水力不平衡引起水轮发电机组导轴承瓦温异常的分析

曾正奇，徐云龙

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

由于水轮发电机组运行方式转换迅速、灵活，使得水电站具有很好的调峰、调频能力。在不同的工况条件下运行，会对水轮发电机组的导轴承系统造成不同程度的影响，从而影响轴瓦温度。水轮发电机组导轴承是水轮发电机轴承的重要原件，其主要承受机组转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平衡力，维持机组主轴在轴承间隙范围内稳定运行。某大型水力发电厂水导轴承采用稀油润滑分块瓦结构，热油经外循环油泵抽出加压并通过冷却器冷却后，再对轴瓦进行润滑冷却，多次出现水导瓦温异常升高的现象，通过对事件的原因分析可以为水导瓦温异常时提供借鉴意义。

1 水导瓦温异常升高现象

1.1 2020 年5 月20 日18 号机组水导瓦温异常升高

2020 年5 月20 7:02 18 号机组开机至并网；13:30 运行人员监屏发现18 号机组负荷630 MW，水导3 号、4 号瓦温分别升至63.5℃及65.1℃，现场检查现地显示水导瓦温为64.9℃、62.8℃。趋势分析显示18 号机组水导油槽油位、水导油流量、水导冷却水流量无明显变化，水导轴承摆度峰值，顶盖压力脉动峰值未达到报警值；14:00 18 号机组停机备用，停机过程中出现水导1 号、2 号瓦温急剧上升，3号、4 号瓦温急剧下降现象。停机后经检查发现18号机组21 号导叶操作机构双连板脱落。

1.2 2020 年8 月11 日1 号机组水导瓦温异常升高

2020 年8 月11 日17:00 至19:00，1 号 机 组 进行负荷调整，负荷由700 MW 降至610 MW 运行，水导1 号、4 号瓦温急剧上升；2 号、3 号瓦温急剧下降；负荷调整回700 MW 后，水导1 号、4 号瓦温下降至负荷调整前状态后保持下降趋势；2 号、3 号瓦温上升至负荷调整前状态后保持上升趋势，到2020 年8月14 日恢复正常。期间1 号机组水导油槽油位、水导油流量、水导冷却水流量无明显异常变化，水导轴承摆度峰值，顶盖压力脉动峰值未达到报警值。

2 水导瓦温异常升高原因分析

2.1 水导轴承瓦温影响因素

水导轴承瓦温升高与否取决于大轴与油摩擦产生的热量、油热传导至轴瓦的热量、润滑油与冷却水热交换消除的热量三者的热量传导是否处于平衡状态。正常情况下，三者的传热量是平衡的，瓦温和油温能维持在正常范围小幅波动。

上述2 次水导轴承瓦温异常升高，存在水导部分瓦面瓦温明显上升，部分瓦面瓦温明显下降或无上升趋势，而水导油槽油位、水导油流量、水导冷却水流量无明显异常变化现象。若是冷却系统或者润滑油回油出现异常，油温应该处于明显的上升趋势，并且所有水导瓦温应该都有大致一样的上升趋势，与实际现象不符，说明不是水导冷却系统导致的瓦温异常；若是润滑油油质、油位出现异常，导致油热传导至轴瓦的热量变化，所有水导瓦温应该有同样的上升趋势，与实际现象不符；若是某块轴瓦瓦面磨损，导致此轴瓦瓦温升高，则此轴瓦瓦温应该在上升后一直处于高温状态而不会下降，与实际现象不符，说明不是轴瓦与润滑油热传导的原因。瓦温异常升高的根本原因应是大轴与油摩擦产生的局部热量增多了，是某种原因使主轴振动变大了，且大轴偏心距增加，局部油膜间隙变小，导致大轴与油膜局部摩擦加剧，油膜间隙变小也会使得沿大轴径向方向油膜热对流热量降低，使得轴瓦瓦面温度上升。

水轮发电机组大轴振动变大，轴心偏心距增加的原因主要包括机械不平衡、电磁不平衡、水力不平衡三方面，其中水力不平衡最常见也是最主要的因素。空腔气蚀、卡门涡列、导水机构和过流部件由于制造偏差或卡阻损坏引起水流不平衡，都会造成水轮机水力不平衡。

图1 水导轴承偏心示意图

2.2 2020 年5 月20 日18 号机组水导瓦温异常升高原因分析

如图2 所示，通过对水导瓦温回顾分析，5 月20日故障发生时，18 号机组2 号瓦温与油温的温差在0℃波动，而4 号瓦温从开机后一直保持20℃。停机后经检查发现18 号机组21 号导叶操作机构双连板脱落，重新安装并紧固双连板后，5 月21 日，18 号机组开机并网运行，水导瓦温恢复正常，说明瓦温异常的直接原因是导叶操作机构双连板脱落。而恢复正常运行后，2 号、4 号瓦温与油温的温差呈一致的上升趋势，且2 号瓦温要高于4 号瓦温。

图2 18 号机组水导瓦温油温温差趋势（异常时与处理后）

如图3 所示，5 月20 日故障发生时，水导X 向摆度间隙较恢复正常后宽200 μm，这是导致2 号水导瓦温与油温一样甚至低于油温的根本原因；而水导Y 向摆度间隙较恢复正常后数值略微偏小，但刚开机时1 700 μm 的间隙严重偏低，这是4 号水导瓦温刚开机时就远高于水导油槽油温的根本原因。

图3 18 号机组水导摆度间隙趋势（异常时与处理后）

如图4 所示，5 月20 日故障发生时，18 号机组水轮机顶盖振动包括大量的13X 倍频分量，而恢复正常运行后，13X 倍频分量消失。由于18 号机组转轮叶片数为13 片，13X 倍频出现表示水轮机顶盖受到了导水机构故障引起水力不平衡导致的水击振动。

图4 18 号机组水轮机顶盖压力频谱图（异常时与处理后）

2.3 2020 年8 月11 日1 号机组水导瓦温异常升高原因分析

如图5 所示，结合5 月20 日水导瓦温异常分析，回顾分析1 号机组水导轴承系统相关重要参数趋势。8 月11 日16 时开始调整负荷，工作水头在88 m，负荷短时间内降低100 MW，导叶开度在高水头下回关过快，导致水轮机过流部件水力不平衡，水导轴承Y 向间隙急剧减小，引起4 号瓦温温差降低，2 号瓦温温差上升。

图5 所示，4 号水导瓦温温差趋势上升后下降，与Y 向间隙趋势一致；2 号瓦温温差趋势与Y 向间隙相反，部分时间段出现瓦温低于油温现象，说明2号轴瓦处的间隙过大。

图5 1 号机组水导瓦温异常趋势（瓦温油温温差、水头、开度、间隙）

水导摆度间隙趋势与导叶开度趋势一致，与水头趋势相反，分析原因为高水头运行工况下，水头短期内变化较大时，导叶开度随动变化会导致水轮机过流部件水力不平衡，导致大轴与轴瓦间隙分布不均匀，水导瓦温出现异常。

3 结语

综上所述，导轴承间隙会直接影响导轴承瓦温分布，而水轮机水力不平衡会导致导轴承间隙分布不均匀。导轴承温度会出现部分瓦温升高，部分瓦温降低，甚至部分瓦温低于油温的现象，而导轴承冷却水流量、油槽油位、水导油流量、水导冷却水流量无明显异常变化，水导轴承摆度峰值、顶盖压力脉动峰值未达到报警值。

当出现上述现象时，可优先考虑分析是否存在导轴承间隙分布不均，轴心偏心距偏大。分析方向可分为机械不平衡、电磁不平衡、水力不平衡，其中水力不平衡为较为常见的因素，过流部件及导水机构损坏、掉落，水轮机运行工况短期内变化过大等都会导致水轮机水力不平衡。