水輪發電機下導滑轉子松動原因分析及處理

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市618000）

0 引言

某電站共裝有5臺大型混流式水輪發電機組。水輪發電機為半傘式結構，設置有上導軸承和下導軸承，機組額定轉速75 r/min，型號為SF350-80/18900，單機額定功率為350MW，電站總裝機容量1750 MW[1][2]。水輪發電機下導軸承主要由下導滑轉子、下導軸承瓦、楔子板、油槽密封蓋、冷卻器及擋油管組成[3]。根據發電機主軸外徑尺寸，對下導滑轉子內徑尺寸進行配加工，再通過熱套將下導滑轉子與主軸結合成一體，最后下導滑轉子同發電機主軸一起加工外圓面[4]。下導滑轉子：最大外徑φ2720mm、高855mm，重7920kg，發電機主軸：最大外徑φ3000mm、高6695mm，重97115kg，下導滑轉子同主軸熱套設計緊量雙邊0.13～0.16mm，下導擺度波動、擺度值偏大的問題，最大擺度達到了0.6mm，大于國標（GB/T 7894—2009）要求的0.3mm[5]，同時主軸上還有下導滑轉子上竄的痕跡。出現問題期間，對下導滑轉子外徑尺寸、下導滑轉子同主軸之間間隙檢查，發現滿足圖紙要求[6]。調整下導瓦間隙，在下導瓦瓦溫不超過報警值調節下，下導擺度約0.5mm，仍大于國標要求的0.3mm。電站其他4臺機組下導擺度滿足國標要求。

1 原因分析

下導軸承及下導滑轉子結構詳見圖1。

圖1 下導軸承裝配圖Figure 1 Lower guide bearing assembly

根據下導運行情況，通過對機組進行重新盤車，對可能造成下導擺度偏大的因素逐一排查，最終初步判斷主要原因是5號機下導滑轉子同主軸間熱套緊量偏小。機組在運行過程中，在離心力和慣性力的作用下，下導滑轉子有一個向外變形和向上爬升的趨勢[7]，另外，機組運行過程中，下導滑轉子大部分泡在熱的潤滑油中，同時同下導瓦摩擦生熱，這樣在下導滑轉子同主軸間存在一個溫差，根據滑轉子熱膨脹系數及尺寸，可以計算出，下導滑轉子同主軸存在1K溫差的情況下，滑轉子相對主軸會產生約0.01mm的單邊間隙。一旦滑轉子同主軸溫差較大、向外膨脹量與向外變形量之和超過下導滑轉子同主軸間熱套緊量時，下導滑轉子即會相對主軸向上爬升，同時造成下導擺度波動和偏大問題[8]。

2 處理過程

如何才能阻止下導滑轉子上竄及擺度偏大的問題？在下導滑轉子上施加一個軸向力、一直壓著下導滑轉子是一種有效的解決思路，按照這種思路，有兩種方法，一種即在主軸上焊接擋塊，用擋塊壓著下導滑轉子，阻止其上竄，但這種方法可能不能解決下導擺度偏大的問題；另外一種方法就是加大下導滑轉子同主軸間的配合緊量，利用配合緊量產生的內力來克服下導滑轉子上竄力。該方法雖能徹底解決下導滑轉子上竄及擺度偏大的問題，但處理周期長、處理難度大。考慮到離機組正式檢修期還有近半年的時間，為不耽誤機組的正常發電，對下導滑轉子松動先進行臨時處理，即在主軸上加焊擋塊，等到正式檢修期之后再進行徹底處理，即加大下導滑轉子同主軸間的配合緊量。

2.1 臨時處理

臨時處理方案：在主軸圓周方向上均勻布置12個擋塊，擋塊的下端與下導滑轉子靠緊，上端同主軸搭焊。同時，擋塊外側鉆攻有螺紋孔，在擋塊上設置螺栓，頂在下導滑轉子上端面，通過該螺栓，即可調節12個擋塊的水平度，保證下導滑轉子軸線不傾斜，擰緊螺母后，通過螺栓防止下導滑轉子上竄，方案詳圖見圖2。

采用臨時處理方案后，下導滑轉子不再軸向往上竄動，機組穩定運行后，下導擺度不再波動，基本維持在0.5mm左右。對于臨場方案，需定期檢查擋塊上端焊縫是否有裂紋，下導擺度一旦加大，需停機檢查。

2.2 徹底處理

如前文所述，徹底處理方案就是加大下導滑轉子同主軸間配合緊量，最直接的方法就是更換下導滑轉子，但這樣處理周期長、成本高。通過借鑒汽輪機軸系的處理經驗，決定采用熱噴涂金屬材料3D打印方法，即在在下導滑轉子內徑處噴涂一層同母材接近的材料，提高下導滑轉子同主軸的配合緊量[9-10]。機組檢修期間，對下導滑轉子徹底處理按如下過程進行。

圖2 下導滑轉子臨時處理方案Figure 2 Temporary disposal scheme of lower guide bearing collar

2.2.1 拆下導滑轉子前機組盤車檢查

在拆下導滑轉子之前，檢查先前裝的擋塊正常，焊縫無開裂現象，檢查滑轉子與大軸軸向配合面無間隙（0.02mm塞尺不能通過），確認下導滑轉子處于正常位置。隨后，對機組進行盤車，每轉動22.5°測量1組數據，共測量8組數據，結果如表1所示。由表中數據可以看出：下導擺度在正常范圍內，下導滑轉子處于正常位置。

表1 下導盤車數據Table 1 Data analysis of axis alignment of lower guide bearing 0.01mm

2.2.2 下導滑轉子取出

為保證返廠加工后的下導滑轉子同主軸完好配合，取下導滑轉子之前，先在主軸及下導滑轉子上打好位置配對標記。現場通過布置兩圈加熱片對滑轉子進行加熱，加熱時間1.5小時，主軸同滑轉子溫差約12K時，利用4個5t葫蘆在監控周向位移的情況下一次順利取出下導滑轉子。

2.2.3 下導滑轉子同主軸配合尺寸檢查

對拆下的下導滑轉子和主軸，用內徑千分尺，分別測量各自配合段的尺寸，下導滑轉子同主軸測量位置一一對應，且同拆滑轉子前位置一致，每90°測量1組數據，分別測量4組數據，具體數據見表2和表3。

表2 下導滑轉子同主軸配合段尺寸Table 2 Dimensions of guide bearing collar at the cooperation with generator shaft mm

表3 主軸同下導滑轉子配合段尺寸Table 3 Dimensions of generator shaft at the cooperation with guide bearing collar mm

由表2和表3數據可得下導滑轉子同主軸配合緊量：

其中式中2.158為下導滑轉子內徑基本尺寸（單位為m），0.01為滑轉子熱膨脹系數，1.5為下導滑轉子同主軸測量溫差（單位為℃）。

下導滑轉子同主軸測量出的實際緊量0.028mm遠小于設計值0.13～0.16mm，一旦下導滑轉子同主軸存在4K的溫差，兩者間即無緊量，實測的數據情況同前期問題分析基是本吻合。另外，同測溫的數據可以看出，下導滑轉子內圓與主軸軸頸圓度趨勢一致，后續下導滑轉子加工只需以內徑尺寸最為基準加工即可，主軸不需任何處理。這樣，大大節約了主軸的運輸和重新加工成本。

2.2.4 下導滑轉子找正

下導滑轉子返廠后，將下導滑轉子上立車進行找正檢查（每22.5°測量1組數據，共測量8組數據），檢測下導滑轉子軸頸內圓與其工作面的同軸度，結合工地測量的下導滑轉子內圈與主軸配合面尺寸，結果如表4所示。

表4 下導滑轉子找正數據Table 4 Alignment data of lower guide bearing 0.01mm

由表4中數據可以得到如下結論：

（1）通過數據分析計算，內圈與主軸配合面上、下中心找正偏差分別為0.0110mm和0.0098mm，滿足加工找正精度要求。

（2）下導滑轉子外圈的工作面與下導滑轉子內圈與主軸配合面的中心偏差分別為0.1917mm和0.2367mm，方向一致。

（3）下導滑轉子原加工工序：先進行內圓加工，然后熱套至主軸，熱套后在臥車上再次以大軸兩端法蘭面為基準，進行精車下導滑轉子外圓工作面。

此次下導滑轉子返廠加工，仍以內圈為基準，加工找正基準帶，可保證此次處理同處理前下導靜態擺度一致。

2.2.5 下導滑轉子內圓噴涂金屬層

下導滑轉子內圓噴涂方法采用超音速電弧噴涂，噴涂材料采用與下導滑轉子母材鍛鋼35A相似的304不銹鋼φ1.6mm絲材，噴涂厚度為0.5mm，噴涂時間約48h。為防止噴涂過程中下導滑轉子變形過大，噴涂過程中控制下導滑轉子溫度不超過150℃。噴涂完后，涂層同母材結合強度大于30MPa，涂層表面平整，色澤一致，硬度范圍HV299～434，硬度壓痕周圍沒有產生可見裂紋，涂層殘余應力小，韌性和加工性能好。

2.2.6 下導滑轉子噴涂后加工

下導滑轉子噴涂后，根據加工出的找正基準帶進行重新找正中心，并以滑轉子與大軸的止口為基準找同軸度（拆下導滑轉子前檢查此處無間隙），同時將下導滑轉子與主軸的配合緊量由0.028mm增大至0.25～0.30mm，對下導滑轉子內外圓進行精加工。

2.2.7 下導滑轉子工地重新熱套

（1）工地現場，發電機主軸安裝就位后，全面清理、檢查下導滑轉子，并將其吊放在臨時支墩上，用內徑千分尺復測下導滑轉子軸頸內圓直徑，核實下導滑轉子與主軸的配合緊量。

（2）滑轉子在未加熱前通過4個導鏈與專業的吊具相連，通過調整4個導鏈將滑轉子調平，調平后放在臨時搭設的加熱棚內加熱，起吊工具不動。

（3）在下導滑轉子軸頸外圓布置電加熱器，并搭設臨時圍蓬，對下導滑轉子進行加溫，理論加溫溫升約35K，以達到熱膨脹量約0.6mm，其中0.3mm為安裝間隙值，以保證滑轉子準確套裝到位。

（4）下導滑轉子最后起吊溫度100℃，經過清掃等過程，最后到達主軸正上方時溫度為65℃，主軸溫度為22℃。

（5）套裝下導滑轉子時，當下導滑轉子降至距主軸配合段約100mm時，調整下導滑轉子的鍵槽方位，其應與主軸上鍵的方位一致，緩慢下落下導滑轉子，并隨時調整下導滑轉子的鍵槽方位與主軸上鍵的方位一致，直至下導滑轉子完全套裝就位。就位后四面用4個導鏈一端與滑轉子的4個吊環相連，另一端與導葉臂相連，拉緊下導滑轉子，防止在冷卻的過程中下導滑轉子爬升，導致與軸頸間隙過大。

2.2.8 徹底處理結果

下導滑轉子熱套完成之后，回裝發電機轉動部分，經過盤車、試運行、過速及甩負荷試驗等檢驗，下導滑轉子再未出現絲毫松動現象。機組在運行過程中，下導滑轉子擺度不再波動且最大擺度為0.26mm，滿足國標要求。

3 結束語

本文通過對水輪發電機下導滑轉子松動及擺度偏大的原因進行分析，針對電站運行需要，分別采取了臨時處理方案和徹底處理方案，成功解決了下導滑轉子松動及擺度偏大的問題。本文采取的方法，希望對其他電站解決類似問題有一定的借鑒作用。