水輪機導(dǎo)軸承故障分析與處理

水輪機導(dǎo)軸承故障分析與處理

1沖擊式水輪機發(fā)電機濟源南德瑞瓦圖水庫位于濟源群共和國，配備兩臺22.5mw動力發(fā)電系統(tǒng)。水輪機型號為CJA475-L-170/5X15.7,額定轉(zhuǎn)速428.75r/min,額定水頭324.3m,最大水頭331.46m,額定流量7.5m3/s,采用5噴嘴5折向器結(jié)構(gòu)。2軸瓦水導(dǎo)軸承控制斐濟南德瑞瓦圖項目采用稀油潤滑的旋轉(zhuǎn)油盆筒式軸承,軸承表面澆注巴氏合金。其結(jié)構(gòu)及油循環(huán)見圖1。從圖1中可以看出,斐濟項目水導(dǎo)軸承采用了典型的旋轉(zhuǎn)油盆+筒式瓦結(jié)構(gòu)。主要由軸承體1(含軸瓦)和旋轉(zhuǎn)油盆2組成。在軸承體1上鉆有4個徑向進油孔,對應(yīng)該油孔,軸瓦上有4條斜油槽,以便機組運行時集油。靜止時,軸瓦底部約100mm(約29%瓦高)浸在油中,浸油深度達到設(shè)計手冊要求。運行時,固定在主軸上的環(huán)形槽與主軸同步旋轉(zhuǎn)時,油在離心力的作用下形成油壓,經(jīng)軸承體上的進油孔進入軸瓦上的環(huán)形槽,沿軸瓦瓦面斜油槽向上流動,經(jīng)導(dǎo)軸瓦進油邊進入軸瓦與主軸間的間隙,在軸和軸瓦間形成油膜進行潤滑,同時油的流動帶走了軸瓦產(chǎn)生的熱量。上升的油經(jīng)上部軸瓦進入上油箱,經(jīng)擋油板5、冷卻器4油冷卻后,通過回油管3返回旋轉(zhuǎn)油盆2。該水導(dǎo)軸瓦內(nèi)徑為465mm,與主軸間兩側(cè)總間隙為0.18~0.33mm,軸瓦高度為350mm。水導(dǎo)軸承報警和停機設(shè)定值分別為:瓦65℃報警,70℃停機;軸承油溫為50℃報警,55℃停機。3水導(dǎo)軸承溫度過高原因分析水導(dǎo)軸承為水輪機重要部件,承受由主軸傳來的徑向力,保證機組的軸線位置,其工作好壞直接影響水輪機運行的可靠性,同時影響機組擺度、振動和軸承溫度(包括油溫、瓦溫)。水導(dǎo)軸承4噴嘴運行數(shù)據(jù)見表1。尤其是斐濟項目這種多噴嘴沖擊式機組,運行工況非常靈活,可以根據(jù)適應(yīng)水頭、電網(wǎng)負荷需求調(diào)整噴嘴運行數(shù)量及開度,盡量選擇在高效區(qū)域運行。但是,對于這種沖擊式機組,當1~4個噴嘴運行時,存在水推力不平衡,運行工況較差的情況,對機組的運行穩(wěn)定性、振動、擺動和軸承均不利。從圖2中可以看出,因為水推力不平衡,導(dǎo)致水導(dǎo)軸承瓦溫、油溫均不平衡,瓦溫最高最低溫差達8.61℃,油溫不平衡達6.96℃,尤其是4噴嘴運行時,工況最為惡劣。從圖2中可以看出,4噴嘴運行時水導(dǎo)軸承瓦溫和油溫最高,甚至出現(xiàn)瓦溫短時間內(nèi)急劇上升、油溫達到55℃、瓦溫67.11℃停機事故的發(fā)生。機組4噴嘴和5噴嘴運行時瓦溫油溫曲線見圖2。因斐濟項目水導(dǎo)軸承在當?shù)乩鋮s水水溫較低時(22℃)油溫、瓦溫均較高,無法保證夏季冷卻水溫升高時機組的安全運行,尤其是4噴嘴無法長期運行,致使機組無法適應(yīng)全工況運行,嚴重制約機組根據(jù)電網(wǎng)負荷要求、庫區(qū)來水量靈活選擇運行區(qū)域功能。為徹底解決水導(dǎo)軸承溫度過高問題,必須對可能因素進行分析,找出對應(yīng)解決方案,保障機組設(shè)計運行區(qū)域和可靠性。通過對機組4個噴嘴運行和5個噴嘴運行溫度進行分析,水導(dǎo)軸承瓦溫、油溫偏高可能的因素有:(1)冷卻水流量不足。冷卻水流量不足,潤滑油不能充分冷卻,導(dǎo)致油溫和瓦溫偏高。4個、5個噴嘴運行時,油溫、瓦溫均較高,此因素可能性較大。(2)冷卻器選型偏小。冷卻器容量不足也會導(dǎo)致潤滑油不能充分冷卻,無法有效的降低軸承的油溫、瓦溫。(3)水推力嚴重不平衡,軸承承受的負荷大于設(shè)計值。軸瓦間隙太小,導(dǎo)致軸承產(chǎn)生的熱量較設(shè)計值大,冷卻器容量無法帶走超出設(shè)計值的熱量,造成油溫、瓦溫較高。(4)軸承油循環(huán)通道不暢或油路有短路現(xiàn)象,導(dǎo)致冷卻器未充分利用,這一因素可能性也較大,在軸承問題中屬常見因素。(5)水導(dǎo)軸承螺栓松動。因機組運行時水導(dǎo)軸承承受周期性作用力,軸承座和軸瓦均有可能松動,水導(dǎo)軸承受力發(fā)生變化,影響軸承瓦溫和油溫。(6)自動化元件測量不準確、故障,導(dǎo)致顯示錯誤,發(fā)出錯誤信息。4噴嘴運行工況(1)冷卻水流量檢查。采用測量精度為1%的超聲波流量計對冷卻水流量進行測量,測量結(jié)果顯示流量達到或接近設(shè)計值,故冷卻水流量不足因素可以排除。(2)增加冷卻器容量。因斐濟項目水導(dǎo)軸承油槽尺寸較小,油槽內(nèi)無空間加大冷卻器,若要增加冷卻器容量,則冷卻器尺寸勢必加大,只能采用外循環(huán)方式或改變油槽尺寸。這兩種處理方式均較復(fù)雜,改動較大,所用時間較長。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,暫不采用增加冷卻器容量方案。(3)復(fù)核水推力不平衡值。根據(jù)廠家復(fù)核計算,水推力不平衡值、軸承負荷均小于設(shè)計值,故此因素應(yīng)該不是導(dǎo)致油溫升高停機的因素。但因4噴嘴運行時水推力不平衡值遠大于5噴嘴運行值,故4噴嘴運行時瓦溫、油溫最大值高于5噴嘴運行工況,屬正?，F(xiàn)象。(4)增大軸瓦間隙,降低軸瓦高度。軸承產(chǎn)生的熱量與軸承間隙成反比,與軸瓦高度成正比,故增大軸瓦間隙、降低軸瓦高度可以降低發(fā)熱量。但增加軸瓦與主軸間的間隙時,上述公式中的偏心系數(shù)K將隨軸承間隙的增加而增加,從而導(dǎo)致發(fā)熱量增加,且若采用增加軸瓦間隙的方案,根據(jù)現(xiàn)場情況,只能通過手工刮瓦的方式,但軸瓦刮后無法準確測量軸瓦圓度和接觸面積,無法保證軸瓦刮削后的精度,故現(xiàn)場未首先采取刮瓦方案。(5)檢查水導(dǎo)軸承螺栓是否松動。經(jīng)檢查,螺栓并無松動,該因素可以排除。(6)自動化元件檢查。現(xiàn)場對所有的自動化元件、接線進行了檢查,發(fā)現(xiàn)自動化元件測量準確,說明水導(dǎo)軸承瓦溫、油溫過高是事實,非誤報。(7)解決油循環(huán)。根據(jù)機組運行時觀察到的情況,斐濟項目水導(dǎo)軸承油溫、瓦溫過高很可能是由于油循環(huán)不暢或油路短路造成,現(xiàn)場處理的重點應(yīng)放在改進油路循環(huán)上。從水導(dǎo)軸承裝配圖中可以看出,靜止時,上油槽油位與溢油板高程基本齊平;當機組運行時,旋轉(zhuǎn)油槽中的油將進入上油槽,上部油槽油位將高于擋油板,造成油路堵塞。在打開水導(dǎo)軸承檢查時,發(fā)現(xiàn)擋油板圓環(huán)5中有6個直徑約40mm的孔,這樣,部分經(jīng)軸承的熱油就直接從這部分圓孔回到上油槽冷油區(qū)而未經(jīng)過冷卻器冷卻,如圖3中所示的油路1。同時,經(jīng)擋油板5的熱油中有部分熱油也未完全經(jīng)冷卻器冷卻,經(jīng)部分冷卻后,直接到達冷油區(qū),如圖3中所示的油路2。根據(jù)上述情況,分別采取了相應(yīng)措施。對于上油槽油位設(shè)定太高的問題,經(jīng)制造商復(fù)核,將上油槽油位降低了30mm,保證了經(jīng)擋油板流入上油槽的油不擁堵,油路暢通。對于油路1,在擋油板5上焊接套管,套管高度為30mm,在擋油板上部焊接外徑為50mm的鋼管并采用封焊形式,以確保從軸瓦出來的熱油不再走油路1,而是完全流入冷卻器進行冷卻。對于油路2,在冷卻器內(nèi)側(cè)加裝擋油板7(圖4),以保證所有熱油只能按照圖1所示的油路流動,以保證所有的熱油經(jīng)冷卻器充分冷卻。同時,為保證冷油有足夠的空間經(jīng)回油管3回到轉(zhuǎn)動油盆2,將擋油管6去除。處理后的油槽結(jié)構(gòu)和油路如圖4所示。處理后,水導(dǎo)軸承4噴嘴運行參數(shù)見表2。5降低了瓦溫度從表1、2的數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)過處理,斐濟項目水導(dǎo)軸承油溫大幅降低,降