混流臥式水輪機(jī)推力軸承瓦溫過高問題處理

任周景，雷可馨，吳凌云，柳哲寧

(國(guó)網(wǎng)浙江省景寧縣供電公司，浙江 麗水 323500)

1 概 述

南坑下電站位于浙江省麗水市景寧縣南坑下下游與鸕鶿小溪支流交匯處，于1968年4月竣工。電站上游集雨面積75 km2，進(jìn)水口將南坑下與黃坑圩支流匯集。引水壩為塊石漿砌石壩，高6 m，上設(shè)過坑橋、泄洪、進(jìn)水閘門、沉沙地、沖沙閘。引水渠長(zhǎng)3.56 km，設(shè)計(jì)流量1.5 m3/s，平均流量2.15 m3/s，落差70 m，壓力管直徑0.8 m，裝機(jī)容量2×200 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量270萬kW·h，總投資44萬元。由于機(jī)組陳舊老化，2008年對(duì)原1、2、3號(hào)機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造。2008年12月5日開工，于2010年1月竣工，至此，南坑下電站裝機(jī)容量達(dá)到1×800 kW+1×1 000 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量500萬kW·h，年利用率3 000 h。

南坑下電站2號(hào)混流臥式水輪機(jī)自投運(yùn)以來常常會(huì)發(fā)生推力軸瓦溫度過高的現(xiàn)象。夏季溫度經(jīng)常會(huì)達(dá)到60 ℃導(dǎo)致報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)溫度會(huì)超過65 ℃引發(fā)事故跳閘。水輪機(jī)安裝完成后請(qǐng)過許多老師傅、廠家專家進(jìn)行維修，問題依然無法解決。后通過采用外循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻，也只能將推力軸瓦的溫度穩(wěn)定在59 ℃左右。2021年，通過運(yùn)用超導(dǎo)熱管將推力軸瓦的溫度傳導(dǎo)到機(jī)體外殼進(jìn)行水冷散熱的方法進(jìn)行降溫，取得了一定的成效，但依然沒有從根本上解決問題。2022年1月，該水輪機(jī)發(fā)生燒瓦事故導(dǎo)致停運(yùn)。

2 2號(hào)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)

南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)為混流臥式水輪機(jī)，屬于反擊型水輪機(jī)的一種。由蝸殼、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、推力徑向軸承、制動(dòng)裝置、引水部分、伸縮管、尾水管等零件組成。水流由引水管引進(jìn)，經(jīng)過閥門、伸縮管、進(jìn)水彎管、蝸殼、導(dǎo)葉，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，再由尾水管排至下游。水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪并沖擊葉片，使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；再通過水輪機(jī)主軸傳遞，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

推力徑向軸承主要承受轉(zhuǎn)動(dòng)部分的徑向力和作用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的軸向力，軸承采用封閉自循環(huán)供油方式，潤(rùn)滑油的冷卻采用水冷。冷卻水由蝸殼進(jìn)水端引出，經(jīng)濾水器后進(jìn)入冷卻器，潤(rùn)滑油采用46號(hào)汽輪機(jī)油。軸承的徑向瓦采用半分結(jié)構(gòu)，表面澆有巴氏合金。徑向瓦一段設(shè)有小推力瓦面，以承受水輪機(jī)組的反向推力，軸承的推力瓦是由8塊可調(diào)試剛性支撐的推力瓦塊組成。軸承上裝有窺視蓋、油標(biāo)、溫度計(jì)，用以觀察軸承上的油位、油溫以及潤(rùn)滑情況。軸承由8顆螺栓及定位銷固定在水輪機(jī)底板上，軸承體上裝有M24×190的2顆固定螺栓與水輪機(jī)相聯(lián)接，以加強(qiáng)軸承的剛性。

推力瓦安裝前需要清洗、去銹、去除毛刺。通過對(duì)經(jīng)汽油清洗干凈后的推力瓦進(jìn)行研刮，保證推力瓦表面每平方厘米有2～3個(gè)顯示點(diǎn)，即可使其在水輪機(jī)正常運(yùn)作后能夠很快在表面形成一層均勻的潤(rùn)滑油膜。通過潤(rùn)滑油膜的隔離，推力瓦與推力盤之間不發(fā)生直接接觸，從而大大減少推力瓦與推力盤之間的摩擦系數(shù)，延長(zhǎng)了推力軸瓦的使用壽命。

3 原因分析

當(dāng)混流臥式水輪機(jī)運(yùn)行過程中推力軸瓦因振動(dòng)與摩擦而產(chǎn)生的熱量大于冷卻循環(huán)系統(tǒng)帶走的熱量時(shí)，推力軸瓦的溫度就會(huì)升高。因此，可以從產(chǎn)熱與散熱兩個(gè)方面來尋找本次南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)燒瓦事故的原因。

3.1 推力軸瓦與水輪機(jī)其他部件發(fā)生摩擦

在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，推力軸瓦與水輪機(jī)的推力盤等其他部件之間不可避免地會(huì)發(fā)生摩擦并產(chǎn)生熱量與損耗。水輪機(jī)工作狀態(tài)正常時(shí)推力瓦表面通過一層均勻的潤(rùn)滑油膜與推力盤隔離開來，但若出現(xiàn)以下情況時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的推力瓦與推力盤之間就有可能發(fā)生直接接觸并產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致推力瓦與推力盤表磨損并使面溫度升高。推力瓦表面的磨損嚴(yán)重到一定程度會(huì)使?jié)櫥碗y以均勻附著在其表面，從而加劇推力瓦與推力盤之間的摩擦，最終導(dǎo)致推力瓦燒毀。

3.1.1 水輪機(jī)在運(yùn)行過程中振動(dòng)過大

水輪機(jī)發(fā)電用的水來源于上游水庫，水中難免會(huì)攜帶有落葉、泥沙等異物，在雨天有時(shí)也會(huì)發(fā)生進(jìn)水量波動(dòng)較大的現(xiàn)象。水中的泥沙、石子等異物與水輪機(jī)蝸殼內(nèi)的轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生碰撞，會(huì)使轉(zhuǎn)輪發(fā)生磨損，轉(zhuǎn)輪葉片在長(zhǎng)時(shí)間的水流沖刷下也會(huì)發(fā)生銹蝕。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生磨損與銹蝕之后容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片重量分布不均，此時(shí)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)加劇，并通過與轉(zhuǎn)輪相連并被帶著旋轉(zhuǎn)的水輪機(jī)主軸將振動(dòng)傳遞給整個(gè)水輪機(jī)。此時(shí)，用于承受水輪機(jī)運(yùn)行過程中主軸產(chǎn)生的徑向作用力與軸向作用力的軸瓦會(huì)承受更大的作用力；并且軸瓦更加容易與相鄰的部件發(fā)生接觸產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致軸瓦溫度升高。

水輪機(jī)組如間隙大小、水平度等參數(shù)與規(guī)程規(guī)定的參數(shù)存在偏差也是導(dǎo)致水輪機(jī)在運(yùn)行過程中振動(dòng)過大的原因之一。根據(jù)南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)設(shè)計(jì)圖紙，該水輪機(jī)主軸水平允差應(yīng)小于0.02～0.014 mm/m，徑向軸瓦總間隙應(yīng)在0.18～0.25 mm之間。如主軸水平度、軸瓦間隙等指標(biāo)不合格，會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不正常，推力瓦偏離軸心。過小的間隙會(huì)導(dǎo)致推力軸瓦在運(yùn)行過程中與其他部件發(fā)生接觸并產(chǎn)生摩擦的概率增加；同時(shí)也會(huì)影響到水輪機(jī)的潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)，使溫度升高。推力瓦的傾斜不利于油膜形成，甚至?xí)?dǎo)致推力瓦在運(yùn)行過程中發(fā)生變形，從而降低其承載能力。

3.1.2 推力瓦表面無法覆蓋上均勻的油膜

推力瓦安裝前清洗與研刮工作不到位是導(dǎo)致潤(rùn)滑油無法均勻地附著在推力瓦表面的原因之一。若推力瓦制作工藝不到位，會(huì)使得推力軸瓦表面無法形成均勻的油膜，推力軸瓦轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與推力盤發(fā)生摩擦，導(dǎo)致溫度升高，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致推力瓦燒毀。

潤(rùn)滑油本身的性質(zhì)也是會(huì)影響到推力瓦表面能否覆蓋上一層均勻油膜的原因之一。不同牌號(hào)的潤(rùn)滑油粘度及化學(xué)性質(zhì)均不同，應(yīng)根據(jù)水輪機(jī)機(jī)組型號(hào)、推力軸瓦間隙等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇合適的汽油進(jìn)行冷卻與潤(rùn)滑。根據(jù)規(guī)程，南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)采用46號(hào)汽輪機(jī)油作為潤(rùn)滑油，這種潤(rùn)滑油在40 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度為44.10 mm2/s。

若潤(rùn)滑油因長(zhǎng)時(shí)間放置而發(fā)生劣化，或潤(rùn)滑油中含有雜質(zhì)過多時(shí)，潤(rùn)滑油的粘性會(huì)受到影響。因此，潤(rùn)滑油應(yīng)定期進(jìn)行采樣檢測(cè)，對(duì)不合格的油進(jìn)行更換，從而保證潤(rùn)滑油對(duì)軸瓦能夠正常起到潤(rùn)滑與冷卻的作用。

3.2 水輪機(jī)散熱不良

南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)的推力軸瓦主要依靠機(jī)組內(nèi)部的油循環(huán)來保證散熱。正常運(yùn)行時(shí)，帶有打油槽的推力盤跟隨主軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，依靠離心力將下層溫度較低的油不斷打上來，使油能夠覆蓋推力軸瓦表面并對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑與冷卻。上層溫度較高的油通過頂部的間隙與出油孔再經(jīng)冷卻器冷卻并重新回到下層，完成水輪機(jī)的散熱。若油循環(huán)出現(xiàn)問題，水輪機(jī)的散熱功能將受到影響，推力軸瓦在機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量無法擴(kuò)散到外界去，就會(huì)導(dǎo)致軸瓦溫度的升高。此外，外界環(huán)境溫度過高也會(huì)影響到水輪機(jī)的散熱。

3.2.1 水輪機(jī)工作環(huán)境溫度過高

夏季高溫的環(huán)境下，機(jī)組自身溫度與用于散熱的水和油的基礎(chǔ)溫度都比較高。此時(shí)水輪機(jī)工作時(shí)的溫升加上環(huán)境基礎(chǔ)溫度容易使水輪機(jī)推力軸瓦的溫度突破報(bào)警溫度，甚至導(dǎo)致事故跳閘。高溫環(huán)境也容易使?jié)櫥桶l(fā)生變質(zhì)，使其不能很好地對(duì)推力軸瓦進(jìn)行潤(rùn)滑與降溫。

3.2.2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)問題

當(dāng)推力盤、推力徑向軸瓦、導(dǎo)油罩等部件之間的間隙大小配合不好時(shí)，推力盤的打油效率會(huì)受到影響；這種情況下被打上來的油會(huì)很快經(jīng)出油孔進(jìn)入冷卻器冷卻或直接通過過大的間隙跌落底層，使推力軸瓦得不到充分的潤(rùn)滑與散熱。

流進(jìn)冷卻器中的冷卻水是直接從水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中引進(jìn)的，水中會(huì)帶有一些如泥沙、落葉之類的雜物；這些雜物在冷卻器進(jìn)水管道淤積后會(huì)造成堵塞。此時(shí)，流經(jīng)冷卻器進(jìn)水管道的冷卻水流量會(huì)減少，會(huì)使得冷卻器對(duì)潤(rùn)滑油的冷卻效率降低。冷卻器管道中的水壓可以通過外部的儀表進(jìn)行觀測(cè)，若儀表顯示管道中水壓過大，則說明管道可能堵塞，需要對(duì)管道中淤積的雜物進(jìn)行清理。

4 處理方案

經(jīng)多次對(duì)南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)組進(jìn)行檢查、維修與重裝，推力瓦已經(jīng)更換過多次，該水輪機(jī)運(yùn)行過程中因軸瓦溫度過高而導(dǎo)致報(bào)警甚至跳閘的事故依然常發(fā)生。可以看出，2號(hào)水輪機(jī)推力軸瓦溫度過高的原因并非是推力瓦研刮工藝存在問題。

本次維修過程中，維修人員也對(duì)水輪機(jī)的冷卻器及冷卻管進(jìn)行過拆裝與清洗，剔除了冷卻管中的落葉等雜物，保證了水輪機(jī)水冷循環(huán)的正常工作。加上2021年在機(jī)組外殼上插接的超導(dǎo)熱管散熱來對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行降溫，水輪機(jī)散熱系統(tǒng)中的冷卻器應(yīng)該是能夠?qū)?rùn)滑油起到良好散熱效果的。因此，南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)推力軸瓦溫度過高的原因也不是冷卻器出現(xiàn)了問題。

最后維修人員發(fā)現(xiàn)是由于該水輪機(jī)組安裝之初工藝上存在問題，水輪機(jī)推力徑向軸瓦部分的各個(gè)間隙大小未能與水輪機(jī)的內(nèi)部油循環(huán)達(dá)成配合，導(dǎo)致潤(rùn)滑油被推力盤打上來后很快跌落，無法形成水規(guī)定的高油位；推力軸瓦無法整個(gè)浸泡在潤(rùn)滑油中，潤(rùn)滑油無法起到冷卻和潤(rùn)滑的作用，最終導(dǎo)致了運(yùn)行時(shí)推力軸瓦溫度過高的現(xiàn)象。因此，最終采取的維修手段如下：

一是維修人員將水輪機(jī)導(dǎo)油罩上蓋擋油的位置與推力盤之間的間隙從1.5 mm降為0.8 mm左右，從而使推力盤更容易將底層的油打到上層，并減少了潤(rùn)滑油的跌落。

二是維修人員采用銅皮將出油孔下部擋住1/3，使?jié)櫥湍軌蛐纬筛哂臀?，并限制?rùn)滑油流出的速度。

采取以上兩個(gè)措施，南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)以額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過徑向軸承的窺視蓋向內(nèi)看可以觀察到通過推力盤的高速旋轉(zhuǎn)，底層的潤(rùn)滑油被不斷打上來，使機(jī)組的推力軸瓦能夠正常浸泡在潤(rùn)滑油中，且整個(gè)機(jī)組的油溫處于正常范圍內(nèi)。

問題解決后，由于春節(jié)期間下雨頻繁，南坑下電站水輪機(jī)能夠正常投入運(yùn)行，日發(fā)電量約為960 kW·h，為景寧供電公司創(chuàng)造了大量的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

南坑下電站2號(hào)水輪機(jī)推力軸瓦溫度過高的問題已經(jīng)困擾維修人員多年，最終發(fā)現(xiàn)問題的源頭是50多年前水輪機(jī)安裝時(shí)軸瓦間隙沒有按照規(guī)程整定。水輪機(jī)這種長(zhǎng)使用壽命的機(jī)械在安裝時(shí)微小失誤可能引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失是不可估量的，因此在安裝水輪機(jī)時(shí)必須嚴(yán)格按照規(guī)程，將各項(xiàng)參數(shù)把控好，不可馬虎大意。