水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承故障分析及處理

顏赟成， 王文歡， 張 賽， 周政龍， 閔占奎， 劉秀良， 王顥鈞， 潘衛(wèi)國

(1. 上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090； 2. 甘肅省電力科學(xué)研究院， 蘭州 730050)

水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承支撐著整個機(jī)組的軸向負(fù)荷，通過潤滑油膜使得隨軸系轉(zhuǎn)動的鏡板和固定靜止部件推力軸瓦分離，它是保證機(jī)組安全可靠并長期穩(wěn)定運(yùn)行的最關(guān)鍵部件之一。在實(shí)際運(yùn)行過程中，油膜受到剪切的作用產(chǎn)生熱量，必然會出現(xiàn)溫度上升的現(xiàn)象。在正常情況下，熱量會通過對流和導(dǎo)熱的方式由冷卻器冷卻，從而使軸承溫度維持在一個正常的溫度閾值內(nèi)。但是，在運(yùn)行時由于推力軸承的軸向水推力和運(yùn)行參數(shù)受到工況和環(huán)境的影響，產(chǎn)生了軸承潤滑條件惡化、油膜變形、軸瓦受力不均等現(xiàn)象，造成油膜溫度升高、潤滑性能變差、潤滑油黏度降低，從而使油膜的厚度銳減。這些因素進(jìn)一步引起推力軸承潤滑冷卻性能的下降，導(dǎo)致推力軸承發(fā)生干摩擦和燒瓦，同時伴隨機(jī)組的振動和擺動急劇增大，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。一旦推力軸承發(fā)生燒瓦現(xiàn)象，必須立即停機(jī)檢修，否則會造成整臺水輪發(fā)電機(jī)組的損壞等重大故障。筆者針對一系列水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的事故故障，分析總結(jié)事故原因，以期為同類故事處理提供參考。

1 機(jī)組振動分析及處理

水輪發(fā)電機(jī)組的一般振動不會危害機(jī)組運(yùn)行，但當(dāng)振動嚴(yán)重超過允許值，尤其是長期周期性振動及發(fā)生共振時，會使得推力軸承無法形成穩(wěn)定的油膜厚度來支撐軸系載荷，同時由于振動造成金屬瓦的鎢金與鋼質(zhì)體分離并剝落，污染潤滑油、磨損瓦面、增加鏡板粗糙度，使軸瓦溫度升高，引起推力軸承故障，影響機(jī)組的使用壽命，嚴(yán)重威脅機(jī)組的運(yùn)行安全。但是機(jī)組的振動又是不可避免的，只能盡量減少振動，使得機(jī)組振動限制在允許的范圍內(nèi)[1]。我國現(xiàn)行立式水輪發(fā)電機(jī)組的振動允許值見表1。

表1 立式水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動允許值

根據(jù)引起機(jī)組振動造成軸承干擾力的不同形式，機(jī)組振動的原因可以分為水力因素、機(jī)械因素和電磁因素[2]。

水力因素以水推力變化為主，是造成水輪發(fā)電機(jī)組振動最主要的原因。水推力變化造成推力軸承故障的水電站多位于我國黃河、金沙江、大渡河、岷江、紅河、長江流域附近[3]。由于這些流域的水力具有獨(dú)特的多泥沙因素，導(dǎo)致過機(jī)水流含泥沙量大，大量的泥沙顆粒高速沖刷并磨損過流部件表面，從而引起水力擾動，使機(jī)組產(chǎn)生振動，導(dǎo)致運(yùn)行時推力軸承受力不平衡、油膜變形、軸承的潤滑性能降低、軸瓦溫度升高，以及軸瓦的壓力分布和油膜厚度受到破壞造成推力軸承運(yùn)行狀況惡化，引發(fā)軸承燒損的故障。當(dāng)水推力擾動的頻率與機(jī)組的某個部件或機(jī)組的固有振動頻率相同時，甚至還會發(fā)生共振[4]，造成推力軸承損壞的重大故障。

造成水推力變化的兩個主要原因是設(shè)計(jì)制造缺陷和泥沙磨損。

機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片尾端因設(shè)計(jì)制造缺陷存在鈍尾和葉面壓差。鈍尾的存在會使葉片出水邊形成卡門渦街，當(dāng)其振動頻率與葉片自振頻率相同時，葉片疲勞產(chǎn)生裂紋[5]，軸系轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)，造成推力軸承潤滑性能下降，容易發(fā)生燒瓦。

多泥沙水力條件下造成過流部件的泥沙磨損，往往會導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪氣蝕和嚴(yán)重磨損破壞，不但會引起轉(zhuǎn)輪受力不均勻、水流失去軸對稱，還會引起過流部件尤其是尾水管振動，甚至引發(fā)廠房共振。運(yùn)行時轉(zhuǎn)輪葉片上還會存在壓差，產(chǎn)生周期循環(huán)的壓力波動，進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)組振動，影響推力軸承形成穩(wěn)定的油膜結(jié)構(gòu)。這種情況下，軸瓦的受力不均勻，個別瓦面壓力負(fù)荷過大，造成軸瓦超溫、燒損故障，導(dǎo)致機(jī)組無法穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)械因素是指發(fā)電機(jī)組緊固零部件發(fā)生松動或者在制造、安裝過程中存在誤差。機(jī)組在制造加工過程中可能出現(xiàn)金屬材質(zhì)不均勻、制造水平與加工精度低等問題，使機(jī)組的受力平衡被打破。運(yùn)行時產(chǎn)生的周期性干擾力使機(jī)組產(chǎn)生周期性的振動[6]，從而使得推力軸承每個瓦面受到的負(fù)荷不均勻，個別軸瓦溫度過高進(jìn)而出現(xiàn)超溫?zé)吖收稀?/p>

電磁因素主要是指發(fā)電機(jī)組磁拉力不平衡[7]。發(fā)電機(jī)磁極短路或發(fā)電機(jī)定子鐵芯松動都會導(dǎo)致由電磁因素引起的機(jī)組振動。同樣的，由于機(jī)組振動，加快了軸瓦的磨損和表面金屬材料的剝落。

上述三種因素中，引發(fā)機(jī)組振動造成軸承故障最主要的因素是水力因素，國內(nèi)對于水力因素引起機(jī)組振動的處理主要有以下五種方法：

(1) 合理排沙，減少過機(jī)水流含泥沙量。

劉家峽水電站采取低水位拉沙和異重流排沙，漁子溪水電站利用沉沙池排沙，三門峽水電站采用七下八上機(jī)組停運(yùn)的運(yùn)行方式[8]。這些根據(jù)各自水力特性采取的措施都改善了過流部件泥沙磨損嚴(yán)重的情況。

(2) 優(yōu)化水輪機(jī)參數(shù)選擇。

泥沙含量高的水電站參數(shù)選取應(yīng)統(tǒng)籌汛期的運(yùn)行工況，減少過流部件在汛期的過度磨損。萬家寨水電站在渾水期采用較低的比轉(zhuǎn)速，控制相對流速，實(shí)行無空蝕運(yùn)行，降低了機(jī)組磨蝕，延長了機(jī)組大修周期[9]。三門峽水電站6號、7號機(jī)組在汛期通過降低比轉(zhuǎn)速和流量也改善了機(jī)組泥沙磨損的情況。

(3) 改善水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

利用現(xiàn)代計(jì)算軟件進(jìn)行流場分析，優(yōu)化水輪機(jī)過流部件的水力設(shè)計(jì)模型，尤其是轉(zhuǎn)輪采用負(fù)傾角的翼型，優(yōu)化葉片出口環(huán)量等。劉家峽水電站通過增大導(dǎo)葉直徑，優(yōu)化導(dǎo)葉翼型，最佳匹配固葉與動葉，改善導(dǎo)葉區(qū)流態(tài)，降低了導(dǎo)葉表面流速，減輕了過流部件磨蝕的問題[8]。絳山、鐵吾、團(tuán)結(jié)水電站通過改造易磨蝕部件形狀，同時加裝阻水柵和導(dǎo)流板，改善了流場，減輕過流部件的磨損。

(4) 優(yōu)化本體材料。

對于易磨損部件采用抗磨蝕的材料。葛洲壩[10]、劉家峽[11]、魯布革[12]水電站的轉(zhuǎn)輪都采用了高強(qiáng)度抗磨蝕的材料，達(dá)到了減輕磨損的效果。

(5) 采取表面防護(hù)措施。

可以用抗磨蝕的材料對過流部件表面進(jìn)行強(qiáng)化。綏德、天橋水電站使用抗磨涂層，青銅峽、鹽鍋峽、大峽、劉家峽水電站使用抗磨蝕的超高分子材料，都減輕了磨損的情況[13]。

引起水輪發(fā)電機(jī)組振動的原因十分復(fù)雜，必須找出主要原因，采取綜合治理措施并逐步消除。石門水電站3號機(jī)組[14]振動和擺動大，機(jī)組不能穩(wěn)定運(yùn)行，在安裝階段采取了動平衡試驗(yàn)，取得了一定的成效，但是機(jī)組下機(jī)架振動并未改善，長時間運(yùn)行后軸線發(fā)生偏斜。經(jīng)過試驗(yàn)分析得到，造成機(jī)組振動的原因可能是由機(jī)械不平衡、軸線曲折、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡共同作用引起的。經(jīng)過修型葉片、調(diào)整軸線和推力瓦等，振動問題得以解決，機(jī)組能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2 推力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理及處理

根據(jù)機(jī)組給定的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，并兼顧機(jī)組的運(yùn)行工況，精確計(jì)算后選擇出水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的最佳潤滑參數(shù)，即軸瓦的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置[15]。

隨著水輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷越來越大，推力軸承在設(shè)計(jì)上的不確定因素增多，給精密設(shè)計(jì)帶來一定的難度，具體表現(xiàn)在以下四個方面：

(1) 軸瓦尺寸設(shè)計(jì)不合理，可能造成軸瓦間隙過小，影響油膜的形成，同時影響冷油進(jìn)入瓦面，輕則引起瓦溫升高，重則造成燒瓦事故。除了軸瓦間隙過小，還可能存在軸瓦設(shè)計(jì)厚度不夠的問題，使得在正常運(yùn)行時瓦溫升高產(chǎn)生過度的機(jī)械變形。此外，熱油和冷油的溫差較大也會使軸瓦產(chǎn)生較大的熱變形(見圖1)。由圖1可以看出：熱膨脹發(fā)生后[16]，在軸瓦的承重中心呈凸形周圍向下凹，正是這個凹凸的變形面導(dǎo)致了油膜變形，軸瓦承載面積變小，單位面積受力增大，導(dǎo)致軸瓦超溫和燒損故障。

圖1 推力軸瓦瓦面磨損情況

黑麋峰水電站4號機(jī)組軸瓦溫度一直明顯偏高，并且有上升趨勢，威脅機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。通過專家組分析，油流量和冷卻熱油的冷量都符合設(shè)計(jì)要求，故斷定軸瓦在設(shè)計(jì)上不能滿足瓦溫在安全閾值內(nèi)運(yùn)行的要求。專家認(rèn)為部分附著在鏡板上的熱油，由于邊界層作用，進(jìn)入到下一個軸瓦的進(jìn)油端[17]，因此導(dǎo)致了推力軸承潤滑性能的下降。通過在軸瓦出油邊增設(shè)熱油隔離降溫裝置(見圖2)，優(yōu)化了熱油流向，從而降低了軸瓦運(yùn)行溫度，使得機(jī)組能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行。

圖2 黑麋峰水電站裝設(shè)熱油隔離降溫裝置位置

(2) 在軸承支撐結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)的偏心值偏低。偏心值是指推力軸瓦及配合的瓦托與支撐部件例如彈性油箱或者剛性支撐結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)的偏心度[18]。理論上，調(diào)整偏心值的意義是為了減輕甚至防止軸瓦在出油邊的磨損。然而，在實(shí)際運(yùn)行中得到的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偏心值偏低反而無法形成理想的油膜形狀，難以維持最小油膜厚度[19]，使得軸瓦在出油邊磨損，導(dǎo)致軸瓦受力不均，降低了軸瓦的承載能力和機(jī)組的穩(wěn)定性。

目前，尚未有水電站通過調(diào)整支撐部件的偏心值解決推力軸承運(yùn)行問題的例子。

(3) 在推力軸承冷卻系統(tǒng)冷卻器的結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)選擇上，也存在設(shè)計(jì)偏差的問題。此外，針對外循環(huán)冷卻方式的設(shè)計(jì)，還會存在油循環(huán)結(jié)構(gòu)不當(dāng)，造成供油方向與鏡板旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的油流方向相反的熱油短路現(xiàn)象，使軸瓦間的潤滑油流動停滯，摩擦產(chǎn)生的熱量在瓦面上聚集，加快軸瓦磨損[20]。對此可以通過加設(shè)擋油板或合理改進(jìn)擋油板的形狀結(jié)構(gòu)以降低油循環(huán)的流動阻力；在廠房尺寸允許的條件下，擴(kuò)大冷卻器過油面積和增大冷卻器管間距離，優(yōu)化潤滑油流動，以減少熱油渦流死區(qū)，提高推力軸承潤滑油的冷卻效果，降低進(jìn)油邊潤滑油的溫度；將軸瓦表面的溫度控制在安全閾值內(nèi)，避免由于軸瓦超溫引起的推力軸承燒損故障。

此外，對于采用外循環(huán)冷卻方式的梨園水電站4號機(jī)組[21]，投運(yùn)后軸瓦溫度過高臨近閾值，通過加大冷卻器流量和壓力后，軸瓦溫度并無顯著改善，繼而決定優(yōu)化潤滑油的流動循環(huán)。通過封閉油管路的隔板通孔，同時拆除油泵進(jìn)口的過濾網(wǎng)，減少了潤滑油在推力軸承油槽內(nèi)流動的阻力。改造完成后，推力軸承各軸瓦都沒有發(fā)生超溫報(bào)警的情況，解決了軸瓦超溫的故障。

(4) 在推力軸承軸瓦進(jìn)油邊的油膜形狀設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)不佳會對機(jī)組啟動時潤滑油膜的形成速度造成影響，導(dǎo)致油循環(huán)動力不足，在軸瓦出油邊產(chǎn)生滯流區(qū)或渦流區(qū)，造成熱量在軸瓦間聚集，軸瓦溫度持續(xù)升高，導(dǎo)致軸瓦燒損的故障。

水電站為解決因推力軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷引起的故障，通常會調(diào)整多個推力軸承部件的運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸。

安康水電站3號機(jī)組[22]在某次檢修過程中抽出12塊軸瓦發(fā)現(xiàn)所有瓦面都存在磨損現(xiàn)象，經(jīng)分析主要原因?yàn)檩S瓦設(shè)計(jì)不佳，導(dǎo)致軸瓦變形量過大。通過增加軸瓦的寬度和厚度，并將軸瓦更換為雙層瓦結(jié)構(gòu)，采用球面支撐方式，增大了冷卻水壓力，處理后機(jī)組的運(yùn)行情況得到明顯改善。

上述四個因素都是水輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)初就存在的缺陷，只有機(jī)組經(jīng)過帶負(fù)荷甚至高負(fù)荷長時間運(yùn)行，才會顯現(xiàn)。但是，設(shè)計(jì)缺陷只存在于個別水電站的某一機(jī)組或同類型機(jī)組上。負(fù)荷的不斷提升及水力條件的變化，給精密設(shè)計(jì)造成了很多的不確定性和難度，造成機(jī)組推力軸承無法承受巨大的軸向載荷，最終導(dǎo)致了推力軸承潤滑性能下降，引起軸瓦溫度過高和燒損的故障。

3 加工安裝缺陷及處理

在加工工藝上，存在鏡板下表面的鏡面粗糙度和波浪度過大現(xiàn)象，在運(yùn)行時鏡板的平行度若超過0.02 mm/m，則軸瓦局部接觸面僅有40%～60%[16]，推力軸承在半干摩擦甚至干摩擦狀態(tài)下運(yùn)行引起燒瓦的故障。此外，軸瓦刮削質(zhì)量不良、瓦面粗糙，加大了潤滑油流動阻力，同樣會使得軸瓦運(yùn)行狀況不良，引起軸瓦溫度偏高、燒瓦的故障。

對于加工缺陷的處理措施主要通過提高軸承各部件的制造工藝精度和質(zhì)量，消除鏡板水平度和光潔度不足、軸瓦刮削不佳的情況，避免了因加工缺陷造成軸承潤滑性能下降而引發(fā)的軸承故障。

在安裝時，也會出現(xiàn)機(jī)組主軸偏移、推力頭鏡板與主軸夾角超過允許值的問題，主要有兩種手段解決該問題：

(1)重新水平調(diào)平鏡板。使發(fā)電機(jī)主軸徑向受力均勻，并精確定位機(jī)組的旋轉(zhuǎn)中心，確保軸系運(yùn)行的垂直度和直線度[23]。

(2)再加工。使推力頭的軸孔與下端面的垂直度符合規(guī)范要求，消除螺栓對主軸的徑向力，避免主軸偏移。

機(jī)組通過以上兩種手段可以很好地解決由于安裝缺陷破壞潤滑油膜形狀的故障，消除了油膜承載能力差、個別軸瓦載荷大超溫的負(fù)面影響。

4 潤滑油冷卻系統(tǒng)故障及處理

潤滑油冷卻系統(tǒng)故障一般包括管道堵塞、閥門損壞、過濾器雜質(zhì)過多等。冷卻管道的堵塞降低了管道內(nèi)冷卻水的流量，使得冷卻系統(tǒng)無法產(chǎn)生足夠的冷量完全冷卻潤滑油所帶出的熱量，溫度較高的潤滑油會繼續(xù)在油槽內(nèi)循環(huán)，造成軸瓦溫度過高燒損的故障。

對于潤滑油冷卻系統(tǒng)故障的預(yù)防和處理，一定要定期維護(hù)冷卻系統(tǒng)管路，及時更換老化或故障的閥門等部件[24]，并及時疏通堵塞的管路。針對異物較多的夏秋季，應(yīng)及時處理引水渠和水庫內(nèi)的漂浮物，避免冷卻系統(tǒng)管路堵塞。

5 其他原因及處理

由于運(yùn)行管理不善，機(jī)組存在頻繁啟停、快速變負(fù)荷的現(xiàn)象，加快了推力軸承部件的老化，造成鏡板鏡面劃傷、軸瓦磨出金屬絲[25]，造成潤滑油污染、油質(zhì)下降，金屬碎屑加劇了鏡板和軸瓦的磨損程度，降低了軸承潤滑性能，導(dǎo)致軸瓦溫度過高的故障。

此外，由于機(jī)組的運(yùn)行操作沒有嚴(yán)格按照規(guī)程，會造成機(jī)組振動嚴(yán)重、潤滑油油質(zhì)變差、機(jī)組軸線和各部件裝配上存在誤差等問題，進(jìn)而導(dǎo)致軸承運(yùn)行不穩(wěn)定，長時間運(yùn)行后軸瓦溫度過高，引起燒瓦故障。

三河壩水電站3臺機(jī)組[1]在某次檢修時沒有按照規(guī)程，省略了推力頭預(yù)熱流程。機(jī)組長期運(yùn)行后，推力頭發(fā)生松動引起機(jī)組振動愈發(fā)嚴(yán)重，機(jī)組被迫停機(jī)。

俄羅斯薩彥-舒申斯克水電站于2009年8月發(fā)生了重大事故，6 400 MW的水電站停機(jī)，并且造成了75人遇難，損失慘重。事故調(diào)查小組報(bào)告稱：機(jī)組工作人員在得知薩彥-舒申斯克水電站不僅存在水輪機(jī)水力性能設(shè)計(jì)不佳和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性不良的情況下，還長期在強(qiáng)振動區(qū)運(yùn)行，并沒有做出相應(yīng)的工況調(diào)整和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[26]。這是嚴(yán)重的缺乏管理、疏忽檢修、不執(zhí)行條例規(guī)定導(dǎo)致的嚴(yán)重事故。

6 結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承承受著巨大的軸向水推力，推力軸承的穩(wěn)定性直接決定了機(jī)組能否長期安全可靠運(yùn)行。隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷提升，維持推力軸承能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行成為首要解決的問題。筆者結(jié)合典型國內(nèi)外水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的事故故障，對水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的故障原因及改進(jìn)方法進(jìn)行匯總綜述，供大型水電站和電力設(shè)計(jì)院參考，以避免因推力軸承故障損壞為水電站的安全埋下隱患，給水電站造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。