn)，水輪機型號為HLD06A-LJ-100，額定容量6.3 MW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，額定水頭102 m，額定流量7.5 m3/s。2020年組織對1號機組進行常規(guī)性B級檢修，試運行調(diào)整機組至滿負荷過程中，監(jiān)視人員發(fā)現(xiàn)水導軸承油槽觀察孔處油位突然下降，同時頂蓋漏水變成乳白色，現(xiàn)場立即緊急停機處理。停機后對水導軸承拆機檢查，發(fā)現(xiàn)油槽剩余潤滑油亦成乳白色，油槽煤油滲漏試驗，未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

2 水導軸承及主軸密封結(jié)構(gòu)及工作原理

該機組水導軸承采用水內(nèi)冷筒式瓦結(jié)構(gòu)，擋油筒位于軸領(lǐng)與主軸之間的環(huán)形空間內(nèi)，軸領(lǐng)下端面距離擋油筒底板距離10 mm，軸領(lǐng)內(nèi)部與擋油筒距離10 mm。機組運行過程中通過軸領(lǐng)高速旋轉(zhuǎn)帶動油槽內(nèi)潤滑油快速流動，從而與油冷卻器進行熱量交換。

主軸密封采用活塞式端面橡膠密封結(jié)構(gòu)，密封圈型式為U型橡膠圈，對稱方向設(shè)有4×4 mm潤滑水孔。機組運行時向密封座凹槽底部對稱180°方位通入0.1～0.25 MPa的清潔水，橡膠密封圈在水壓的作用下上移與密封轉(zhuǎn)環(huán)緊密貼合，從而達到阻斷頂蓋漏水的作用，停機后切斷清潔密封水源，橡膠密封圈在自重作用下自然回落至密封座。為防止橡膠密封圈上下移動過程中卡阻，設(shè)有2根導向桿，見圖1。

圖1 水輪機軸承及主軸密封結(jié)構(gòu)圖

3 原因分析

從油位突然下降及現(xiàn)場拆機檢查情況分析，油槽無滲漏、油盆蓋固定良好，油槽短時間內(nèi)出現(xiàn)大量甩油，唯一途徑是通過軸領(lǐng)內(nèi)部與擋油筒的間隙吸出。

在本次試運行前的檢修中，主軸密封橡膠密封圈未更換，機組試運行空轉(zhuǎn)時即發(fā)現(xiàn)主軸密封漏水量較大。隨著機組負荷增加，頂蓋壓力逐步增大，機組試運行帶80%額定負荷時，主軸密封漏水壓力已超過清潔密封水壓，因漏水壓力超過密封水壓力，橡膠密封圈上部壓力高于下部壓力，橡膠密封圈被壓回密封座內(nèi)，從而進一步增大漏水量[1]。

從圖1結(jié)構(gòu)分析，擋油筒式結(jié)構(gòu)導軸承正常運行中，因擋油筒和軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)會存在一定不同心，加之還有軸瓦間隙影響，隨著軸領(lǐng)旋轉(zhuǎn)，擋油筒和軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)周邊容積會不斷發(fā)生變化，形成容積泵效應(yīng)，從而形成爬油現(xiàn)象。這種現(xiàn)象，一般稱為內(nèi)甩油，但不會出現(xiàn)短時間大量甩油現(xiàn)象，這種甩油可以在擋油筒外壁設(shè)置阻尼擋板解決。本次短時間甩油，應(yīng)該是擋油筒和軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)之間形成局部真空，導致油槽潤滑油被快速吸掉引起。

結(jié)合本次試運行分析，機組空轉(zhuǎn)時主軸密封漏水量較大，特別是隨著負荷增加，主軸密封漏水不斷增大后，頂蓋開始積水，當頂蓋積水超過油槽底部后，在擋油筒和軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)之間會形成密閉空間。同時，密封轉(zhuǎn)環(huán)隨機組旋轉(zhuǎn)，密封轉(zhuǎn)環(huán)分半組合面，將產(chǎn)生類似離心泵的葉輪作用，在主軸旋轉(zhuǎn)帶動下，主軸附近的積水向周邊甩出，從而不斷改變著擋油筒和軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)之間密閉空間，導致?lián)跤屯埠洼S領(lǐng)內(nèi)側(cè)之間形成真空，當真空度超過限值時，水導軸承油槽潤滑油在負壓作用下，瞬間通過軸領(lǐng)內(nèi)部與擋油筒間的間隙吸出，從而導致前述現(xiàn)象。

4 解決思路

上述現(xiàn)象，雖然是在機組檢修后試運行發(fā)現(xiàn)，但實際運行中，橡膠密封圈卡澀磨損、主軸密封水水壓不足、頂蓋排水孔堵塞以及運行中其它一些原因，均有可能導致主軸密封漏水量增大、頂蓋積水，若頂蓋積水超過油盆底部，該類事件就會再次發(fā)生。

為減小或者消除軸領(lǐng)內(nèi)部與擋油筒處的真空度，徹底解決機組安全運行風險，可以從以下三個方面考慮[2]：

1)優(yōu)化橡膠密封圈結(jié)構(gòu)。將Y型橡膠密封圈改為H型，密封圈下端兩邊設(shè)置裙邊，減少清潔密封水滲漏泄壓，同時加高橡膠密封圈高度，減小密封圈回落至密封座或不能正常頂起時橡膠密封圈頂端與密封轉(zhuǎn)環(huán)間的間隙，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少主軸密封漏水量。

2)提高主軸密封水供水可靠性。增設(shè)旁路密封水源，利用壓差檢測每路濾水器堵塞情況并能自動切換，確保密封水質(zhì)、水壓滿足設(shè)計要求。

3)防止真空產(chǎn)生。在軸領(lǐng)上部增加2～4個通氣孔，將擋油筒和軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)空間與油盆上部空間聯(lián)通，防止此處產(chǎn)生真空，為防止油盆潤滑油從該孔溢出，軸領(lǐng)孔口設(shè)置防溢油孔塞，徹底解決真空影響可能導致的安全運行。