一起水輪發電機組導軸承擺度異常的分析及處理

吳彬宏

（中國華電集團有限公司衢州烏溪江分公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

某水電站共裝有5臺機組，其中，5號機為單機容量120 MW 的混流式水輪發電機組。機組結構為立軸半傘型結構，導軸承設有上導、水導軸承，無下導軸承，推力軸承位于轉子下部，推力油箱為彈性支撐結構。機組主軸軸向由機組上端軸、轉子支架中心體、發電機軸、聯軸法蘭和水輪機軸組成，徑向由發電機上導軸承和水輪機導軸承支撐。

2017年12月該機組大修復役后出現導軸承擺度異常的情況，期間經過多次停機檢查和試驗，始終未能發現緊固部件、旋轉部件和導軸承的異常。

1 事件經過

5號機組大修復役后，機組連續運行過程中發“5號機X+、Y+水導擺度報警動作”信號，現場值守人員進行擺度實測并對照機組狀態監測裝置的運行情況和歷史數據。現場實測水導擺度約0.2 mm與狀態監測測量的水導擺度0.23 mm接近，隨后上機架振動、上導和大軸聯軸法蘭處擺度開始頻繁報警，為查明原因機組進行了停機處理。

經各專業初步檢查，未發現明顯異常后進行試運行，機組各處振動擺度恢復正常，水導擺度實測0.12 mm符合規程標準。在隨后一段時間的跟蹤監測中發現，上機架、上導、水導和聯軸法蘭處的振動及擺度隨著機組發電時間的上升有一個斜率上升的過程，1~2 h的運行時間各處擺度變化很小，超過3 h擺度明顯增大，連續運行5 h后水導擺度增大約兩倍，從正常運行時的0.12 mm到0.27 mm，最后穩定在0.3 mm附近。聯軸法蘭處擺度在運行約10 h后報警（超過0.9 mm），但查看運行記錄，機組各處軸瓦溫度均穩定在正常范圍，未有明顯上升趨勢，而且在機組停機冷態后重新投入運行擺度都會恢復為正常值。機組各處振動擺度的變化和趨勢，如表1、圖1所示。

表1 機組各處振動擺度隨時間變化值

2 現場排查及原因分析

2.1 狀態監測裝置排查

在出現異常后，對5號機組狀態監測裝置進行檢查，特別是對探針的安裝底座有無松動、安裝間隙是否合適進行檢查，并通過手動測量X向擺度與在線監測系統值進行對比，排除了測量裝置的原因。

圖1 機組振動擺度變化趨勢

2.2 機組工況變化的排查

影響機組振擺的水力因素很多，如泄水錐脫落、轉輪葉片損壞、尾水管內渦流，尾水管壓力脈動，水頭變化，負荷變化等都可以造成擺度異常，水力不平衡因素引起的機組振擺不穩定一般會首先體現在水導擺度的變化上[1]。查看機組運行工況，5號機組始終在穩定工況下運行，現場檢查尾水管處噪聲無異常，大軸補氣聲音平穩，尾水管壓力脈動監測數據正常，通過大范圍的調整導葉開度進行振動區試驗均沒有明顯改善，可以判斷由于機組工況變化引起擺度增大的可能性很小。

2.3 機組盤車數據檢查及導軸承間隙的排查

由于5號機組剛經過大修且水導軸瓦拆卸過，機組擺度幅度變化較大，首先判斷機組軸線或水導軸承軸瓦間隙因安裝原因發生變化。所以對機組盤車數據進行復核：檢查聯軸法蘭合縫面間隙符合檢修規范要求；機組盤車過程數據，在聯軸法蘭處監測機組上下法蘭同軸度符合檢修要求；盤車過程中，推力鏡板水平小于 0.015 mm/m符合規范及檢修要求；檢查機組盤車數據，水導軸承處絕對擺度0.15 mm，上導軸承最大相對擺度0.05 mm/m，水導軸承最大相對擺度0.02 mm/m，均符合檢修規范要求。基本可以排除機組盤車數據不符合要求的問題。

進一步對導軸瓦間隙和安裝質量進行檢查，上導軸承為分塊巴氏合金瓦，軸瓦單側設計間隙0.10 mm~0.15 mm，總間隙按照 0.20 mm調整，單側間隙根據軸線偏差進行平均分配，且實測分配間隙與盤車記錄一致，抗重螺栓無松動。水導瓦為桶式線性結構巴氏合金瓦，總間隙也是按照盤車記錄進行調整，實測總間隙約為0.20 mm，無太大變化，水導瓦面內徑檢查、軸承座（螺栓）及上下端面焊接區域均未發現明顯缺陷，符合檢修規范要求。排除機組導軸承間隙與安裝質量的問題。

2.4 機組穩定性試驗

為了進一步分析機組的振動規律，排查可能原因，結合機組大修后試驗，特別邀請了電力科學研究院進行機組穩定性試驗，分別從2個方面進行綜合試驗：對不同轉速運行時機組的穩定性進行分析比較，判斷機組振動與機組轉速的相互關系及機組有無存在轉動部分機械質量不平衡現象；對不同勵磁電流運行時機組的穩定性進行分析比較，判斷機組振動與機組勵磁電流的相互關系及機組有無存在電磁力不平衡現象[2]。通過穩定性試驗進一步排除了機組機械質量不平衡和電磁力不平衡引起的擺度增大的原因。

2.5 機組運行擺度異常分析

導軸瓦擺度偏大對高轉速機組安全穩定運行十分不利，不僅容易造成機組導軸承各緊固部件松動，還會引起零部件或焊縫的疲勞，形成裂縫，甚至斷裂。振擺嚴重時可能會造成轉動部件與靜止部件之間產生劇烈摩擦、掃膛而損壞[3]。排除機組軸線、軸瓦間隙、電磁拉力、水力工況等主要原因后，針對機組擺度的變化情況進行分析。5號機未設置下導軸瓦，推力軸承為彈性油箱，擺度變化集中在聯軸法蘭處，長時間的運行該點擺度甚至超過0.9 mm，而上導和水導軸承均能穩定在0.3 mm以下，從現場檢查排查的情況看，這與上導、水導軸瓦間隙的調整值是合適的，導軸瓦沒有出現嚴重的安裝質量問題。

最后把檢查重點放在了推力油箱與主軸的密封處。推力油箱蓋板密封為迷宮環內嵌毛氈密封，該密封在大修期間都是重點檢查對象，毛氈經過修磨基本與迷宮環齊平，安裝后用塞尺實測間隙應不小于0.8 mm，且5號機組因密封間隙較大長時間有甩油和滲油的情況，原則上不會存在油箱蓋板密封與主軸接觸摩擦的情況[4]。下機架以下唯一一處接觸式密封結構為推力油箱集油盆與主軸的密封。該集油盆分瓣安裝在推力油箱下面，是為了搜集推力油箱的甩油而專門外部改造的。集油盆通過大小兩層擋油板的內徑直接與主軸接觸，并通過彈簧片和導板使擋油板隨大軸做徑向自由浮動，浮動的幅度為1 mm~2 mm，從而達到了防止大小擋油板抱軸而又有良好密封性的目的。其結構如圖2所示。

圖2 集油盆結構示意圖

當機組高速旋轉時，非金屬高分子復合材料制成的大小擋油板在彈簧片的調節下可跟隨軸擺動，并與軸保持同心運行，維持零間隙狀態，從而保持油、水的恒定密封。但是從實際運行檢查情況看，某一分瓣的大小擋油板在機組運行3 h后出現明顯的升溫變硬現象，用熱成像儀可以清楚分辨出來。受熱膨脹的大小擋油板與大軸直接接觸，間隙非常小，更進一步加劇了與主軸的摩擦，最終造成機組導軸承的擺度隨運行時間而不斷增大，而且在靠近該密封處的聯軸法蘭變化最為明顯。而當機組停機后，擋油板冷卻后各部擺度隨即恢復正常。

3 故障處理

3.1 集油盆接觸式密封拆除

解體集油盆并拆下接觸式密封的大小擋油板，發現導板后的不銹鋼彈簧片已存在不同程度的老化，導板動作不靈活，且該結構無法進行彈簧調整，經與廠家溝通，對集油盆接觸式密封進行了整體拆除。

開機后，密切關注機組運行狀態，基本運行平穩。上導、水導軸承擺度值穩定在0.10 mm~0.12 mm區間運行， 聯軸法蘭擺度穩定在0.32 mm~0.39 mm區間運行，與機組檢修前基本一致，運行狀況良好。

3.2 集油盆接觸式密封改造

對原有的集油盆進行重新設計改造，在保證原機架連接座板、回油組件不變的基礎上，增加連接板并在大軸上安裝固定甩油環，甩油環與集油盆采用梳齒式密封結構，并采用軸向安裝，在機組轉動離心力的作用下，能最大限度地防止油霧外泄[5]。整體結構如圖3所示。

圖3 集油盆改造后結構示意圖

4 結論

水輪發電機組運行時導軸承擺度異常時，一般都比較關注影響運行擺度的主要原因，如軸瓦間隙、水力不平衡因素等，而忽視了一些次要因素，致使機組運行擺度異常的分析有時不能及時準確的找到原因，從而造成大量的人力、物力的投入，影響可靠性運行。仔細分析導軸承擺度變化的趨勢，接觸式密封缺陷造成機組導軸承擺度異常所產生的現象還是有跡可循的，如冷態啟動運行擺度正常，隨著運行時長增加，接觸式密封膨脹造成擺度逐漸增大。建議高轉速水輪發電機組安裝時應重點檢查接觸式密封間隙及彈簧片，在挑選密封方式時在滿足要求的情況下宜選用非接觸式密封。