卧轴混流式水轮发电机组轴瓦温度高的原因分析及处理措施

卧轴混流式水轮发电机组轴瓦温度高的原因分析及处理措施

冉启福

重庆特优铭机电设备有限公司

摘要：本文介绍了四川某水电站卧轴混流式水轮发电机组投运后轴瓦温度高，无法正常运行，经过对机组进行了系统的分析并提出了解决方案，方案实施后，解决了该机组因轴瓦温度高而无法安全运行的问题，直接提高了该机组经济效益。

关键词：卧轴；混流式；水轮发电机组;三支点；轴瓦温度;原因分析；处理措施

１、概况

四川某水电站安装有三台卧轴混流水轮发电机组，水轮机型号为：HL160-WJ-74,发电机型号为：SFW2750-6/1730,机组额定转速：1000r/min,额定电压：6300V,电站设计水头１10米，为三支点机组，电机采用两个径向轴承，水机侧采用径向推力组合轴承，水机轴与电机轴采用刚性连接；电站三台机组采用一管三机，每台机设有一个电动蝶阀，每台机的尾水独立。

２、存在的问题

高水头、高转速混流式机组，其机组的轴瓦温度控制在一个安全可靠的范围属于重难点，而该电站的三台机组均属于此类型机组，三台机从安装投运以来轴瓦温度一直偏高，时常烧瓦，经过生产厂家技术人员及运行单位的技术专家多次处理，１#和２#机组的增加外循环辅助冷却润滑，机组的轴瓦温度可安全运行；而３#机组由于轴瓦温度不可控，一带负荷轴瓦温度就增长直至烧瓦，而温度高的轴承为径向推力组合轴承（主要承受轴向水推力），电机端两个轴承可正常运行。

３、原因分析

通过对生产厂家及运行单位相关技术人员交谈得知，３#机组水轮机端组合轴承的径向瓦和推力瓦在运行时温度都高，超过标准65度，有时温度在５５度左右，轴瓦就已经烧毁，有时径向瓦温度比推力瓦温度涨得快，有时反之。结合原水轮机机组的设计图纸及拆机后检查情况进行综合分析，其原因有如下几点：

3.1水轮机的原因

推力瓦温度涨得快，其主要原因就是由水轮机产生的推力负荷较大，推力负荷主要是由转轮的推力系数决定，另外水轮机结构不同，产生的附加水推力也是推力负荷的一部分。

a.转轮水推力：本机组原来采HL160系列转轮，其推力系数为K为0.24,转轮直径740mm，水头１１０米，其水推力为：

Ｐt=K*∏/4*D^2*H=0.24*3.14/4*0.74^2*110=11.35吨；

b.水轮机上冠下环漏水产生的附加力，原水轮机结构如下图:

由图上分析可知转轮上冠采用阶梯密封与梳齿密封，泄水孔减压；由于转轮特性原因，下环未设有密封，形成不了反向水推力，而上冠与前盖有足够大的作用力表积，试运行期间前盖显示压力为0.12Mpa,其产生的轴向水推力约为3.5吨。其主轴密封采用活塞密封，通过接入压力为0.3Mpa的清洁水推动活塞与抗磨板接触进行密封，其也会产生水推力，其水推力约为0.8吨。由水轮机产生总的轴向水推力负荷为11.35+3.5+0.8=16吨。

3.2水轮机组安装（轴线及轴承受力）影响

机组为三支点机组，通过现场拆机后观察，三个径向瓦受力不均匀，水机侧径向瓦靠近水机端有1/4基体未接触，其余部分接触点也不均匀，其推力瓦共计１２块，拆机后有２－３块有明显拉伤，有２块无接触点，剩余的瓦块接触接点也达不到标准要求。

水机轴颈的水平0.1mm/m，轴颈的跳动0.04mm，其轴线的水平和跳动均已超标，其转轮间隙经过测量，前、后盖间隙最大1.8mm,最小0.8mm,四周无磨擦，转轮拆除后检查无磨擦痕迹。但是转轮上冠下环及前后盖密封环都有打磨的痕迹。

3.3轴承结构的影响

轴承的结构如下图

3.3.1.径向瓦，径向瓦采用分体式双层组合轴瓦，合金瓦体与瓦座组合用止动螺栓限位，拆除后检查，发现瓦体与瓦座接合面有间隙，有铜棒敲击瓦体还有位移现象，结合维修单位工程师口述，每次盘车刮瓦其接触点是很好的符合标准，实际运行后，其接触情况完全不同，分析原因是瓦体太薄刚性太差变形所致，与瓦座接合面不好，导致轴瓦受力后，发生移位和变形。

3.3.2.推力瓦，推力瓦由12块组成，采用支柱螺栓支撑，其支柱螺栓直接固定在径向瓦座上，拆开后检查支柱螺栓与瓦座螺孔的配合情况，其配合精度较差有明显晃动，其支柱螺栓头部与推力瓦的支承孔配合间隙，轴瓦不灵活，不易形成油膜，容易造成烧瓦。又因原推力由12块组成，其瓦的受力面积大，瓦间距太小，经计算其润滑油温升较高，造成热损耗较大，瓦温升高。

3.3.3.油路循环及油路冷却，采用双叶轮供油，一叶轮供径向瓦，另一叶轮供推力瓦，两端面油罩底部设有吸油管，吸入油冷却器室底部的冷油，通过叶轮进入推力瓦及径向瓦，热油再次进入冷却器冷却。拆机后发现径向瓦叶轮及两个油罩有不同程度的损坏，底部吸油管处无密封垫，可能会造成油量不足，以及冷热油不能隔开，叶轮每次吸入热油，不能带走轴瓦产生的热量。

3.3.4.轴瓦的负荷，通过制造厂家提供的图纸资料对轴承受力进行了复核，其三个径向瓦的单位压力均在11kg/cm2 以内，推力瓦按实际的推力负荷16吨计算，其单位压力为16 kg/cm

2左右，其径向瓦的PV值在一个合理的范围内，推力瓦的PV值偏高，从而造成推力瓦温度高的主要原因。

4、处理方案及实施过程

4.1.水轮机，因为原水轮机的导水机构漏水严重，转轮经过多次改制，已经不能按原图修复，又因原转轮水推力系数较大以及水力附加水推力较大，造成综合推力负荷较大，与用户商量后，将导水机构（含前、后盖板），水轮机主轴，飞轮及连轴器返厂修复改制，转轮型号由原HL160-WJ-74改为HLJF1623－WJ－72的高效转轮，新转轮上冠仍采用阶梯与梳齿密封，下环新增阶梯密封，使之形成反向推力负荷，以减小正向推力，转轮中心仍设有泄水孔排水，前盖新增加前盖排水管，以减小前盖压力，降低推力负荷。主轴密封由活塞密封改为填料密封，消除了轴向推力负荷，其推力负荷主要为转轮的水推力，附加推力负荷基本清除，改制后的转轮其推力系数为K为0.23,转轮直径720mm，水头110米，其水推力为：

Ｐt=K*∏/4*D^2*H=0.23*3.14/4*0.72^2*110=10.3吨；

水轮机主轴返厂对轴颈位置、转轮连接位置及连轴器进行找正精修，确保水轮机轴与发电机轴连接其形位公差符合标。返厂飞轮及新做转轮均做了静平衡试验，减少机组因为不平衡而造成的振动。

4.2．组合轴承，轴承整体返厂，测绘原轴承相关尺寸，重新设计径向轴瓦、推力瓦、前后油罩及径向瓦打油叶轮，油冷却器拆除进行清洁并试压。

  径向轴瓦改为整体瓦，其中下半瓦设计成水冷瓦辅助冷却，轴瓦端面设计有高精度与推力瓦支柱螺钉相对应的支柱螺套，同时也加工了推力瓦供油通道，在每两块瓦中间设有喷油嘴，径向瓦瓦背与轴承座配合的支撑柱面，在厂内进研配修磨，其接触面积大于75%。

  推力瓦由原12块改为10块，根据推力盘尺寸将其推力瓦外径加大，内径减小，以增大推力瓦面积，新设计的推力瓦面积达106 cm2/块，对应其10.3吨的推力负荷，其单位压力仅为：9.7kg/ cm2，经过润滑计算，其PV值比较合理，推力瓦的温升合理。

4.3.安装调整

4.3.1.水轮机回装，按标准回装水轮机，调整导叶间隙，测量与调整导叶全开与全开值符合设计要求。

4.3.2.轴线调整，连接电轴与水机轴，返复调整两轴的同心度，两轴连接好后用百分表盘车检查组合轴承轴颈位置的跳动值小于0.02mm。以水轮机前后盖板内圆为基准粗调轴线的位置，通过移动轴承座及在轴承座底部进行增减调整垫片，使轴线与转轮室同轴度在0.2mm以内，同时测量其三个轴颈位置的水平，其测量结果为：发电机1#轴颈为位置水平值0.08mm/m，2#轴颈(飞轮侧)水平值0.06mm/m，两个轴承水平均是转子磁极侧低；水机轴颈位置水平值0.06mm/m，水轮侧高。

4.3.3.转轮安装，安装压紧转轮后，在推力瓦受力状态下，检查转轮与流道中心的轴向偏移量为1.8mm，转轮向尾水方向移动，盘车检查转轮上冠及下环的间隙值，设计为0.5-0.7mm，实际测量值为，盘车每隔90度测量一次，上冠间隙最小值为：0.5mm，最小值在上端，下环最小值为0.55mm,底部最小。此间隙符合设计安装要求。

4.3.4.轴瓦刮研及间隙调整，推力瓦安装前利用推力盘及研磨刮瓦，其接触面积达到75%以上，并且每平方厘米有2－3点，修好进油边。三个轴承径向瓦盘车研磨刮瓦，承载角65度左右，其接触面积达到75%以上，并且每平方厘米有2－3点，侧向瓦隙0.15－0.2mm深度100mm左右，顶隙：电机两轴瓦0.4mm，水机组合瓦0.35mm，瓦盖与瓦的间隙0－0.02mm，调整10块瓦受力一致。

4.3.4.复核并调整定转子气隙达设计及安装标准，同时复核调整定转子铁芯中心线。

4、修复试运行及运行结果

修复后按照充水，空转，空载及满载运行，其运行记录如下表：

5、结束语

改造整改的三号机组，通过72小时试运行检验，各轴瓦温得到了有效的控制并在标准范围内安全运行,最高温度在55度以内，解决了用户的后顾之忧。

通过本次的改造说明，卧式混流式机组轴瓦温度的处理，不能只从轴承本身进行处理，要从水力，设备结构，安装调整去全面分析处理，找到可能存在的问题并进行全面系统的处理。

参考文献：

1. 白延年.水轮发电机设计与计算，机械工业出版社，1982年。
2. 哈尔滨大电机研究所，水轮机设计手册，机械工业出版社，1976年。
3. 王玲花，水轮发电机组安装与检修，中国水利水电出版社，2012年。
4. 陈锡芳，水轮发电机结构运行监测与维修，中国水利水电出版社，2008年。