水轮机导轴承故障分析与处理

水轮机导轴承故障分析与处理

1冲击式水轮机发电机济源南德瑞瓦图水库位于济源群共和国，配备两台22.5mw动力发电系统。水轮机型号为CJA475-L-170/5X15.7,额定转速428.75r/min,额定水头324.3m,最大水头331.46m,额定流量7.5m3/s,采用5喷嘴5折向器结构。2轴瓦水导轴承控制斐济南德瑞瓦图项目采用稀油润滑的旋转油盆筒式轴承,轴承表面浇注巴氏合金。其结构及油循环见图1。从图1中可以看出,斐济项目水导轴承采用了典型的旋转油盆+筒式瓦结构。主要由轴承体1(含轴瓦)和旋转油盆2组成。在轴承体1上钻有4个径向进油孔,对应该油孔,轴瓦上有4条斜油槽,以便机组运行时集油。静止时,轴瓦底部约100mm(约29%瓦高)浸在油中,浸油深度达到设计手册要求。运行时,固定在主轴上的环形槽与主轴同步旋转时,油在离心力的作用下形成油压,经轴承体上的进油孔进入轴瓦上的环形槽,沿轴瓦瓦面斜油槽向上流动,经导轴瓦进油边进入轴瓦与主轴间的间隙,在轴和轴瓦间形成油膜进行润滑,同时油的流动带走了轴瓦产生的热量。上升的油经上部轴瓦进入上油箱,经挡油板5、冷却器4油冷却后,通过回油管3返回旋转油盆2。该水导轴瓦内径为465mm,与主轴间两侧总间隙为0.18~0.33mm,轴瓦高度为350mm。水导轴承报警和停机设定值分别为:瓦65℃报警,70℃停机;轴承油温为50℃报警,55℃停机。3水导轴承温度过高原因分析水导轴承为水轮机重要部件,承受由主轴传来的径向力,保证机组的轴线位置,其工作好坏直接影响水轮机运行的可靠性,同时影响机组摆度、振动和轴承温度(包括油温、瓦温)。水导轴承4喷嘴运行数据见表1。尤其是斐济项目这种多喷嘴冲击式机组,运行工况非常灵活,可以根据适应水头、电网负荷需求调整喷嘴运行数量及开度,尽量选择在高效区域运行。但是,对于这种冲击式机组,当1~4个喷嘴运行时,存在水推力不平衡,运行工况较差的情况,对机组的运行稳定性、振动、摆动和轴承均不利。从图2中可以看出,因为水推力不平衡,导致水导轴承瓦温、油温均不平衡,瓦温最高最低温差达8.61℃,油温不平衡达6.96℃,尤其是4喷嘴运行时,工况最为恶劣。从图2中可以看出,4喷嘴运行时水导轴承瓦温和油温最高,甚至出现瓦温短时间内急剧上升、油温达到55℃、瓦温67.11℃停机事故的发生。机组4喷嘴和5喷嘴运行时瓦温油温曲线见图2。因斐济项目水导轴承在当地冷却水水温较低时(22℃)油温、瓦温均较高,无法保证夏季冷却水温升高时机组的安全运行,尤其是4喷嘴无法长期运行,致使机组无法适应全工况运行,严重制约机组根据电网负荷要求、库区来水量灵活选择运行区域功能。为彻底解决水导轴承温度过高问题,必须对可能因素进行分析,找出对应解决方案,保障机组设计运行区域和可靠性。通过对机组4个喷嘴运行和5个喷嘴运行温度进行分析,水导轴承瓦温、油温偏高可能的因素有:(1)冷却水流量不足。冷却水流量不足,润滑油不能充分冷却,导致油温和瓦温偏高。4个、5个喷嘴运行时,油温、瓦温均较高,此因素可能性较大。(2)冷却器选型偏小。冷却器容量不足也会导致润滑油不能充分冷却,无法有效的降低轴承的油温、瓦温。(3)水推力严重不平衡,轴承承受的负荷大于设计值。轴瓦间隙太小,导致轴承产生的热量较设计值大,冷却器容量无法带走超出设计值的热量,造成油温、瓦温较高。(4)轴承油循环通道不畅或油路有短路现象,导致冷却器未充分利用,这一因素可能性也较大,在轴承问题中属常见因素。(5)水导轴承螺栓松动。因机组运行时水导轴承承受周期性作用力,轴承座和轴瓦均有可能松动,水导轴承受力发生变化,影响轴承瓦温和油温。(6)自动化元件测量不准确、故障,导致显示错误,发出错误信息。4喷嘴运行工况(1)冷却水流量检查。采用测量精度为1%的超声波流量计对冷却水流量进行测量,测量结果显示流量达到或接近设计值,故冷却水流量不足因素可以排除。(2)增加冷却器容量。因斐济项目水导轴承油槽尺寸较小,油槽内无空间加大冷却器,若要增加冷却器容量,则冷却器尺寸势必加大,只能采用外循环方式或改变油槽尺寸。这两种处理方式均较复杂,改动较大,所用时间较长。根据现场实际情况,暂不采用增加冷却器容量方案。(3)复核水推力不平衡值。根据厂家复核计算,水推力不平衡值、轴承负荷均小于设计值,故此因素应该不是导致油温升高停机的因素。但因4喷嘴运行时水推力不平衡值远大于5喷嘴运行值,故4喷嘴运行时瓦温、油温最大值高于5喷嘴运行工况,属正常现象。(4)增大轴瓦间隙,降低轴瓦高度。轴承产生的热量与轴承间隙成反比,与轴瓦高度成正比,故增大轴瓦间隙、降低轴瓦高度可以降低发热量。但增加轴瓦与主轴间的间隙时,上述公式中的偏心系数K将随轴承间隙的增加而增加,从而导致发热量增加,且若采用增加轴瓦间隙的方案,根据现场情况,只能通过手工刮瓦的方式,但轴瓦刮后无法准确测量轴瓦圆度和接触面积,无法保证轴瓦刮削后的精度,故现场未首先采取刮瓦方案。(5)检查水导轴承螺栓是否松动。经检查,螺栓并无松动,该因素可以排除。(6)自动化元件检查。现场对所有的自动化元件、接线进行了检查,发现自动化元件测量准确,说明水导轴承瓦温、油温过高是事实,非误报。(7)解决油循环。根据机组运行时观察到的情况,斐济项目水导轴承油温、瓦温过高很可能是由于油循环不畅或油路短路造成,现场处理的重点应放在改进油路循环上。从水导轴承装配图中可以看出,静止时,上油槽油位与溢油板高程基本齐平;当机组运行时,旋转油槽中的油将进入上油槽,上部油槽油位将高于挡油板,造成油路堵塞。在打开水导轴承检查时,发现挡油板圆环5中有6个直径约40mm的孔,这样,部分经轴承的热油就直接从这部分圆孔回到上油槽冷油区而未经过冷却器冷却,如图3中所示的油路1。同时,经挡油板5的热油中有部分热油也未完全经冷却器冷却,经部分冷却后,直接到达冷油区,如图3中所示的油路2。根据上述情况,分别采取了相应措施。对于上油槽油位设定太高的问题,经制造商复核,将上油槽油位降低了30mm,保证了经挡油板流入上油槽的油不拥堵,油路畅通。对于油路1,在挡油板5上焊接套管,套管高度为30mm,在挡油板上部焊接外径为50mm的钢管并采用封焊形式,以确保从轴瓦出来的热油不再走油路1,而是完全流入冷却器进行冷却。对于油路2,在冷却器内侧加装挡油板7(图4),以保证所有热油只能按照图1所示的油路流动,以保证所有的热油经冷却器充分冷却。同时,为保证冷油有足够的空间经回油管3回到转动油盆2,将挡油管6去除。处理后的油槽结构和油路如图4所示。处理后,水导轴承4喷嘴运行参数见表2。5降低了瓦温度从表1、2的数据可以看出,经过处理,斐济项目水导轴承油温大幅降低,降