清蓄电站水导轴瓦间隙增大原因分析及处理

甄培江，周玉权，杨伟坡

（清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511853）

1 前言

清远抽水蓄能电站（以下简称“清蓄”）机组为立轴单级混流可逆半伞式结构，设有上导轴承、下导轴承、水导轴承，单机容量320MW，额定转速428.6r/min。导轴瓦分为上导、下导、水导，均采用支柱式抗重螺栓分块轴承瓦，具有结构简单、平面布置紧凑，刚性、自调节功能均好的特点。

清蓄机组运行中多次出现导轴承摆度报警，其中有两次导致机组跳机。机组检修消缺中实测导轴承轴瓦间隙，上导与下导轴瓦间隙变化不大，而水导轴瓦间隙明显增大。其中1号机组水导轴瓦间隙增幅最高达46.6%，实测数据见表1；2号机组水导轴瓦间隙增幅最高达34.5%，实测数据见表2；水导轴瓦间隙的增大导致机组振摆情况恶化，严重影响机组运行性能和指标。因此有必要从理论分析、结构特点、设计安装等方面进行深入剖析，确定主要原因并制定实施处理措施。鉴于4台机组水导轴承结构与参数相同，为方便阐述，以1号机组水导轴承为例进行分析。

表1 1号机组水导轴承间隙实测表

表2 2号机组水导轴承间隙实测表

2 原因分析

2.1 原因综述

众所周知，机组运转状态时所反映动态轴线形状与其静态形状是不可能一致的。按静态轴线调正导轴瓦间隙时的轴承并不处于最佳状态，一般都要求在试运行后，按需要根据动态轴线重新进行轴瓦间隙调整，从而更有效的保证轴承受力均匀、轴系运转平稳。由于机组动平衡试验已基本消除了机械不平衡，轴瓦间隙增大就成为轴系引发弓状回旋形态的主要因素，其明显的后果是轴系振摆加剧。轴瓦间隙经过一段时间运行后非正常增大的现象是必须避免的，本文将从轴承结构和安装调整方法两个方面分析并寻求解决方法。

2.2 结构分析

水导轴承的主要作用是承受机组径向力，如径向水推力、机械不平衡力、电磁不平衡力等，进而限制、约束机组的径向摆动，保证机组能够稳定运行。清蓄水导轴承主要有轴瓦、嵌入块、轴瓦支撑板、调整螺栓、调整螺母、垫块、止动垫片等组成，采用分块扇形瓦结构，均布12块。轴瓦采用巴氏合金（锡基），瓦面材料ZChSnSb11-6。水导调整螺柱前端与嵌入块接触面为球面体，可形成轻微动转的支点，使轴瓦在运行中与轴领之间形成楔形，从而效果性地产生油膜反力（见图1）。

图1 水导轴承结构图

图2 水导调整螺栓

水导轴承M100×3-6g调整螺栓采用40Cr调质硬度269～331HB，确保与M72螺母和套筒的硬度差30～50HB，而其SR300球面则经过淬火处理（深度15～20mm）硬度为HRC50～54；设计要求嵌入块采用40Cr，其Φ82区域表面淬火1.5～2.0mm深，硬度达到HRC48～52HB（见图2）。调整螺柱的螺纹分为M100和M72节距不同的两段，调整螺柱座面设有止动垫片，此结构能够起双螺母效果，固定牢实且能同时止动。但实际上由于：①螺柱与螺母的丝牙是有间隙的。②螺孔与端面可能不完全垂直，致使螺牙间受力不均匀。这样就存在机组运行时锁紧螺母有松动的可能。因而锁定螺母是否松动，调整螺柱球面是否磨损是检修时的一个重要检查项。

机组消缺检查中未发现水导调整螺柱球面有明显磨损痕迹，锁定螺母无松动。

2.3 设计安装分析

水导轴承轴瓦安装调整严格按作业指导书进行，在完成机组轴线定位和水导轴承座定位后，检查清洗水导瓦，瓦面设有海绵和白布保护，水导瓦就位后开始轴瓦调整。用千斤顶从+Y、+X、-Y、-X4个方向顶住轴瓦，使轴瓦紧贴大轴，作业过程中架设百分表监视大轴位移。用塞尺测量轴瓦与轴面的间隙为0mm，调整轴瓦的调整螺栓，控制调整螺栓与嵌入块间的间隙至设计值，间隙用塞尺检查。紧固锁定调整螺栓，复测调整螺栓与嵌入块的间隙无变化，拆除楔子板，百分表读数无变化。同样的方法完成其余轴瓦的调整与固定。全部完成后复测轴瓦间隙，要求轴瓦间隙分配偏差为±0.02mm，最后按要求焊接螺母止动块。

检查机组水导轴承时发现垫块的C5倒角有与调整螺杆螺牙挤压的痕迹，而且在螺栓打紧过程中也发现调整螺栓跟随锁定螺母一起旋转，这说明由于C5倒角偏小限制了调整螺栓的行程，使得M72锁紧螺母未能起到锁紧调整螺栓的作用。该结构设计加工缺陷应制定改进措施加以解决。

为进一步确定C5倒角偏小与调整螺栓锁紧失效的关系，下面就其受力情况进行分析，见下页图3。正常情况下，锁定螺母打紧后产生的巨大拉力F间接作用在调整螺栓上，F等于F1。但实际情况中由于C5倒角偏小，限制了调整螺栓的行程，垫块与调整螺栓R8过渡段接触，锁定螺母产生的拉力F一部分作用在调整螺栓与垫块间，使得F1＜F，由于F1＜F，调整螺栓的拉紧力未达到设计值，螺牙与螺纹仍存在间隙，没有真正起到锁定的作用，在机组运行过程中受到轴瓦传递过来的负荷时，调整螺栓出现外移或者轻微转动使轴瓦间隙变大。

3 改进措施

根据结构特点和设计安装的分析结果，主要采取以下改进措施：

（1）调整改进水导垫块C5倒角。

（2）严格控制轴瓦间隙调整的作业流程。

3.1 垫块调整

调整改进水导垫块C5倒角是为了避免垫块与整螺栓接触，现场根据调整螺栓与垫块的实际装配位置进行了测量，并以此改进垫块结构。在原垫块的基础上加工一个Φ90×5的凹台，以满足下页调整螺栓的行程要求。垫块结构改进前后对比见下页图4和图5。

图3 调整螺栓与垫片受力分析图

图4 水导垫块原加工图

3.2 安装控制

清蓄水导轴瓦为非同心瓦，其特点是线接触式受力，安装工艺相对于同心瓦而言要求更高、工序更复杂。如果在调整过程中存在中心不对正等因素，在运行过程中经升速、甩负荷、瓦温考验等功能性试验后，瓦间隙一般都会增大。因此严格控制轴瓦间隙调整的作业流程是十分必要的，该措施可有效避免导轴瓦两侧间隙误差偏大或导轴瓦单侧接触轴颈，保证轴瓦间隙调整的真实性。关键实施步骤如下：

（1）在大轴轴领圆周4个方向 +Y、+X、-Y、-X设置有调中心专用的M36调整螺栓，如图6所示（在主轴侧均采用铜板保护防止擦伤主轴表面）。

图6 水导轴瓦调整布设及专用工具

（2）逐一就位轴瓦,调整螺柱头部对准嵌入块凹槽。

（3）使用一对专用小调整螺栓顶紧轴瓦两侧，使瓦面中心单线贴紧轴面，用塞尺检测C1≈C2≈0.04mm。

（4）将0.29±0.02mm厚的塞尺置于调整螺柱和嵌入块之间，顶紧M100×3螺柱并紧固M72×3锁紧螺母（参见图3），锁紧螺母打紧力应满足设计要求。

（5）为消除内、外螺纹间隙的影响，锁紧螺母固定调整螺栓后，应再次测量确认轴承间隙设定值并进行反复调整，直至轴瓦间隙最终符合设计要求再锁定锁定螺母的垫片并点焊止动块。

4 改进效果

清蓄1号机组严格控制轴瓦间隙调整的作业流程并改进水导垫块C5倒角，基本解决了水导轴瓦间隙增大的问题，运行至今，机组振摆得到改善，机组空载运行水导摆度≤200μm、100%负荷均≤60μm，达到比较理想的稳定运行状态。在2017年1号机组C修时对水导轴瓦间隙进行实测，轴瓦间隙变化不大（见图7），该问题的解决提高了机组的运行可靠性和运行性能。

图7 1号机组水导轴瓦间隙处理前后对比

5 结论

通过对清蓄电站水导轴瓦间隙增大的问题分析，从改进垫块倒角和严控间隙调整工艺两个方面制定处理措施。目前已完成1号机组和2号机组的改造，后续将根据具体情况改造3号机组和4号机组。改造后机组运行稳定，指标良好，达到了预期效果。

6 建议与思考

抽水蓄能机组转速高，工况转换多，启动频繁，具有正反旋转两个方向，相对于常规水电站而言，蓄能机组导轴承需要经受更严峻的考验。在安装调试期间，应严格管控安装工艺和流程；在投运后的监盘巡检中，密切关注导轴承油位、油温、瓦温、振摆变化情况；在检修消缺期间，检查确认导轴承有关部件位移磨损情况。建立完整的运维数据资料，定期进行专项汇总分析，及时发现问题并制定应对措施。对此，提出以下建议;

（1）导轴承轴瓦间隙异常往往伴随机组振摆异常，此时应及时调整运维策略或者检查消缺。

（2）轴瓦间隙是按静态轴线调整，当机组运行一段时间后，应将轴瓦间隙实测列入检修项目，确认轴瓦间隙是否需要调整。

（3）轴瓦调整用锁紧螺母固定调整螺栓过程中应反复操作、测量。确保轴瓦间隙和锁紧螺母打紧力均满足设计要求。

（4）蓄能机组在过速试验、甩负荷试验后应根据监控数据适时检查调整轴瓦间隙。

（5）轴瓦间隙调整后如摆度情况改善不明显，还可以考虑再次配重，这样能同时抑制轴承振动和大轴摆度。

参考文献：

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