山美水電站3號機水導軸承異常振動原因分析及處理

林美香

（泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000）

山美水電站3號機水導軸承異常振動原因分析及處理

林美香

（泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000）

介紹泉州市山美電站3號機組2015年增效擴容改造過程中，在試運行時水導軸承出現異常振動的原因排查、分析及對機組相關部位進行處理，并對水導軸承進行了結構改造的過程。成功解決了該機組設計制造時遺留的缺陷，可為水輪機水導軸承出現類似情況的處理及改造提供一個較為成功的實踐經驗。

分塊瓦式水導軸承；異常振動；振動原因排查處理；水導結構改造

1 引言

泉州市山美水電站3號機組于1996年12月建成投產，原機組出力30 MW。機組型式為立軸混流式水輪發電機組，機組轉速為166.7 r/min。2014年11月開始，3號機組進行增效擴容改造，機組出力增大至33 MW，2015年8月基本安裝完成，2015年11月通過啟動驗收，投入運行。改造前原水導軸承為分半筒式結構，橡膠瓦水潤滑方式。此次技改，考慮到分半筒式軸承重量較重，安裝和檢修存在一定困難，所以此次改造采用分塊瓦式結構，導軸承由6塊分塊式塑料瓦構成，仍然采用水潤滑形式，如圖1所示：

2015年8月15日，改造完成進行試運行試驗時，當機組在額定轉速空轉試運行中，發現水導處大軸擺度較大，經過幾個小時的運轉，機組擺度持續增大，水導軸承座、水箱處測量振動值不斷加劇，測量數據如表1：

表1 水導軸承處測得擺度及振動值

可見，機組空轉試運行的參數狀況大幅超出規范標準，機組無法繼續試運行，需分析振動原因并做出處理。

2 振動原因排查

（1）由于機組擺度變化幅度較大，首先判斷可能是機組軸線發生變化。停機后，對機組軸線進行重新盤車測量，校核軸線擺度。盤車結果如表2：

圖1 水導軸承結構圖

表2 校核盤車數據

對照安裝時機組盤車記錄數據，基本沒有變動，說明安裝時機組軸線調整合格，運行后沒有變動，可排除因軸線變動引起的振動。

（2）拆解水導軸承，對軸承各部件進行檢查。測量水導瓦總間隙，達到0.70 mm左右（安裝時調瓦總間隙為0.40 mm），取出瓦塊，發現瓦塊背面抗壓圓墊板和支柱螺栓球頭都有明顯的壓痕，如圖2所示。造成損傷的原因是廠家在加工完圓墊片和支柱螺栓后未按技術要求做淬火處理，材料表面硬度不夠，運轉時在大軸振擺力的作用下表面產生壓痕，使瓦間間隙變大，這是造成機組主軸擺度變大的原因之一。

圖2 頂瓦螺栓球頭損傷照片

（3）2015年9月份，經多次空轉試驗，因機組上、下、水導三道軸承都存在額定轉速下擺度過大現象，而校核盤車數據又符合要求。廠家等技術部門判斷機組轉動部件存在不平衡問題，決定請華中科技大學對機組轉動部件進行動平衡試驗。試驗數據表明機組擺度跟機組轉速成正比，試驗單位分析確認轉子裝配存在重量不平衡，引起機組各道軸承擺度增大，是造成水導軸承振動的重要原因。

（4）通過轉子動平衡試驗，對轉子進行平衡配重，處理后機組擺度有所下降，上導、下導和水導軸承處主軸擺度下降到規范允許值，上導、下導軸承支架上測得的振動值也相應下降到了規范允許值。但水導處軸承座振動值沒有明顯下降，并且隨著機組工況的改變，擺度和振動值也有較大幅度的改變。特別是水導軸承座，在機組帶負荷運行一段時間后，振動值持繼增大，最終達到雙幅0.72 mm，機組無法繼續運行。機組停機后拆解水導軸承座后發現，軸承座與頂蓋的聯接螺栓斷裂了2支，可見振動的劇烈程度。由于經過轉子動平衡處理，只有水導軸承座的振動值未有明顯減小，據此分析，有可能是水導軸承座結構強度不足，引起了軸承座整體振動，在振擺力及剪切應力的作用下，聯接螺栓發生斷裂。

如圖1所示，3號機水導軸承座設計為分塊瓦結構，軸承整體由瓦座、水箱、主軸密封及附件組成。由圖1可以看出，瓦座與水箱為分體結構，各自獨立通過同一支M22螺栓固定在頂蓋上。由于水導瓦支持座的鋼板厚度僅有30 mm，且與水箱為各自獨立結構，未能形成整體受力結構，導致整個軸承座徑向支撐力不足，在大軸徑向振擺力的作用下，整個軸承座產生較大的振動，這也是水導軸承產生振動的另一個重要原因。

3 處理方法及過程

針對上文對振動原因的分析排查，對可能造成水導軸承振動的疑點，逐條進行整改處理。

（1）首先，查對圖紙，水導軸承瓦背抗壓圓墊片材質為鍛30Cr，頂瓦支柱螺栓材質30Cr，材質強度不足，且兩個零件加工后沒有按要求經過淬火處理，表面硬度不夠，受力后表面產生凹痕，造成軸承瓦間間隙變大，是造成主軸擺度持續變大的主要原因。經過與廠家交涉，廠家重新加工了一套頂瓦螺栓和圓墊片，材質采用40Cr，并按技術要求經過淬火處理，保證其有足夠的強度和表面硬度。

（2）根據機組轉動部件動平衡試驗的數據，在轉子支架的相應方位焊接了配重塊，機組轉動部分的動平衡有了很大的改善，機組在額定轉速下測得的三道軸承擺度都與盤車的數據基本吻合，機組運行中主軸擺度過大的缺陷得到了有效的消除。

（3）通過以上對振動原因的分析和排查，可知水導軸承座的結構存在較大的缺陷，軸承支持環的強度不足，是造成水導軸承異常振動的另一重要原因。針對軸承座的結構缺陷，經過和廠家探討，對軸承座做了以下的改造：

1）對瓦座支持環和水箱結構進行改造，將瓦座支持環和水箱做成整體結構，如圖3所示，水箱壁與瓦座支持環由同一塊鋼板構成，提高了整個軸承座的整體強度，并且瓦座支持環采用70 mm厚鋼板加工而成，保證軸承有足夠的徑向支撐力。

圖3 改造后水導軸承結構圖

2）在水箱和瓦座圓周外側加焊4條豎向加強筋板，進一步加強了軸承座的整體強度。

3）將軸承座與頂蓋的聯接螺栓更換成高強度材質的螺栓，在軸承基座與頂蓋的把合面，沿圓周方向另外鉆鉸4支Φ25錐銷，除了起到定位作用外，也增強了軸承整體對機組振動時產生剪切應力的抵抗作用。

4 處理后效果

2016年3月份，經過改造后的水導軸承順利安裝就位，根據技術要求，安裝水導軸承的同時對上導軸承、下導軸承瓦間隙重新分配調整。隨后機組進行試運行，經過空轉、帶額定負荷等幾種工況的試驗，在額定負荷下機組各部測得的主軸擺度及振動值如表3、表4：

表3 處理后機組主軸擺度測量記錄表

表4 處理后機組各部位振動測量值

從測量數據可以看出，經過一系列針對振動原因所做的處理和改造，效果顯著，運行時各部的振動值和主軸擺度值均在規范允許范圍內，機組的不正常振動，特別是水導軸承的異常振動得到了有效處理。3號機水導軸承改造后投入運行已3個多月，各項運行指標平穩正常，未再出現異常振動現象，說明本次異常振動故障的原因排查準確，處理及改造方法科學有效，不失為一次成功的實踐經驗。

5 結語

山美電站3號機組用水潤滑分塊瓦結構的水導軸承代替原分半筒式的的水導軸承，分塊瓦結構具有結構簡單，安裝、檢修方便的優點。但作為一種新的嘗試，在設計、制造方面還存在一些不足。本次水導軸承異常振動的原因分析及有針對性處理、結構改造的經驗介紹，整個分析處理過程科學合理，處理效果良好，作為一次成功的實踐經驗，可為今后水電站技改出現的類似問題的處理提供一定的借鑒和參考。

［1］單文培，黃少敏.水輪發電機組安裝與檢修［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］GB/T8564-2003水輪發電機組安裝技術規范［S］.水利電力出版社，2004.

［3］鄭 源，陳德新.水輪機［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

TV734.2

B

1672-5387（2016）10-0057-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.017

2016-05-31

林美香（1973-），女，工程師，從事水電站運行及技術管理工作。