金窝电站水导轴承烧瓦、烧轴事故原因浅析

王志勇，王 勇

（四川川投田湾河开发有限责任公司，四川 成都 610041）

1 概述

四川川投田湾河开发有限责任公司是亚洲冲击式机组装机容量最大的水电站，总装机容量760MW。梯级电站按“一库三级”进行梯级开发，自上而下依次为仁宗海水库电站、金窝水电站、大发水电站。前两级电站主机设备由东方电机厂设计制造生产，大发电站由哈尔滨电机厂设计制造生产。

金窝电站装有国内单机容量最大的冲击式水轮发电机组，容量为140 MW。水轮机型号为CJ610-L-263/6×24，发电机型号为SF140-16/5800，设计水头H=595 m，设计流量Q=27 m/s，额定转速n=375 r/min。水轮机导水系统采用六喷六折结构控制，水导轴承采用自润滑筒式瓦，瓦面为巴氏合金。

由于金窝、仁宗海电站水导轴承设计为筒式瓦，它不能自调节与振动较大轴系的充分接触，所以筒式瓦面局部位置存在受力过大的烧瓦现象，瓦隙随之逐年增加，机组振摆度加大。在2015年8月，金窝电站1号机组在切换负荷过程中，转轮室内传出巨大而沉闷的金属刮蹭声音，当机组带90 MW负荷以上时，水车室发出尖锐的补气鸣叫音，随后停机进行检查。

2 故障前机组运行工况

在2015年8月27日09：29前，机组带负荷38 MW，1号、4号喷针开度为53%，水导轴承X向摆度169 um，Y向摆度156 um，X向振动6 um，Y向振动6 um，Z向振动5 um，水导1号瓦温48.44℃，2号瓦温48.16℃，油温43.72℃，水导及各导轴承振摆、瓦温运行工况一切正常。

3 故障经过

1）在 2015 年 8 月 27 日 09：31 至 11：35，机组在切换负荷过程中，10次报5号喷针小波动随动故障动作；

2）机组出现不对称运行次数2次，一次是在2015年 8月 27 日 09：48至 09：52，1号喷针开度42%，4号喷针开度37%，5号喷针开度100%，另一次是在2015年8月27日11：27至11：32，1号喷针开度 100%，3号喷针开度 100%，4号喷针开度100%，5号喷针开度从零升至100%后再降到零，6号喷针开度100%；

3）从 2015 年 8 月 27 日 09：31 至 16：20，水导轴承1号瓦温维持在48.44℃左右运行，2号瓦温从48.16℃升至66.88℃，水导轴承出现单边受力过大现象；

4）从 2015 年 8 月 27 日 09：38 至 19：30，水导轴承X向振动从6 um升至212 um，Y向振动从6 um升至327 um，Z向振动从5 um升至27 um，振动值大幅度增加，详见图1《机组振摆趋势图》；

5）从 2015年8月27日23：30至 8月 30日 23:00，水导轴承X向摆度从169 um升至520 um，Y向摆度从156 um升至426 um，摆度值大幅度增加，详见图1。

图1 机组振摆趋势图

4 检查处理情况

在调取机组《调速器故障一览表》、《调速器状态一览表》、《喷针开度历史曲线》、《机组振摆趋势图》、《机组瓦温趋势图》及温度运行日志等多项监控数据分析，发现在机组转轮室内传出巨大而沉闷的金属刮蹭声过程中，机组振摆、瓦温值发生了急剧上升变化，机组带90 MW负荷以上时，水车室还发出尖锐的补气鸣叫音，随后停机进行检查处理。

1）更换调速器比例伺服阀后，5号喷针开关正常，不再报喷针小波动随动故障；

2）发现挡水桶与转轮缝隙之间充满融化的金属铁渣，大约50 kg，将铁渣清除，详见图2；

3）用工业内窥镜检查挡水桶与大轴法兰整圈间隙，通过拍摄视频能看见上端转轮连接螺母，因此判断大轴法兰磨损为整体贯通，详见图3；

4）水轮机大轴下法兰与挡水桶设计单边间隙为2.5 mm，实测值30 mm，200 mm厚的大轴下法兰整体磨损28 mm，法兰外沿磨损至与转轮联接螺母齐平，大轴法兰强度大大降低，可能出现转轮联接螺栓松动的重大安全风险。

5）水轮机大轴下法兰与转轮接触面减少，摩擦力降下，转轮在强大的水力冲击下，很可能发生相对旋转。

6）由于挡水桶与水轮机大轴下法兰间隙加大，补气量随之增加，机组在带90 MW负荷以上时，高流速的补气量在通过水导油槽梳齿密封盖与主轴狭窄的缝隙时，发出尖锐的补气鸣叫音。

7）由于转轮室补气量加大，水导油槽的油雾被吸入尾水，油位随之下降，需定时补油维持机组正常运行。

8）水导油槽内有巴氏合金瓦屑块，因此判断有烧瓦现象，测量水导瓦总间隙为0.65 mm，对比历史数据瓦隙增大0.15 mm。

9）清除瓦渣，排除污油，加注新油，经启动试运行，机组各轴承瓦温，振摆度基本恢复正常。

图2 水轮机大轴与挡水桶刮蹭磨出的铁渣

图3 磨损后的水轮机大轴下法兰

5 原因分析

（1）直接原因

机组在切换负荷过程中，调速器报5号喷针小波动随动故障动作，5号喷针开度不受给定负荷控制，造成调速器喷针不对称运行，强大的不平衡水力使水导轴承2号瓦方向受力过大而烧瓦。当瓦隙增大后，就发生了水轮机大轴下法兰与挡水桶内壁相互刮蹭而烧轴。

（2）间接原因

1）水导轴承设计为筒式瓦结构，随着运行时间的延长，瓦隙逐年加大，水导轴承不能承受主轴传来的径向负荷而使机组振摆在标准范围内运行。

2）挡水筒与水轮机大轴下法兰设计间隙为2.5 mm，设计值偏小，在除去加工误差和安装偏差后，实测值只有1.5 mm左右。当机组在低负荷单喷针运行或调整负荷不对称运行时，极易发生接触刮蹭，而烧轴。

6 防范措施

1）尽量定期安排对水轮机大轴及转轮进行检查；

2）机组尽量避免在低负荷和高负荷下运行，所带负荷在90 MW以下，采用三喷针或四喷针方式运行；

3）杜绝机组喷针不对称运行，或开度大小不一致不对称运行；

4）加强机组振摆度、瓦温及水导轴承油位等运行工况参数的监视，发现异常及时停机；

5）尽快联系东电厂家修复或购买水轮机大轴和挡水桶；

6）联系厂家是否可以将水轮机大轴下法兰与挡水桶间隙从设计值2.5 mm放大至4 mm；

7）将水导轴承筒式瓦技改为楔板式分块瓦，并在2016年汛前及时安排大修技术改造。

7 大修技术改造效果

（1）将循环水池与备用水池之间隔墙开凿一个直径1 000 mm的圆洞，使尾水与循环水池相贯通。当技术供水泵启动向机组供水后，转轮室的低温水源源不断的补入循环水池，致使机组供水总管水温下降9℃，机组各导轴承瓦温相应下降6℃，上导轴承瓦温一直偏高问题得以解决。

（2）挡水桶与水轮机大轴下法兰单边间隙从2.5 mm加大至4 mm，机组盘车旋转时，不再出现挂靠现象。机组在单喷针或切换负荷不对称运行时，出现水轮机大轴下法兰与挡水桶刮蹭的风险大大降低，烧轴问题得以根治。适当加大的间隙，并没有使补气量加大，水车室补气鸣叫音消失，水导轴承油位不再下降。

（3）将水导轴承筒式瓦技改为楔板式分块瓦后，安装、调整和检修更为方便。分块瓦可以根据轴系找摆情况，在设计范围内对每块瓦的间隙进行适当调整，从而在一定程度上补偿因轴系轴线不好带来的影响。分块瓦导轴承的每块瓦可绕支点产生一定的偏转，因此对运行时振动较大的轴系有一定的自适应能力，提高了轴承的运行的可靠性。机组大修技改完毕带满负荷试运行时，各导轴承振摆、瓦温明显下降，烧瓦问题得以根治。

（4）将水导轴承油温度计、油混水信号器、液位传感器等自动化元件由原先的投入式技改为插入式结构，将其从油槽内移出安装在油槽盖上。当自动化元件本体出现故障时，机组在不停机态下也可以进行更换处理，提高了机组的运行可靠性，水导轴承自动化元件技改安装图详见图4。

（5）由于原设计将水导轴承液位浮子信号器安装在靠近轴领侧，当机组旋转时，透平油受离心力作用向外甩，造成内侧油位极低，浮球落入底部而不能显示油位。大修时将液位浮子信号器移至安装在油槽盖外侧，垂直位置在冷却器顶部。在轴承支架其中一个翻油孔周向相隔120°位置焊接3根导向滑块，将浮球放入其中，然后加大浮球直径，减小浮球沉入透平油的深度，使其油位在发生较大变化时，也不与冷却器顶部接触，能正确显示油位变化，解决了水导轴承一直以来无油位显示的问题。

8 结语

由于大型的冲击式机组在我国装机数量还很少，金窝电站的烧瓦、烧轴现象，在同类型机组的鸭嘴河电站也同样发生过，此类机型存在共同设计缺陷。通过金窝电站成功的大修技术改造得出如下结论：对高水头、高转速的冲击式机组，由于自身存在水力不平衡，机组振摆度比其它机型偏大，所以水导轴承不宜采用两瓣组合式的刚性筒式瓦，最佳选择是楔板式的偏心非同心分块瓦，它可以很好地适应振摆度较大的轴系；其次，在设计转动部件与固定部件的最小间隙值时，特别是在远离导轴承的部位，应充分考虑设备制造偏差、设备安装误差、轴线垂直度和瓦隙大小等各项数据累积差值，不宜设计过小，以防发生刮蹭而烧瓦、烧轴。

[1]GB/T 8564-2003水轮发电机组安装技术规范[S].

[2]DL/T817-2002立式水轮发电机检修技术规程[S].

[3]林亚一.水轮发电机组的安装与检修[M].北京：中国水利水电出版社，2007.