混流卧式水轮机推力轴承瓦温过高问题处理

2022-12-07任周景雷可馨吴凌云柳哲宁

小水电 2022年3期

任周景，雷可馨，吴凌云，柳哲宁

(国网浙江省景宁县供电公司，浙江丽水 323500)

1 概述

南坑下电站位于浙江省丽水市景宁县南坑下下游与鸬鹚小溪支流交汇处，于1968年4月竣工。电站上游集雨面积75 km2，进水口将南坑下与黄坑圩支流汇集。引水坝为块石浆砌石坝，高6 m，上设过坑桥、泄洪、进水闸门、沉沙地、冲沙闸。引水渠长3.56 km，设计流量1.5 m3/s，平均流量2.15 m3/s，落差70 m，压力管直径0.8 m，装机容量2×200 kW，设计年发电量270万kW·h，总投资44万元。由于机组陈旧老化，2008年对原1、2、3号机进行了技术改造。2008年12月5日开工，于2010年1月竣工，至此，南坑下电站装机容量达到1×800 kW+1×1 000 kW，设计年发电量500万kW·h，年利用率3 000 h。

南坑下电站2号混流卧式水轮机自投运以来常常会发生推力轴瓦温度过高的现象。夏季温度经常会达到60 ℃导致报警，严重时温度会超过65 ℃引发事故跳闸。水轮机安装完成后请过许多老师傅、厂家专家进行维修，问题依然无法解决。后通过采用外循环的方式进行冷却，也只能将推力轴瓦的温度稳定在59 ℃左右。2021年，通过运用超导热管将推力轴瓦的温度传导到机体外壳进行水冷散热的方法进行降温，取得了一定的成效，但依然没有从根本上解决问题。2022年1月，该水轮机发生烧瓦事故导致停运。

2 2号水轮机结构

南坑下电站2号水轮机为混流卧式水轮机，属于反击型水轮机的一种。由蜗壳、转动部分、导水机构、推力径向轴承、制动装置、引水部分、伸缩管、尾水管等零件组成。水流由引水管引进，经过阀门、伸缩管、进水弯管、蜗壳、导叶，进入转轮，再由尾水管排至下游。水流进入转轮并冲击叶片，使转轮转动，从而将水能转换为机械能；再通过水轮机主轴传递，使发电机转子旋转，将机械能转换为电能。

推力径向轴承主要承受转动部分的径向力和作用于水轮机转轮上的轴向力，轴承采用封闭自循环供油方式，润滑油的冷却采用水冷。冷却水由蜗壳进水端引出，经滤水器后进入冷却器，润滑油采用46号汽轮机油。轴承的径向瓦采用半分结构，表面浇有巴氏合金。径向瓦一段设有小推力瓦面，以承受水轮机组的反向推力，轴承的推力瓦是由8块可调试刚性支撑的推力瓦块组成。轴承上装有窥视盖、油标、温度计，用以观察轴承上的油位、油温以及润滑情况。轴承由8颗螺栓及定位销固定在水轮机底板上，轴承体上装有M24×190的2颗固定螺栓与水轮机相联接，以加强轴承的刚性。

推力瓦安装前需要清洗、去锈、去除毛刺。通过对经汽油清洗干净后的推力瓦进行研刮，保证推力瓦表面每平方厘米有2～3个显示点，即可使其在水轮机正常运作后能够很快在表面形成一层均匀的润滑油膜。通过润滑油膜的隔离，推力瓦与推力盘之间不发生直接接触，从而大大减少推力瓦与推力盘之间的摩擦系数，延长了推力轴瓦的使用寿命。

3 原因分析

当混流卧式水轮机运行过程中推力轴瓦因振动与摩擦而产生的热量大于冷却循环系统带走的热量时，推力轴瓦的温度就会升高。因此，可以从产热与散热两个方面来寻找本次南坑下电站2号水轮机烧瓦事故的原因。

3.1 推力轴瓦与水轮机其他部件发生摩擦

在水轮机运行过程中，推力轴瓦与水轮机的推力盘等其他部件之间不可避免地会发生摩擦并产生热量与损耗。水轮机工作状态正常时推力瓦表面通过一层均匀的润滑油膜与推力盘隔离开来，但若出现以下情况时，高速旋转的推力瓦与推力盘之间就有可能发生直接接触并产生摩擦，导致推力瓦与推力盘表磨损并使面温度升高。推力瓦表面的磨损严重到一定程度会使润滑油难以均匀附着在其表面，从而加剧推力瓦与推力盘之间的摩擦，最终导致推力瓦烧毁。

3.1.1 水轮机在运行过程中振动过大

水轮机发电用的水来源于上游水库，水中难免会携带有落叶、泥沙等异物，在雨天有时也会发生进水量波动较大的现象。水中的泥沙、石子等异物与水轮机蜗壳内的转轮叶片发生碰撞，会使转轮发生磨损，转轮叶片在长时间的水流冲刷下也会发生锈蚀。水轮机转轮叶片发生磨损与锈蚀之后容易导致转轮叶片重量分布不均，此时转轮转动时产生的振动加剧，并通过与转轮相连并被带着旋转的水轮机主轴将振动传递给整个水轮机。此时，用于承受水轮机运行过程中主轴产生的径向作用力与轴向作用力的轴瓦会承受更大的作用力；并且轴瓦更加容易与相邻的部件发生接触产生摩擦，导致轴瓦温度升高。

水轮机组如间隙大小、水平度等参数与规程规定的参数存在偏差也是导致水轮机在运行过程中振动过大的原因之一。根据南坑下电站2号水轮机设计图纸，该水轮机主轴水平允差应小于0.02～0.014 mm/m，径向轴瓦总间隙应在0.18～0.25 mm之间。如主轴水平度、轴瓦间隙等指标不合格，会导致水轮机运行状态不正常，推力瓦偏离轴心。过小的间隙会导致推力轴瓦在运行过程中与其他部件发生接触并产生摩擦的概率增加；同时也会影响到水轮机的润滑油循环系统，使温度升高。推力瓦的倾斜不利于油膜形成，甚至会导致推力瓦在运行过程中发生变形，从而降低其承载能力。

3.1.2 推力瓦表面无法覆盖上均匀的油膜

推力瓦安装前清洗与研刮工作不到位是导致润滑油无法均匀地附着在推力瓦表面的原因之一。若推力瓦制作工艺不到位，会使得推力轴瓦表面无法形成均匀的油膜，推力轴瓦转动过程中与推力盘发生摩擦，导致温度升高，严重时导致推力瓦烧毁。

润滑油本身的性质也是会影响到推力瓦表面能否覆盖上一层均匀油膜的原因之一。不同牌号的润滑油粘度及化学性质均不同，应根据水轮机机组型号、推力轴瓦间隙等相关基础数据选择合适的汽油进行冷却与润滑。根据规程，南坑下电站2号水轮机采用46号汽轮机油作为润滑油，这种润滑油在40 ℃时运动粘度为44.10 mm2/s。

若润滑油因长时间放置而发生劣化，或润滑油中含有杂质过多时，润滑油的粘性会受到影响。因此，润滑油应定期进行采样检测，对不合格的油进行更换，从而保证润滑油对轴瓦能够正常起到润滑与冷却的作用。

3.2 水轮机散热不良

南坑下电站2号水轮机的推力轴瓦主要依靠机组内部的油循环来保证散热。正常运行时，带有打油槽的推力盘跟随主轴进行高速旋转，依靠离心力将下层温度较低的油不断打上来，使油能够覆盖推力轴瓦表面并对其进行润滑与冷却。上层温度较高的油通过顶部的间隙与出油孔再经冷却器冷却并重新回到下层，完成水轮机的散热。若油循环出现问题，水轮机的散热功能将受到影响，推力轴瓦在机组运行过程中产生的热量无法扩散到外界去，就会导致轴瓦温度的升高。此外，外界环境温度过高也会影响到水轮机的散热。

3.2.1 水轮机工作环境温度过高

夏季高温的环境下，机组自身温度与用于散热的水和油的基础温度都比较高。此时水轮机工作时的温升加上环境基础温度容易使水轮机推力轴瓦的温度突破报警温度，甚至导致事故跳闸。高温环境也容易使润滑油发生变质，使其不能很好地对推力轴瓦进行润滑与降温。

3.2.2 冷却循环系统出现问题

当推力盘、推力径向轴瓦、导油罩等部件之间的间隙大小配合不好时，推力盘的打油效率会受到影响；这种情况下被打上来的油会很快经出油孔进入冷却器冷却或直接通过过大的间隙跌落底层，使推力轴瓦得不到充分的润滑与散热。

流进冷却器中的冷却水是直接从水轮机的导水机构中引进的，水中会带有一些如泥沙、落叶之类的杂物；这些杂物在冷却器进水管道淤积后会造成堵塞。此时，流经冷却器进水管道的冷却水流量会减少，会使得冷却器对润滑油的冷却效率降低。冷却器管道中的水压可以通过外部的仪表进行观测，若仪表显示管道中水压过大，则说明管道可能堵塞，需要对管道中淤积的杂物进行清理。

4 处理方案

经多次对南坑下电站2号水轮机组进行检查、维修与重装，推力瓦已经更换过多次，该水轮机运行过程中因轴瓦温度过高而导致报警甚至跳闸的事故依然常发生。可以看出，2号水轮机推力轴瓦温度过高的原因并非是推力瓦研刮工艺存在问题。

本次维修过程中，维修人员也对水轮机的冷却器及冷却管进行过拆装与清洗，剔除了冷却管中的落叶等杂物，保证了水轮机水冷循环的正常工作。加上2021年在机组外壳上插接的超导热管散热来对水轮机进行降温，水轮机散热系统中的冷却器应该是能够对润滑油起到良好散热效果的。因此，南坑下电站2号水轮机推力轴瓦温度过高的原因也不是冷却器出现了问题。

最后维修人员发现是由于该水轮机组安装之初工艺上存在问题，水轮机推力径向轴瓦部分的各个间隙大小未能与水轮机的内部油循环达成配合，导致润滑油被推力盘打上来后很快跌落，无法形成水规定的高油位；推力轴瓦无法整个浸泡在润滑油中，润滑油无法起到冷却和润滑的作用，最终导致了运行时推力轴瓦温度过高的现象。因此，最终采取的维修手段如下：

一是维修人员将水轮机导油罩上盖挡油的位置与推力盘之间的间隙从1.5 mm降为0.8 mm左右，从而使推力盘更容易将底层的油打到上层，并减少了润滑油的跌落。

二是维修人员采用铜皮将出油孔下部挡住1/3，使润滑油能够形成高油位，并限制润滑油流出的速度。

采取以上两个措施，南坑下电站2号水轮机以额定转速1 000 r/min转动时，通过径向轴承的窥视盖向内看可以观察到通过推力盘的高速旋转，底层的润滑油被不断打上来，使机组的推力轴瓦能够正常浸泡在润滑油中，且整个机组的油温处于正常范围内。

问题解决后，由于春节期间下雨频繁，南坑下电站水轮机能够正常投入运行，日发电量约为960 kW·h，为景宁供电公司创造了大量的经济效益。