ALSTOM 机组推力轴承损坏原因及措施

2015-03-04魏玉国

防爆电机 2015年3期

魏玉国

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

推力轴承是水轮发电机机组的关键部件之一，承受水轮发电机组转动部分重量和全部水推力。三峡电站机组重量和水推力大，因而推力轴承负荷和尺寸大。三峡ALSTOM 发电机推力轴承采用双层轴瓦弹性柱销专利结构，瓦面材料为巴氏合金，其内、外径分别为3.5m 和5.2m［1］。这种推力轴承由推力瓦(薄瓦)和托瓦(厚瓦)两层之间布置了一系列直径不等的小支柱，在托瓦底部有一个小托盘，轴承瓦通过托盘支撑在一个长支柱上面，长支柱可以通过螺纹调整高程［2］。

三峡电站ALSTOM 机组推力轴承自机组投入运行以来运转良好，但也存在一些问题:镜板与推力头连接螺栓均有不同程度的松动，部分机组镜板与推力头合缝存在局部间隙及油流情况，镜板与推力头连接螺栓发生断裂情况，镜板与推力头结合面锈蚀较严重等［3，4］。

1 ALSTOM 机组推力轴承问题分析

1.1 镜板厚度不足

由于镜板较薄，机组运转时，镜板在24 块推力轴瓦的作用下，出现了周期性的波浪变形(这种现象可在机组盘车时，用百分表测量镜板表面证实)，推力头的刚性远大于镜板，因此当推力头与镜板结合面处于相邻两块推力瓦之间时，就出现缝隙，当结合面转至推力瓦面上部时缝隙就被压合，如图1 所示。

图1 推力头与镜板结合面周期性出现缝隙与压合放大示意图

当产生缝隙时油被吸入，同时在负压作用下，油中产生大量气穴现象。当缝隙被压合时，推力头与镜板结合面会产生气蚀破坏。气穴的产生、压缩、突然破裂的作用次数，在一个大修间隔内，可达兆次以上。这种气蚀作用，使镜板背面和推力头底面变的粗超，促使气穴更易于形成，加剧了气蚀的破坏作用。接触面的气蚀破坏是呈等高线型逐渐缩小的蚕食过程，最后完全被蚕食，即由接触受力面变为不受力面，继而使别的不受力面上升为接触受力面，接着它又遭受气蚀破坏，上述气蚀现象与三峡ALSTOM 机组推力轴承拆解后，结合面气蚀情况相吻合，说明了气蚀现象的存在，也证明了镜板厚度不足是产生推力头镜板把合面锈蚀的直接原因。

推力瓦圆周均布并支撑着整圆结构的镜板与推力头，当镜板旋转时，由于瓦和瓦间的作用力不同，所形成的巨大交变力，使镜板产生波浪变形，可见把合螺栓受该波浪变形的影响，承受交变载荷，如果镜板厚度不足，变形则较大，当镜板变形大于油膜厚度时，会对推力轴承性能会产生不良影响，甚至可能引起烧瓦事故。

镜板的设计要点是减小其变形，最有效的办法是增大镜板厚度值，三峡推力轴承最小油膜厚度计算值为0.029mm，镜板有害变形不能超过运行油膜厚度，镜板厚度取值范围见表1。

表1 镜板厚度取值范围数据表

以上数据是根据几十年已运行机组的经验和有关图纸，经统计、总结的设计规范。多年实践证明，按表1 选取镜板厚度可保证推力轴承安全稳定运行。

1.2 推力头与镜板结合螺栓选择不合理

推力头与镜板结合螺栓规格通常为M36，M42，M48，螺栓弦距为6 ～7 倍螺栓直径。合理选择螺栓规格，螺栓弦距可以避免出现螺栓断裂问题。

三峡右岸ALSTOM 与哈电联合制造机组，在镜板80mm 厚度下，将结合螺栓个数增多，结合螺栓个数增加1.5 倍，使每两个螺栓之间的距离变小，即增多控制镜板波浪变形的结点数，使镜板波浪变形的幅值减小，相应加在螺栓上的交变力也随之变小。目前小改结构在运行中并未出现螺栓断裂的问题。

三峡右岸VGS 与DFEM 镜板和推力头结构，镜板厚为140mm，结合螺栓为单排16-M30。该结构比ALSTOM 结构镜板厚度增加1.75 倍，相对28 块瓦，结合螺栓个数仍然偏少，按哈电设计规范，相邻两螺栓弦距在220 ～260 之间选取。三峡VGS镜板和推力头结构，运行以来没有不良现象的反馈，说明镜板波浪变形较小，使作用在螺栓上的交变力较小，因此，螺栓个数偏少但未出现问题。

龙滩发电机镜板和推力头结构。该电站是ALSTOM 与HEC 联合设计，镜板厚度为200mm，把合螺栓16-M30x 双排，结合面加装密封条，符合哈电设计规范，可保证长期安全运行。

三峡左岸ALSTOM 机组镜板结构数据，镜板厚度为80，运行一段时间就产生不良现象，其中5 号机镜板产生永久变形，平面度达0.3mm，在巨大的交变力作用下，由于推力头镜板结合螺栓个数少，螺栓规格较小，所产生的波浪变形较大，引起结合螺栓的交变载荷显现，造成螺栓因疲劳产生断裂，从而造成结合螺杆断裂事故。相似机组性能比较见表2。

表2 相似机组性能比较表

1.3 其他原因

镜板和推力头组合结构，还存在热应力引起镜板变形，会使结合面之间产生间隙，较薄镜板产生的间隙较大，较厚镜板产生的间隙较小，可见镜板应有适当的厚度，热应力影响同样要求镜板有足够的厚度和刚度。综上，产生推力头与镜板结合面锈蚀及螺栓断裂的主要原因

(1)镜板厚度薄，刚度弱。推力头与镜板结合面间周期性出现了缝隙和被压合的现象，导致镜板推力头结合面锈蚀及螺栓疲劳断裂。

(2)结合螺栓数量少，规格小，抗疲劳能力弱。

2 ALSTOM 机组推力轴承结构优化

为了消除三峡ALSTOM 机组推力轴承问题要从上述两方面着手处理，增加镜板厚度，增加结合螺栓数量或者增大螺纹规格，在镜板推力头结合面内外侧增加密封圈。同时根据电厂观测，推力头与镜板存在相对位移。螺杆断裂部位为与镜板连接段螺纹根部，断口整齐，其中断口上部约15mm 内有疑似挤压痕迹，检查其他螺栓孔发现，内圈螺栓孔及螺栓绝大部分有此痕迹，外圈螺栓孔无此现象。压痕位置一致，均位于俯视逆时针侧，怀疑螺杆有受到剪切应力的可能，因此决定在推力头与镜板结合面上安装径向销钉，为避免销钉在转动时飞出，销钉设计成“T”形，具体如图2所示。