山美水电站3号机水导轴承异常振动原因分析及处理

林美香

（泉州市山美水库管理处，福建 泉州 362000）

山美水电站3号机水导轴承异常振动原因分析及处理

林美香

（泉州市山美水库管理处，福建 泉州 362000）

介绍泉州市山美电站3号机组2015年增效扩容改造过程中，在试运行时水导轴承出现异常振动的原因排查、分析及对机组相关部位进行处理，并对水导轴承进行了结构改造的过程。成功解决了该机组设计制造时遗留的缺陷，可为水轮机水导轴承出现类似情况的处理及改造提供一个较为成功的实践经验。

分块瓦式水导轴承；异常振动；振动原因排查处理；水导结构改造

1 引言

泉州市山美水电站3号机组于1996年12月建成投产，原机组出力30 MW。机组型式为立轴混流式水轮发电机组，机组转速为166.7 r/min。2014年11月开始，3号机组进行增效扩容改造，机组出力增大至33 MW，2015年8月基本安装完成，2015年11月通过启动验收，投入运行。改造前原水导轴承为分半筒式结构，橡胶瓦水润滑方式。此次技改，考虑到分半筒式轴承重量较重，安装和检修存在一定困难，所以此次改造采用分块瓦式结构，导轴承由6块分块式塑料瓦构成，仍然采用水润滑形式，如图1所示：

2015年8月15日，改造完成进行试运行试验时，当机组在额定转速空转试运行中，发现水导处大轴摆度较大，经过几个小时的运转，机组摆度持续增大，水导轴承座、水箱处测量振动值不断加剧，测量数据如表1：

表1 水导轴承处测得摆度及振动值

可见，机组空转试运行的参数状况大幅超出规范标准，机组无法继续试运行，需分析振动原因并做出处理。

2 振动原因排查

（1）由于机组摆度变化幅度较大，首先判断可能是机组轴线发生变化。停机后，对机组轴线进行重新盘车测量，校核轴线摆度。盘车结果如表2：

图1 水导轴承结构图

表2 校核盘车数据

对照安装时机组盘车记录数据，基本没有变动，说明安装时机组轴线调整合格，运行后没有变动，可排除因轴线变动引起的振动。

（2）拆解水导轴承，对轴承各部件进行检查。测量水导瓦总间隙，达到0.70 mm左右（安装时调瓦总间隙为0.40 mm），取出瓦块，发现瓦块背面抗压圆垫板和支柱螺栓球头都有明显的压痕，如图2所示。造成损伤的原因是厂家在加工完圆垫片和支柱螺栓后未按技术要求做淬火处理，材料表面硬度不够，运转时在大轴振摆力的作用下表面产生压痕，使瓦间间隙变大，这是造成机组主轴摆度变大的原因之一。

图2 顶瓦螺栓球头损伤照片

（3）2015年9月份，经多次空转试验，因机组上、下、水导三道轴承都存在额定转速下摆度过大现象，而校核盘车数据又符合要求。厂家等技术部门判断机组转动部件存在不平衡问题，决定请华中科技大学对机组转动部件进行动平衡试验。试验数据表明机组摆度跟机组转速成正比，试验单位分析确认转子装配存在重量不平衡，引起机组各道轴承摆度增大，是造成水导轴承振动的重要原因。

（4）通过转子动平衡试验，对转子进行平衡配重，处理后机组摆度有所下降，上导、下导和水导轴承处主轴摆度下降到规范允许值，上导、下导轴承支架上测得的振动值也相应下降到了规范允许值。但水导处轴承座振动值没有明显下降，并且随着机组工况的改变，摆度和振动值也有较大幅度的改变。特别是水导轴承座，在机组带负荷运行一段时间后，振动值持继增大，最终达到双幅0.72 mm，机组无法继续运行。机组停机后拆解水导轴承座后发现，轴承座与顶盖的联接螺栓断裂了2支，可见振动的剧烈程度。由于经过转子动平衡处理，只有水导轴承座的振动值未有明显减小，据此分析，有可能是水导轴承座结构强度不足，引起了轴承座整体振动，在振摆力及剪切应力的作用下，联接螺栓发生断裂。

如图1所示，3号机水导轴承座设计为分块瓦结构，轴承整体由瓦座、水箱、主轴密封及附件组成。由图1可以看出，瓦座与水箱为分体结构，各自独立通过同一支M22螺栓固定在顶盖上。由于水导瓦支持座的钢板厚度仅有30 mm，且与水箱为各自独立结构，未能形成整体受力结构，导致整个轴承座径向支撑力不足，在大轴径向振摆力的作用下，整个轴承座产生较大的振动，这也是水导轴承产生振动的另一个重要原因。

3 处理方法及过程

针对上文对振动原因的分析排查，对可能造成水导轴承振动的疑点，逐条进行整改处理。

（1）首先，查对图纸，水导轴承瓦背抗压圆垫片材质为锻30Cr，顶瓦支柱螺栓材质30Cr，材质强度不足，且两个零件加工后没有按要求经过淬火处理，表面硬度不够，受力后表面产生凹痕，造成轴承瓦间间隙变大，是造成主轴摆度持续变大的主要原因。经过与厂家交涉，厂家重新加工了一套顶瓦螺栓和圆垫片，材质采用40Cr，并按技术要求经过淬火处理，保证其有足够的强度和表面硬度。

（2）根据机组转动部件动平衡试验的数据，在转子支架的相应方位焊接了配重块，机组转动部分的动平衡有了很大的改善，机组在额定转速下测得的三道轴承摆度都与盘车的数据基本吻合，机组运行中主轴摆度过大的缺陷得到了有效的消除。

（3）通过以上对振动原因的分析和排查，可知水导轴承座的结构存在较大的缺陷，轴承支持环的强度不足，是造成水导轴承异常振动的另一重要原因。针对轴承座的结构缺陷，经过和厂家探讨，对轴承座做了以下的改造：

1）对瓦座支持环和水箱结构进行改造，将瓦座支持环和水箱做成整体结构，如图3所示，水箱壁与瓦座支持环由同一块钢板构成，提高了整个轴承座的整体强度，并且瓦座支持环采用70 mm厚钢板加工而成，保证轴承有足够的径向支撑力。

图3 改造后水导轴承结构图

2）在水箱和瓦座圆周外侧加焊4条竖向加强筋板，进一步加强了轴承座的整体强度。

3）将轴承座与顶盖的联接螺栓更换成高强度材质的螺栓，在轴承基座与顶盖的把合面，沿圆周方向另外钻铰4支Φ25锥销，除了起到定位作用外，也增强了轴承整体对机组振动时产生剪切应力的抵抗作用。

4 处理后效果

2016年3月份，经过改造后的水导轴承顺利安装就位，根据技术要求，安装水导轴承的同时对上导轴承、下导轴承瓦间隙重新分配调整。随后机组进行试运行，经过空转、带额定负荷等几种工况的试验，在额定负荷下机组各部测得的主轴摆度及振动值如表3、表4：

表3 处理后机组主轴摆度测量记录表

表4 处理后机组各部位振动测量值

从测量数据可以看出，经过一系列针对振动原因所做的处理和改造，效果显著，运行时各部的振动值和主轴摆度值均在规范允许范围内，机组的不正常振动，特别是水导轴承的异常振动得到了有效处理。3号机水导轴承改造后投入运行已3个多月，各项运行指标平稳正常，未再出现异常振动现象，说明本次异常振动故障的原因排查准确，处理及改造方法科学有效，不失为一次成功的实践经验。

5 结语

山美电站3号机组用水润滑分块瓦结构的水导轴承代替原分半筒式的的水导轴承，分块瓦结构具有结构简单，安装、检修方便的优点。但作为一种新的尝试，在设计、制造方面还存在一些不足。本次水导轴承异常振动的原因分析及有针对性处理、结构改造的经验介绍，整个分析处理过程科学合理，处理效果良好，作为一次成功的实践经验，可为今后水电站技改出现的类似问题的处理提供一定的借鉴和参考。

［1］单文培，黄少敏.水轮发电机组安装与检修［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］GB/T8564-2003水轮发电机组安装技术规范［S］.水利电力出版社，2004.

［3］郑 源，陈德新.水轮机［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

TV734.2

B

1672-5387（2016）10-0057-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.017

2016-05-31

林美香（1973-），女，工程师，从事水电站运行及技术管理工作。