灯泡贯流式水轮发电机组径向轴承检修

范宗旺，张正杰，李琪飞，3

（1.青海益和检修安装有限公司，青海省西宁市 810000；2.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃省兰州市 730050；3.甘肃省流体机械及系统重点实验室，甘肃省兰州市 730050）

0 引言

从世界水电发展的趋势可以看出，低水头水电站建设的重要性正在日益增大。我国低水头水力资源十分丰富，贯流式水电机组正是开发低水头水力资源的良好机型。随着水电建设的发展，卧室布置的贯流式水轮机在低水头水电站中变得更加重要和更具竞争力。在贯流式机组中，由于灯泡式机组具有许多优点，发展尤为突出，占目前已生产的贯流式机组数量的80%。在德、法、瑞、奥、美、俄等欧美国家以及日本等国都达到了相当发展的程度[1]。直到近二十余年内，灯泡贯流式机组的设计、制造及发展在国内得以实现，国内设计制造的水平正处于不断地摸索和不断进步当中，机组运行的经验相对欠缺，造成近年投运的一些大型贯流机组不同程度地出现了一些问题。据调查[2]，国内设计制造的贯流式机组在运行初期都不同程度地存在诸如振动噪声大，漏水、漏油、漏气三漏，潮湿、通风条件差、又闷又热，检修困难、工作条件差等问题。机组运行状态的好坏直接关系到电站安全、经济地提供可靠、高质量的电力，所以保证水电机组稳定运行，及早发现机组所存在的问题是有重要意义的。

灯泡贯流式水轮发电机组径向轴承严重烧损是非常少见的事故，但由于机组灯泡体的空间过于狭小，在潮湿、闷热等恶劣环境下，给检修工作带来了难以想象的困难。在大型贯流式水轮机组的设计中法国的奈尔皮克公司采用增压式压缩空气冷却，极大地缓解了水轮机灯泡内部各发电机组及轴承的冷却问题[5-7]。轴承是水轮发电机组的关键性结构部件，其运行性能的优劣，直接影响机组运行可靠性的高低。轴承事故率在机组运行事故中占有较大的比重。究其原因，除了设计、制造质量水平低外，多数是由于检修、运行经验不足，处理调整不当造成。现有对灯泡贯流式水轮发电机组径向轴承修复方法大多都停留在初步探讨，实用性和普遍性尚待进一步验证，提供的专用工具体型大、过于沉重，根本体现不出现有工具在检修过程中的优越性。

2013年5月15日突降暴雨，造成该机组润滑油系统进水，进而发生一起发电机组径向轴承烧瓦事故。通过全程参与该事故的紧急检修，针对工具的不实用性、检修程序的详细介绍及重点和难点的分析，对检修工具进行相应设计和研究，保证正常检修有重要的意义。同时，为实现同类型电站发生机组润滑油系统进水的处理提供指导作用。

1 机组主要参数

该机组为卧轴灯泡贯流转桨式结构，水轮机和发电机共用一根主轴，两端分别与转轮和转子相连接。发电机组型号为SFG 40.75—48/5835，其他参数如表1所示。转动部分由2个导轴承支撑。发电机组被安置在灯泡体内，灯泡体成为水轮机流道的组成部分。机组的支撑采用管型座上、下两根支柱（上、下过人竖井）为主支撑，发电机组水平和垂直支撑为辅助支撑的方式。上、下支柱与混凝土为刚性连接，承受水推力产生的弯矩和发电机转矩。辅助支撑为弹性连接，主要承受灯泡体的重量、浮力和不平衡力以增加机组的稳定性，支撑设有允许滑动的球面。其径向轴承表面材料和正 、反推力轴瓦表面材料均为巴氏合金。

表1 机组的重要参数Tab. 1 Important parameter for unit

2 组合轴承的结构分析

该电站发电机组组合轴承是集镜板、正、反向推力轴承和径向轴承为一体，结构紧凑。正、反向推力轴承外形尺寸相同，材料均为普通巴氏合金瓦，正向推力轴承承受机组在运行时机组运转时的轴向水推力，反向推力轴承承受机组在停机过程中所产生的反向轴向水推力，并将承受的径向载荷通过瓦座、支撑环传递给电站基础。在正常运行时，润滑油由镜板进入摩擦面，充分润滑推力轴承，实现机组运行的可靠性、安全性。镜板为25号锻钢，与合缝板及筋板焊接而成，镜板分为正、反向推力两个工作面，合缝板将两瓣镜板把合成整圆套于主轴上，通过平键传递扭矩，为减小镜板旋转时的搅动损耗，镜板外缘装有围板进行防护，发电机组导轴承由导轴承壳和轴瓦等部件组成，为分半结构导轴承壳采用ZG20MnSi材质，轴瓦系钢衬外壳，内圆浇筑巴氏合金，导轴承壳与支持环用的是刚度高稳定性好的球面支承结构，可以大大提高机组的稳定性和可靠性，正常运行时，导轴承由外部供油润滑冷却。开停机过程中机组在低速区转动时，由高压给油装置供油润滑。正、反推力瓦测温电阻为内置式，电阻及其线缆布置在油槽内，采用特制接头与外部连接。

3 径向轴承的检修

灯泡贯流式发电机组的径向轴承采用调位轴承，能随轴的摆度自行调整，保证与轴颈有良好的接触，以避免偏磨，与推力轴承是密切地结合在一起，为了顺利检修径向轴承，首要任务是将组合轴承依次拆卸下来。检修的效益表现在投入、工期和质量等方面。应力求尽量减少人力、物力的投入；尽量缩短工期，同时要保证高质量，保证检修后的机组能长期安全、稳定的运行。

3.1 组合轴承拆卸

检修效益的取得离不开好的计划安排和严格的管理。在拆卸之前，准备好所需的工具，必要时做好记录的准备，拆卸方案如下所示：

（1）关闭进水口、尾水闸门，排空进水口、 尾水流道内的集水，紧接着关闭组合轴承供油总阀，排除轴承内润滑油，最后关闭调速器总供油阀。

（2）做好标记后，首先拆除与组合轴承相连的所有二次接线，依次拆除进入灯泡体竖井两侧所有妨碍设备吊装的一、二次电缆、 遮栏和油气水管路，检修人员进入爬梯，并拆除灯泡体内的检修平台及所有影响正推力油槽平移的部件。正式拆卸按下列步骤和方法进行：

（1）拆除灯泡体内主轴保护罩，因灯泡体内空间狭小，若放置在此严重影响后续工作开展，将其吊出灯泡体放置在运行层指定位置。

（2）用专用工器具将拆除正推力油箱与支撑环连接螺栓，水平位置左右各预留两个连接螺栓以防止意外发生。

（3）在主轴上敷设厚5.0mm的工业毛毡保护主轴。

（4）在灯泡体内专用平移轨道上安装自制正推力油槽平移小车，拆除所有预留连接螺栓；在下游侧利用两个1T手拉葫芦配合平移工具，缓慢地将正推力油槽转移至下游侧，离开距离达2800mm时将平移小车及正推力油槽可靠固定。

3.2 盘车检查及结果

将正推力瓦座转移至下游侧后，正常情况下，要求进行机组整体盘车。 盘车的目的有4个：

（1）检查机组轴线的倾斜和曲折情况。

（2）通过盘车测量各处的摆度值，用于分析和调整机组轴线。

（3）为导轴瓦间隙调整做准备。导轴瓦与轴颈之间的间隙，需根据机组轴线的实际情况来调整。导轴瓦间隙的调整工作，以最后一次轴线检查为依据。

（4）检查推力瓦的接触情况。

此次事故已将径向轴承严重损害，巴氏合金将主轴“抱死”，无法进行盘车作业。因此，会给后续设备的拆卸和回装带来诸多困难，检修工期也会因此延长。本次检修在对各种方法进行详细对比之后，选用以下方法进行拆卸：

（1）测量镜板与反推力座的距离，以了解检修前机组中心及受力状况，方便与检修后数据对照。

（2）拆除镜板保护罩，松开镜板分瓣连接螺栓，下半部镜板在管型座内利用两个3T手动葫芦与主轴安装位置可靠固定，在镜板垂直方向的管型座内焊接两个吊耳，利用两个3T手动葫芦将上半部镜板拆除，通过天车配合平移至竖井下游侧，放置在工业毛毡上，利用相同的方法拆除镜板下半部并平移至上半部所在位置与其组合，组合后的镜板平移至正推力油槽内防止镜板在此后的工作中受到伤害；镜板两面用工业毛毡制成圆面贴面加以保护，以防止工作中不小心发生碰撞损坏。

（3）在距离反推力座1500mm处利用下立柱受力，配合两个200t油压千斤顶和专用拖轴工具将主轴和转子顶起，根据实测的径向轴承上部间隙0.65mm，实际操作时将轴顶起了0.4mm，在转子上部和左右各架设一部百分表监视主轴顶起高度和左右偏移状况，顶起高度符合要求后，在专用拖轴工具和液压千斤顶之间设置楔子板，防止液压千斤顶泄露主轴降落压坏定子。

（4）利用自制拆装轴承工具配合10t机械千斤顶，将发电机组径向轴瓦整体平移出径向轴承座，在管型座处利用2个19T手拉葫芦吊住发电机组径向轴瓦下部，松开组合螺栓，在行车小钩上挂1个2T、2个1T手拉葫芦，经吊起换向后将上部轴瓦吊出灯泡体。

（5）将下部轴瓦转至主轴+Y处，和上部轴瓦同样的工艺下部轴瓦吊出灯泡体，经过以上分段拆卸，拆卸工作即告完成。

3.3 主轴修复

因径向轴瓦已严重烧损，造成主轴也受到较严重的损伤，特别是水润滑的橡胶导轴承其不锈钢段损伤严重，出现许多深沟。需对主轴进行修复，确保主轴的光洁度，还应对轴颈进行检查和处理。

（1）用刮刀轻刮去掉主轴上的块状巴氏合金，以便于研磨修复。用天然油石对主轴轴颈沿圆周方向进行带油碾磨，碾磨力度必须一致。用砂纸带油抛光到要求的光洁度。

（2）轴颈检查：用水润滑的橡胶瓦导轴承，单侧偏磨值在0.5mm以下为合格。

（3）轴颈处理：当轴颈偏磨超过允许值，要进行处理。可以使用皮带绕过大轴转动架可以绕轴做圆周运动，用固定在走刀架上的砂轮进行研磨处理。

3.4 备用瓦的处理

轴承的检查，必须在拆下后马上进行。这是因为根据巴氏合金的磨损、损伤的程度，必须要对备用的轴瓦进行加工，而轴瓦的珩磨需要很长时间。轴瓦进出油边的钨金在制造厂内刮好，在工地装配时轴瓦不再进行刮研。检查时必须注意下列几点：

（1）工作面的磨损、损伤及变色；轻微的磨损可以使用挂瓦的刀花磨掉，而严重的磨损可使巴氏合金磨薄，甚至在局部形成凹坑和沟槽，这就需要采用熔焊巴氏合金的方法进行修补。

（2）轴瓦与巴氏合金有无脱离的地方，用铜或木槌轻轻敲打，从声音即能判断出来。

（3）对扇形瓦来说要注意摩擦腐蚀。

3.5 径向轴承的装配

发电机组径向轴承的回装步骤全部按照拆卸的逆向顺序进行回装。将拆卸时的方法和步骤详细记录在案，回装时也就有了具体操作方式，简单易行。先把轴承体与顶盖支持面结合的盘根槽和法兰面清扫干净，把止水橡皮条接好，检查轴承坑内部并清洗杂物，同时还有以下注意事项：

（1）在对径向轴瓦进行装配时，对于瓦面要特别加以重视，瓦面应无脱壳、裂纹、硬点、砂眼等缺陷。检查径向轴瓦润滑油孔、高压油孔、测温孔螺纹。在瓦面经过经过镜板止口处，应铺垫玻璃丝板加以保护，防止刮伤瓦面。

（2）对镜板进行装配时，应首先安装带有键槽的分瓣镜板，找准镜板的安装位置，此次特别注意镜板镜面的粗糙度，通过测量机组启动摩擦系数来确定镜面粗糙度的变化情况。根据有关实验结果，轴瓦摩擦面在正常情况下的摩擦系数约为0.15～0.20，若所测数值远超过此范围，即证明镜板镜面的粗糙度增加了。需要按拟定的工艺对镜板镜面进行超级精磨或研磨，降低镜面粗糙度。

（3）更换所有组合面的橡胶盘根，并在所有组合面抹密封胶，并对轴承间隙进行测定及调整，以防止运行过程中漏油。

（4）轴瓦安装后，拆除安装的楔子板，缓慢松下落顶主轴的千斤顶，将转子重量转至发电机组径向轴承处，检查支撑垫背部与对应镜板的间隙为2.0～2.3mm，测量轴承间隙。

4 结束语

此次检修比较成功，机组修复后成功实现并网运行，各项参数皆与正常运行相同。本次检修工艺在相同类型的灯泡贯流式水轮发电机组具有较高的推广价值。当然，由于不同类型机组的结构不尽相同，其运行和维护工作有所差异，应根据不同情况区别对待。只有这样才能提高灯泡贯流式机组的安全运行水平。

[1] Borgwardt，Loren C.，Leonardson，Kenneth R.，Schuchard，Marvin E. CORNELL Hydro Station ：Five Years Experience with Tubular-Type Turbine-Generating Units.Proceedings of the American Power Conference，1983，45：1078-1084.

[2] 刘满宏.灯泡贯流式水轮机设计制造水平综述[J].东方电机，1994（1）：74-78.LIU Manhong. A review on thelevel of design andmanufacture in the flow-bulb hydro-generator[J].Dongfang Electrical Machine，1994（1）：74-78.

[3] Bathek. J.，Wilson E. J. Numerical methods in finite elment analysis[J]. Prentice-Hall，Inc.1976 .

[4] C.A.Felippa，K.C.Park. Staggered transient analysis procedures for coupled mechanical systems formulation[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1980.4.

[5] Wenfeng D U，Sun Z，Gao B，et al. Finite elment analysis of a cast-steel joint with three branches in tree-like structure[J].Journal of Building Structures，2014.