一起水輪發(fā)電機組導(dǎo)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(fā)電機組。機組結(jié)構(gòu)為立軸半傘型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軸承設(shè)有上導(dǎo)、水導(dǎo)軸承，無下導(dǎo)軸承，推力軸承位于轉(zhuǎn)子下部，推力油箱為彈性支撐結(jié)構(gòu)。機組主軸軸向由機組上端軸、轉(zhuǎn)子支架中心體、發(fā)電機軸、聯(lián)軸法蘭和水輪機軸組成，徑向由發(fā)電機上導(dǎo)軸承和水輪機導(dǎo)軸承支撐。

2017年12月該機組大修復(fù)役后出現(xiàn)導(dǎo)軸承擺度異常的情況，期間經(jīng)過多次停機檢查和試驗，始終未能發(fā)現(xiàn)緊固部件、旋轉(zhuǎn)部件和導(dǎo)軸承的異常。

1 事件經(jīng)過

5號機組大修復(fù)役后，機組連續(xù)運行過程中發(fā)“5號機X+、Y+水導(dǎo)擺度報警動作”信號，現(xiàn)場值守人員進行擺度實測并對照機組狀態(tài)監(jiān)測裝置的運行情況和歷史數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場實測水導(dǎo)擺度約0.2 mm與狀態(tài)監(jiān)測測量的水導(dǎo)擺度0.23 mm接近，隨后上機架振動、上導(dǎo)和大軸聯(lián)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(jīng)各專業(yè)初步檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常后進行試運行，機組各處振動擺度恢復(fù)正常，水導(dǎo)擺度實測0.12 mm符合規(guī)程標準。在隨后一段時間的跟蹤監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，上機架、上導(dǎo)、水導(dǎo)和聯(lián)軸法蘭處的振動及擺度隨著機組發(fā)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(xù)運行5 h后水導(dǎo)擺度增大約兩倍，從正常運行時的0.12 mm到0.27 mm，最后穩(wěn)定在0.3 mm附近。聯(lián)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(wěn)定在正常范圍，未有明顯上升趨勢，而且在機組停機冷態(tài)后重新投入運行擺度都會恢復(fù)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(xiàn)場排查及原因分析

2.1 狀態(tài)監(jiān)測裝置排查

在出現(xiàn)異常后，對5號機組狀態(tài)監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)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(zhuǎn)輪葉片損壞、尾水管內(nèi)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(wěn)定一般會首先體現(xiàn)在水導(dǎo)擺度的變化上[1]。查看機組運行工況，5號機組始終在穩(wěn)定工況下運行，現(xiàn)場檢查尾水管處噪聲無異常，大軸補氣聲音平穩(wěn)，尾水管壓力脈動監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，通過大范圍的調(diào)整導(dǎo)葉開度進行振動區(qū)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(shù)據(jù)檢查及導(dǎo)軸承間隙的排查

由于5號機組剛經(jīng)過大修且水導(dǎo)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(dǎo)軸承軸瓦間隙因安裝原因發(fā)生變化。所以對機組盤車數(shù)據(jù)進行復(fù)核：檢查聯(lián)軸法蘭合縫面間隙符合檢修規(guī)范要求；機組盤車過程數(shù)據(jù)，在聯(lián)軸法蘭處監(jiān)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(guī)范及檢修要求；檢查機組盤車數(shù)據(jù)，水導(dǎo)軸承處絕對擺度0.15 mm，上導(dǎo)軸承最大相對擺度0.05 mm/m，水導(dǎo)軸承最大相對擺度0.02 mm/m，均符合檢修規(guī)范要求。基本可以排除機組盤車數(shù)據(jù)不符合要求的問題。

進一步對導(dǎo)軸瓦間隙和安裝質(zhì)量進行檢查，上導(dǎo)軸承為分塊巴氏合金瓦，軸瓦單側(cè)設(shè)計間隙0.10 mm~0.15 mm，總間隙按照 0.20 mm調(diào)整，單側(cè)間隙根據(jù)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(dǎo)瓦為桶式線性結(jié)構(gòu)巴氏合金瓦，總間隙也是按照盤車記錄進行調(diào)整，實測總間隙約為0.20 mm，無太大變化，水導(dǎo)瓦面內(nèi)徑檢查、軸承座（螺栓）及上下端面焊接區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，符合檢修規(guī)范要求。排除機組導(dǎo)軸承間隙與安裝質(zhì)量的問題。

2.4 機組穩(wěn)定性試驗

為了進一步分析機組的振動規(guī)律，排查可能原因，結(jié)合機組大修后試驗，特別邀請了電力科學(xué)研究院進行機組穩(wěn)定性試驗，分別從2個方面進行綜合試驗：對不同轉(zhuǎn)速運行時機組的穩(wěn)定性進行分析比較，判斷機組振動與機組轉(zhuǎn)速的相互關(guān)系及機組有無存在轉(zhuǎn)動部分機械質(zhì)量不平衡現(xiàn)象；對不同勵磁電流運行時機組的穩(wěn)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(guān)系及機組有無存在電磁力不平衡現(xiàn)象[2]。通過穩(wěn)定性試驗進一步排除了機組機械質(zhì)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(dǎo)軸瓦擺度偏大對高轉(zhuǎn)速機組安全穩(wěn)定運行十分不利，不僅容易造成機組導(dǎo)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(zhuǎn)動部件與靜止部件之間產(chǎn)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(shè)置下導(dǎo)軸瓦，推力軸承為彈性油箱，擺度變化集中在聯(lián)軸法蘭處，長時間的運行該點擺度甚至超過0.9 mm，而上導(dǎo)和水導(dǎo)軸承均能穩(wěn)定在0.3 mm以下，從現(xiàn)場檢查排查的情況看，這與上導(dǎo)、水導(dǎo)軸瓦間隙的調(diào)整值是合適的，導(dǎo)軸瓦沒有出現(xiàn)嚴重的安裝質(zhì)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(huán)內(nèi)嵌毛氈密封，該密封在大修期間都是重點檢查對象，毛氈經(jīng)過修磨基本與迷宮環(huán)齊平，安裝后用塞尺實測間隙應(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)徑直接與主軸接觸，并通過彈簧片和導(dǎo)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集油盆結(jié)構(gòu)示意圖

當機組高速旋轉(zhuǎn)時，非金屬高分子復(fù)合材料制成的大小擋油板在彈簧片的調(diào)節(jié)下可跟隨軸擺動，并與軸保持同心運行，維持零間隙狀態(tài)，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(xiàn)明顯的升溫變硬現(xiàn)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(dǎo)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(lián)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(fù)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(fā)現(xiàn)導(dǎo)板后的不銹鋼彈簧片已存在不同程度的老化，導(dǎo)板動作不靈活，且該結(jié)構(gòu)無法進行彈簧調(diào)整，經(jīng)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(guān)注機組運行狀態(tài)，基本運行平穩(wěn)。上導(dǎo)、水導(dǎo)軸承擺度值穩(wěn)定在0.10 mm~0.12 mm區(qū)間運行， 聯(lián)軸法蘭擺度穩(wěn)定在0.32 mm~0.39 mm區(qū)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(shè)計改造，在保證原機架連接座板、回油組件不變的基礎(chǔ)上，增加連接板并在大軸上安裝固定甩油環(huán)，甩油環(huán)與集油盆采用梳齒式密封結(jié)構(gòu)，并采用軸向安裝，在機組轉(zhuǎn)動離心力的作用下，能最大限度地防止油霧外泄[5]。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 集油盆改造后結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

水輪發(fā)電機組運行時導(dǎo)軸承擺度異常時，一般都比較關(guān)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(dǎo)軸承擺度變化的趨勢，接觸式密封缺陷造成機組導(dǎo)軸承擺度異常所產(chǎn)生的現(xiàn)象還是有跡可循的，如冷態(tài)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(zhuǎn)速水輪發(fā)電機組安裝時應(yīng)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。