水輪機導軸承系統存在的問題及改進

何 東

（漢中市南鄭區紅寺壩水庫灌溉管理局，陜西 漢中 723112）

0 引言

貫流式、軸流式水輪機內通常設有導軸承，用于支撐水輪機轉子的部分重力，承受一部分主軸旋轉產生的徑向離心力。普通導軸承結構簡單，采用水冷卻潤滑方式，制造和運行成本低，因而在中小容量的貫流式、軸流式水輪機中得到普遍應用。但是，在實際應用中，常存在一些問題，影響水輪機組正常運行，本文就水輪機組普遍存在的問題進行分析探討。

1 導軸承系統結構和原理

導軸承位于水輪機進水端導水室中的導水錐內，導軸承由金屬軸承體與酚醛塑料軸瓦（簡稱軸瓦）構成，軸承體通過螺栓與水輪機導水室固定連接，軸瓦與軸承體的連接為過渡配合、固定連接。

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

主軸與軸瓦之間有很小的間隙，以便主軸在軸瓦內平滑穩定的旋轉。導軸承瓦和主軸的冷卻潤滑方式為水冷卻潤滑，經過濾后的清潔冷卻水通過軸瓦內壁的導水槽，在主軸旋轉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合運動，對主軸與軸瓦之間的滑動摩擦起潤滑冷卻作用，不斷的帶走摩擦所產生的熱量，冷卻水與下游水流匯合流出。以上即構成了水輪機導軸承的過濾、潤滑、冷卻、聯結、旋轉系統，以下簡稱“導軸承系統”，其結構見圖1。

圖1 改造前導軸承結構圖

2 普通導軸承系統運行中存在的問題、原因和改進措施

以南鄭區青龍崖水電站為例，近年來，發現運行3～6 個月后，機組震動逐漸增大，噪音逐漸升高，初步判斷為導軸承損壞，關機停水后拆開水輪機進水段，發現有以下單獨或者疊加出現的問題：

2.1 軸瓦、鋼套磨損

軸瓦內壁、鋼套外壁磨損，套有鋼套的主軸與軸瓦間隙過大，震動過大。如果軸瓦、鋼套超過其使用壽命而磨損，則屬于正常現象。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，管路堵塞，冷卻水壓力流量不足導致。經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入引水渠道。泥沙問題近幾年長期困擾該電站低水頭機組，尤其夏季雨水較多時更明顯。將冷卻水進水口前移，遠離前池尾部淤積扇區，該問題得到較大程度的改善。要更徹底的解決泥沙問題，應將引水渠襯砌改造，并沿途設沉砂池、拉沙閘等設施，但工程投資較大，一時難以徹底解決。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。曾設想過修建二級沉淀池，但前池水頭本來就不高，若在前池下部挖出原來的管路，增設二級沉淀池，則冷卻水壓力又不滿足要求。若在前池上游設沉淀池，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一并進行統籌設計，以下問題也與泥沙有關，暫不再深入探討。

2.2 鋼套脫落，主軸磨損

鋼套脫落后，主軸在鋼套內壁旋轉，造成主軸磨損。主軸貫通水輪機，與發電機通過聯軸器聯接。因此，主軸的拆除維修難度很大，停機時間很長；無論是主軸的修復或更換費用，還是停機損失都很大。因此，必須避免主軸磨損。

鋼套與主軸的設計連接方式為過盈配合，過盈配合在水輪機制造廠家很容易實現。但經過運行后，在現場檢修更換時，現場工藝條件很難達到廠家要求，很難做到符合設計要求的過盈配合，將主軸拆除運到機械加工廠安裝，難度大，時間長，安裝好后，以后仍然會出現此類問題；且水中泥沙含量有時超標，很難達到廠家要求的水質，更加劇了這種問題。實際以現場工藝條件檢修后，主軸與鋼套的聯接實際上成了過渡配合，主軸與鋼套的結合力主要靠摩阻力。在冷卻水較為清潔時，還能長期運行，但泥沙進入或冷卻水流量不足時，鋼套與軸瓦內壁摩阻力增大，軸瓦將鋼套抱死，造成主軸在鋼套內旋轉。

經過現場多次研究試驗，改進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。每個鋼塊中間對應主軸原螺紋孔處留孔，以保留原螺紋孔。同時，將端蓋中間焊接一個與主軸端部槽口形狀尺寸相同的凸起鋼條，鋼條長度等于或略小于鋼套外徑，厚15 mm，寬度38 mm～40 mm。將鋼套對應處開兩個寬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度余量，因此，不會阻礙鋼套隨主軸在軸瓦內旋轉；當然，也可以根據新的長度要求定做鋼套。端蓋、主軸、鋼套之間構成了一個榫卯結構。這樣端蓋不僅能阻止鋼套軸向移動，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。

該方法應用成熟后，直接在機械加工廠制造了一個同以上形狀尺寸的端蓋以替代焊接改進的端蓋，尺寸配合更加精確。采用此改進方法后，機組運行至今，再沒有出現過鋼套脫落的問題。此種方法在現場即可操作，簡單實用、成本低、停機時間短。

2.3 軸瓦脫落，軸承體內壁磨損

軸瓦脫落后，主軸連同軸瓦沿軸承體內壁旋轉，導致軸承體內壁磨損。軸承體也便于拆卸，修復或更換難度也不大，但屬于不正常磨損，也應避免。

造成這種現象的原因是：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。選擇工藝技術較好的機械加工廠，一般都能達到技術要求。對于已經磨損的軸承體，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旋轉，導致軸承座內壁磨損。軸承座與水輪機外殼為一體，磨損后需要整體拆除送修，拆除維修難度大，停機時間長。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，又沒有及時檢修更換，長期震動，造成僅有的4 顆螺釘松動，最終導致軸承體與軸承座脫落、產生相對運動和振動而引起軸承座內壁磨損；同時，軸承體外壁也會受到磨損。將水輪機進水段整體運到機械加工廠，將軸承座磨損部分修復，并均勻增加了4個螺紋孔。軸承體也要做修復處理。以后檢修時，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，軸瓦磨損出現震動后，及時更換檢修，徹底解決了軸承座磨損問題。改造后的導軸承結構見圖2。

圖2 改造后的導軸承結構圖

3 結論及建議

上述改進方法，屬于后期現場改進，受到現場條件、已有部件尺寸的限制。實際運行中，許多條件難以達到水輪機設計研發時假定的理想工況。對于鋼套與主軸連接方式，可以在水輪機的設計和制造時加以考慮，使其連接更加精密合理，留有充分的裕量，更能適應實際運行中的一般冷卻水質和現場維修條件。