清蓄電站水導軸瓦間隙增大原因分析及處理

甄培江，周玉權，楊偉坡

（清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠 511853）

1 前言

清遠抽水蓄能電站（以下簡稱“清蓄”）機組為立軸單級混流可逆半傘式結構，設有上導軸承、下導軸承、水導軸承，單機容量320MW，額定轉速428.6r/min。導軸瓦分為上導、下導、水導，均采用支柱式抗重螺栓分塊軸承瓦，具有結構簡單、平面布置緊湊，剛性、自調節功能均好的特點。

清蓄機組運行中多次出現導軸承擺度報警，其中有兩次導致機組跳機。機組檢修消缺中實測導軸承軸瓦間隙，上導與下導軸瓦間隙變化不大，而水導軸瓦間隙明顯增大。其中1號機組水導軸瓦間隙增幅最高達46.6%，實測數據見表1；2號機組水導軸瓦間隙增幅最高達34.5%，實測數據見表2；水導軸瓦間隙的增大導致機組振擺情況惡化，嚴重影響機組運行性能和指標。因此有必要從理論分析、結構特點、設計安裝等方面進行深入剖析，確定主要原因并制定實施處理措施。鑒于4臺機組水導軸承結構與參數相同，為方便闡述，以1號機組水導軸承為例進行分析。

表1 1號機組水導軸承間隙實測表

表2 2號機組水導軸承間隙實測表

2 原因分析

2.1 原因綜述

眾所周知，機組運轉狀態時所反映動態軸線形狀與其靜態形狀是不可能一致的。按靜態軸線調正導軸瓦間隙時的軸承并不處于最佳狀態，一般都要求在試運行后，按需要根據動態軸線重新進行軸瓦間隙調整，從而更有效的保證軸承受力均勻、軸系運轉平穩。由于機組動平衡試驗已基本消除了機械不平衡，軸瓦間隙增大就成為軸系引發弓狀回旋形態的主要因素，其明顯的后果是軸系振擺加劇。軸瓦間隙經過一段時間運行后非正常增大的現象是必須避免的，本文將從軸承結構和安裝調整方法兩個方面分析并尋求解決方法。

2.2 結構分析

水導軸承的主要作用是承受機組徑向力，如徑向水推力、機械不平衡力、電磁不平衡力等，進而限制、約束機組的徑向擺動，保證機組能夠穩定運行。清蓄水導軸承主要有軸瓦、嵌入塊、軸瓦支撐板、調整螺栓、調整螺母、墊塊、止動墊片等組成，采用分塊扇形瓦結構，均布12塊。軸瓦采用巴氏合金（錫基），瓦面材料ZChSnSb11-6。水導調整螺柱前端與嵌入塊接觸面為球面體，可形成輕微動轉的支點，使軸瓦在運行中與軸領之間形成楔形，從而效果性地產生油膜反力（見圖1）。

圖1 水導軸承結構圖

圖2 水導調整螺栓

水導軸承M100×3-6g調整螺栓采用40Cr調質硬度269～331HB，確保與M72螺母和套筒的硬度差30～50HB，而其SR300球面則經過淬火處理（深度15～20mm）硬度為HRC50～54；設計要求嵌入塊采用40Cr，其Φ82區域表面淬火1.5～2.0mm深，硬度達到HRC48～52HB（見圖2）。調整螺柱的螺紋分為M100和M72節距不同的兩段，調整螺柱座面設有止動墊片，此結構能夠起雙螺母效果，固定牢實且能同時止動。但實際上由于：①螺柱與螺母的絲牙是有間隙的。②螺孔與端面可能不完全垂直，致使螺牙間受力不均勻。這樣就存在機組運行時鎖緊螺母有松動的可能。因而鎖定螺母是否松動，調整螺柱球面是否磨損是檢修時的一個重要檢查項。

機組消缺檢查中未發現水導調整螺柱球面有明顯磨損痕跡，鎖定螺母無松動。

2.3 設計安裝分析

水導軸承軸瓦安裝調整嚴格按作業指導書進行，在完成機組軸線定位和水導軸承座定位后，檢查清洗水導瓦，瓦面設有海綿和白布保護，水導瓦就位后開始軸瓦調整。用千斤頂從+Y、+X、-Y、-X4個方向頂住軸瓦，使軸瓦緊貼大軸，作業過程中架設百分表監視大軸位移。用塞尺測量軸瓦與軸面的間隙為0mm，調整軸瓦的調整螺栓，控制調整螺栓與嵌入塊間的間隙至設計值，間隙用塞尺檢查。緊固鎖定調整螺栓，復測調整螺栓與嵌入塊的間隙無變化，拆除楔子板，百分表讀數無變化。同樣的方法完成其余軸瓦的調整與固定。全部完成后復測軸瓦間隙，要求軸瓦間隙分配偏差為±0.02mm，最后按要求焊接螺母止動塊。

檢查機組水導軸承時發現墊塊的C5倒角有與調整螺桿螺牙擠壓的痕跡，而且在螺栓打緊過程中也發現調整螺栓跟隨鎖定螺母一起旋轉，這說明由于C5倒角偏小限制了調整螺栓的行程，使得M72鎖緊螺母未能起到鎖緊調整螺栓的作用。該結構設計加工缺陷應制定改進措施加以解決。

為進一步確定C5倒角偏小與調整螺栓鎖緊失效的關系，下面就其受力情況進行分析，見下頁圖3。正常情況下，鎖定螺母打緊后產生的巨大拉力F間接作用在調整螺栓上，F等于F1。但實際情況中由于C5倒角偏小，限制了調整螺栓的行程，墊塊與調整螺栓R8過渡段接觸，鎖定螺母產生的拉力F一部分作用在調整螺栓與墊塊間，使得F1＜F，由于F1＜F，調整螺栓的拉緊力未達到設計值，螺牙與螺紋仍存在間隙，沒有真正起到鎖定的作用，在機組運行過程中受到軸瓦傳遞過來的負荷時，調整螺栓出現外移或者輕微轉動使軸瓦間隙變大。

3 改進措施

根據結構特點和設計安裝的分析結果，主要采取以下改進措施：

（1）調整改進水導墊塊C5倒角。

（2）嚴格控制軸瓦間隙調整的作業流程。

3.1 墊塊調整

調整改進水導墊塊C5倒角是為了避免墊塊與整螺栓接觸，現場根據調整螺栓與墊塊的實際裝配位置進行了測量，并以此改進墊塊結構。在原墊塊的基礎上加工一個Φ90×5的凹臺，以滿足下頁調整螺栓的行程要求。墊塊結構改進前后對比見下頁圖4和圖5。

圖3 調整螺栓與墊片受力分析圖

圖4 水導墊塊原加工圖

3.2 安裝控制

清蓄水導軸瓦為非同心瓦，其特點是線接觸式受力，安裝工藝相對于同心瓦而言要求更高、工序更復雜。如果在調整過程中存在中心不對正等因素，在運行過程中經升速、甩負荷、瓦溫考驗等功能性試驗后，瓦間隙一般都會增大。因此嚴格控制軸瓦間隙調整的作業流程是十分必要的，該措施可有效避免導軸瓦兩側間隙誤差偏大或導軸瓦單側接觸軸頸，保證軸瓦間隙調整的真實性。關鍵實施步驟如下：

（1）在大軸軸領圓周4個方向 +Y、+X、-Y、-X設置有調中心專用的M36調整螺栓，如圖6所示（在主軸側均采用銅板保護防止擦傷主軸表面）。

圖6 水導軸瓦調整布設及專用工具

（2）逐一就位軸瓦,調整螺柱頭部對準嵌入塊凹槽。

（3）使用一對專用小調整螺栓頂緊軸瓦兩側，使瓦面中心單線貼緊軸面，用塞尺檢測C1≈C2≈0.04mm。

（4）將0.29±0.02mm厚的塞尺置于調整螺柱和嵌入塊之間，頂緊M100×3螺柱并緊固M72×3鎖緊螺母（參見圖3），鎖緊螺母打緊力應滿足設計要求。

（5）為消除內、外螺紋間隙的影響，鎖緊螺母固定調整螺栓后，應再次測量確認軸承間隙設定值并進行反復調整，直至軸瓦間隙最終符合設計要求再鎖定鎖定螺母的墊片并點焊止動塊。

4 改進效果

清蓄1號機組嚴格控制軸瓦間隙調整的作業流程并改進水導墊塊C5倒角，基本解決了水導軸瓦間隙增大的問題，運行至今，機組振擺得到改善，機組空載運行水導擺度≤200μm、100%負荷均≤60μm，達到比較理想的穩定運行狀態。在2017年1號機組C修時對水導軸瓦間隙進行實測，軸瓦間隙變化不大（見圖7），該問題的解決提高了機組的運行可靠性和運行性能。

圖7 1號機組水導軸瓦間隙處理前后對比

5 結論

通過對清蓄電站水導軸瓦間隙增大的問題分析，從改進墊塊倒角和嚴控間隙調整工藝兩個方面制定處理措施。目前已完成1號機組和2號機組的改造，后續將根據具體情況改造3號機組和4號機組。改造后機組運行穩定，指標良好，達到了預期效果。

6 建議與思考

抽水蓄能機組轉速高，工況轉換多，啟動頻繁，具有正反旋轉兩個方向，相對于常規水電站而言，蓄能機組導軸承需要經受更嚴峻的考驗。在安裝調試期間，應嚴格管控安裝工藝和流程；在投運后的監盤巡檢中，密切關注導軸承油位、油溫、瓦溫、振擺變化情況；在檢修消缺期間，檢查確認導軸承有關部件位移磨損情況。建立完整的運維數據資料，定期進行專項匯總分析，及時發現問題并制定應對措施。對此，提出以下建議;

（1）導軸承軸瓦間隙異常往往伴隨機組振擺異常，此時應及時調整運維策略或者檢查消缺。

（2）軸瓦間隙是按靜態軸線調整，當機組運行一段時間后，應將軸瓦間隙實測列入檢修項目，確認軸瓦間隙是否需要調整。

（3）軸瓦調整用鎖緊螺母固定調整螺栓過程中應反復操作、測量。確保軸瓦間隙和鎖緊螺母打緊力均滿足設計要求。

（4）蓄能機組在過速試驗、甩負荷試驗后應根據監控數據適時檢查調整軸瓦間隙。

（5）軸瓦間隙調整后如擺度情況改善不明顯，還可以考慮再次配重，這樣能同時抑制軸承振動和大軸擺度。

參考文獻：

[1] 鄭守平,唐清平.懸吊式水輪發電機組水導軸承擺度超標（原因分析）處理[C]//水電控制設備專委會2015年學術交流會論文集.北京:中國水力發電工程學會信息化專委會,2015.

[2] 翟建平，譚大鈞.某水電機組導軸瓦瓦溫及間隙異常原因分析[J].潤滑與密封,2015,40(09).

[3] 李軍.三峽ALSTOM機組水導軸承安裝[J].中國三峽,2003（12）：21-22.

[4] 林美香.山美水電站3號機水導軸承異常振動原因分析及處理[J].水電站機電技術,2016,39(10):57-59.