ALSTOM 機組推力軸承損壞原因及措施

魏玉國

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

推力軸承是水輪發電機機組的關鍵部件之一，承受水輪發電機組轉動部分重量和全部水推力。三峽電站機組重量和水推力大，因而推力軸承負荷和尺寸大。三峽ALSTOM 發電機推力軸承采用雙層軸瓦彈性柱銷專利結構，瓦面材料為巴氏合金，其內、外徑分別為3.5m 和5.2m［1］。這種推力軸承由推力瓦(薄瓦)和托瓦(厚瓦)兩層之間布置了一系列直徑不等的小支柱，在托瓦底部有一個小托盤，軸承瓦通過托盤支撐在一個長支柱上面，長支柱可以通過螺紋調整高程［2］。

三峽電站ALSTOM 機組推力軸承自機組投入運行以來運轉良好，但也存在一些問題:鏡板與推力頭連接螺栓均有不同程度的松動，部分機組鏡板與推力頭合縫存在局部間隙及油流情況，鏡板與推力頭連接螺栓發生斷裂情況，鏡板與推力頭結合面銹蝕較嚴重等［3，4］。

1 ALSTOM 機組推力軸承問題分析

1.1 鏡板厚度不足

由于鏡板較薄，機組運轉時，鏡板在24 塊推力軸瓦的作用下，出現了周期性的波浪變形(這種現象可在機組盤車時，用百分表測量鏡板表面證實)，推力頭的剛性遠大于鏡板，因此當推力頭與鏡板結合面處于相鄰兩塊推力瓦之間時，就出現縫隙，當結合面轉至推力瓦面上部時縫隙就被壓合，如圖1 所示。

圖1 推力頭與鏡板結合面周期性出現縫隙與壓合放大示意圖

當產生縫隙時油被吸入，同時在負壓作用下，油中產生大量氣穴現象。當縫隙被壓合時，推力頭與鏡板結合面會產生氣蝕破壞。氣穴的產生、壓縮、突然破裂的作用次數，在一個大修間隔內，可達兆次以上。這種氣蝕作用，使鏡板背面和推力頭底面變的粗超，促使氣穴更易于形成，加劇了氣蝕的破壞作用。接觸面的氣蝕破壞是呈等高線型逐漸縮小的蠶食過程，最后完全被蠶食，即由接觸受力面變為不受力面，繼而使別的不受力面上升為接觸受力面，接著它又遭受氣蝕破壞，上述氣蝕現象與三峽ALSTOM 機組推力軸承拆解后，結合面氣蝕情況相吻合，說明了氣蝕現象的存在，也證明了鏡板厚度不足是產生推力頭鏡板把合面銹蝕的直接原因。

推力瓦圓周均布并支撐著整圓結構的鏡板與推力頭，當鏡板旋轉時，由于瓦和瓦間的作用力不同，所形成的巨大交變力，使鏡板產生波浪變形，可見把合螺栓受該波浪變形的影響，承受交變載荷，如果鏡板厚度不足，變形則較大，當鏡板變形大于油膜厚度時，會對推力軸承性能會產生不良影響，甚至可能引起燒瓦事故。

鏡板的設計要點是減小其變形，最有效的辦法是增大鏡板厚度值，三峽推力軸承最小油膜厚度計算值為0.029mm，鏡板有害變形不能超過運行油膜厚度，鏡板厚度取值范圍見表1。

表1 鏡板厚度取值范圍數據表

以上數據是根據幾十年已運行機組的經驗和有關圖紙，經統計、總結的設計規范。多年實踐證明，按表1 選取鏡板厚度可保證推力軸承安全穩定運行。

1.2 推力頭與鏡板結合螺栓選擇不合理

推力頭與鏡板結合螺栓規格通常為M36，M42，M48，螺栓弦距為6 ～7 倍螺栓直徑。合理選擇螺栓規格，螺栓弦距可以避免出現螺栓斷裂問題。

三峽右岸ALSTOM 與哈電聯合制造機組，在鏡板80mm 厚度下，將結合螺栓個數增多，結合螺栓個數增加1.5 倍，使每兩個螺栓之間的距離變小，即增多控制鏡板波浪變形的結點數，使鏡板波浪變形的幅值減小，相應加在螺栓上的交變力也隨之變小。目前小改結構在運行中并未出現螺栓斷裂的問題。

三峽右岸VGS 與DFEM 鏡板和推力頭結構，鏡板厚為140mm，結合螺栓為單排16-M30。該結構比ALSTOM 結構鏡板厚度增加1.75 倍，相對28 塊瓦，結合螺栓個數仍然偏少，按哈電設計規范，相鄰兩螺栓弦距在220 ～260 之間選取。三峽VGS鏡板和推力頭結構，運行以來沒有不良現象的反饋，說明鏡板波浪變形較小，使作用在螺栓上的交變力較小，因此，螺栓個數偏少但未出現問題。

龍灘發電機鏡板和推力頭結構。該電站是ALSTOM 與HEC 聯合設計，鏡板厚度為200mm，把合螺栓16-M30x 雙排，結合面加裝密封條，符合哈電設計規范，可保證長期安全運行。

三峽左岸ALSTOM 機組鏡板結構數據，鏡板厚度為80，運行一段時間就產生不良現象，其中5 號機鏡板產生永久變形，平面度達0.3mm，在巨大的交變力作用下，由于推力頭鏡板結合螺栓個數少，螺栓規格較小，所產生的波浪變形較大，引起結合螺栓的交變載荷顯現，造成螺栓因疲勞產生斷裂，從而造成結合螺桿斷裂事故。相似機組性能比較見表2。

表2 相似機組性能比較表

1.3 其他原因

鏡板和推力頭組合結構，還存在熱應力引起鏡板變形，會使結合面之間產生間隙，較薄鏡板產生的間隙較大，較厚鏡板產生的 間隙較小，可見鏡板應有適當的厚度，熱應力影響同樣要求鏡板有足夠的厚度和剛度。綜上，產生推力頭與鏡板結合面銹蝕及螺栓斷裂的主要原因

(1)鏡板厚度薄，剛度弱。推力頭與鏡板結合面間周期性出現了縫隙和被壓合的現象，導致鏡板推力頭結合面銹蝕及螺栓疲勞斷裂。

(2)結合螺栓數量少，規格小，抗疲勞能力弱。

2 ALSTOM 機組推力軸承結構優化

為了消除三峽ALSTOM 機組推力軸承問題要從上述兩方面著手處理，增加鏡板厚度，增加結合螺栓數量或者增大螺紋規格，在鏡板推力頭結合面內外側增加密封圈。同時根據電廠觀測，推力頭與鏡板存在相對位移。螺桿斷裂部位為與鏡板連接段螺紋根部，斷口整齊，其中斷口上部約15mm 內有疑似擠壓痕跡，檢查其他螺栓孔發現，內圈螺栓孔及螺栓絕大部分有此痕跡，外圈螺栓孔無此現象。壓痕位置一致，均位于俯視逆時針側，懷疑螺桿有受到剪切應力的可能，因此決定在推力頭與鏡板結合面上安裝徑向銷釘，為避免銷釘在轉動時飛出，銷釘設計成“T”形，具體如圖2所示。

圖2 推力頭鏡板最終方案裝配圖

綜合考慮各種因素，確定處理方案為［5］

(1)推力頭與鏡板結合螺栓數量由16 個增加為32 個。

(2)推力頭與鏡板結合面內外側增加2 個密封槽，設置密封圈。

(3)推力頭與鏡板結合面設置騎縫銷釘。

3 結語

三峽電站推力軸承已經改造且回裝完畢，機組已經并網發電，目前軸承運行狀態良好，證明了上述分析及解決方案的正確性。同時該案例也提醒設計員在設計時要注意合理選擇鏡板的厚度及結合螺栓數量。為類似電站推力軸承的改造提供了寶貴的技術支持。

［1］ 王樹清，梁波.三峽右岸電站水輪發電機主要參數及結構優化.大型水輪發電機組技術論文集，2008.

［2］ 武中德，張宏.三峽水輪發電機推力軸承.中國三峽建設，2003.09.

［3］ 楊忠.水輪發電機推力軸承油變黑故障分析與處理.云南水利發電，2010.4.

［4］ 王松林.白龍電站機組推力頭損壞的原因分析及處理.四川水利發電，2002.

［5］ 劉康寧.三峽5F 機組鏡板修復工藝及分析.機械工程師，2013.6.