水輪發電機組推力軸承故障分析及處理

顏赟成， 王文歡， 張 賽， 周政龍， 閔占奎， 劉秀良， 王顥鈞， 潘衛國

(1. 上海電力大學 能源與機械工程學院， 上海 200090； 2. 甘肅省電力科學研究院， 蘭州 730050)

水輪發電機組推力軸承支撐著整個機組的軸向負荷，通過潤滑油膜使得隨軸系轉動的鏡板和固定靜止部件推力軸瓦分離，它是保證機組安全可靠并長期穩定運行的最關鍵部件之一。在實際運行過程中，油膜受到剪切的作用產生熱量，必然會出現溫度上升的現象。在正常情況下，熱量會通過對流和導熱的方式由冷卻器冷卻，從而使軸承溫度維持在一個正常的溫度閾值內。但是，在運行時由于推力軸承的軸向水推力和運行參數受到工況和環境的影響，產生了軸承潤滑條件惡化、油膜變形、軸瓦受力不均等現象，造成油膜溫度升高、潤滑性能變差、潤滑油黏度降低，從而使油膜的厚度銳減。這些因素進一步引起推力軸承潤滑冷卻性能的下降，導致推力軸承發生干摩擦和燒瓦，同時伴隨機組的振動和擺動急劇增大，嚴重影響了機組的安全運行。一旦推力軸承發生燒瓦現象，必須立即停機檢修，否則會造成整臺水輪發電機組的損壞等重大故障。筆者針對一系列水輪發電機組推力軸承的事故故障，分析總結事故原因，以期為同類故事處理提供參考。

1 機組振動分析及處理

水輪發電機組的一般振動不會危害機組運行，但當振動嚴重超過允許值，尤其是長期周期性振動及發生共振時，會使得推力軸承無法形成穩定的油膜厚度來支撐軸系載荷，同時由于振動造成金屬瓦的鎢金與鋼質體分離并剝落，污染潤滑油、磨損瓦面、增加鏡板粗糙度，使軸瓦溫度升高，引起推力軸承故障，影響機組的使用壽命，嚴重威脅機組的運行安全。但是機組的振動又是不可避免的，只能盡量減少振動，使得機組振動限制在允許的范圍內[1]。我國現行立式水輪發電機組的振動允許值見表1。

表1 立式水輪發電機組各部位振動允許值

根據引起機組振動造成軸承干擾力的不同形式，機組振動的原因可以分為水力因素、機械因素和電磁因素[2]。

水力因素以水推力變化為主，是造成水輪發電機組振動最主要的原因。水推力變化造成推力軸承故障的水電站多位于我國黃河、金沙江、大渡河、岷江、紅河、長江流域附近[3]。由于這些流域的水力具有獨特的多泥沙因素，導致過機水流含泥沙量大，大量的泥沙顆粒高速沖刷并磨損過流部件表面，從而引起水力擾動，使機組產生振動，導致運行時推力軸承受力不平衡、油膜變形、軸承的潤滑性能降低、軸瓦溫度升高，以及軸瓦的壓力分布和油膜厚度受到破壞造成推力軸承運行狀況惡化，引發軸承燒損的故障。當水推力擾動的頻率與機組的某個部件或機組的固有振動頻率相同時，甚至還會發生共振[4]，造成推力軸承損壞的重大故障。

造成水推力變化的兩個主要原因是設計制造缺陷和泥沙磨損。

機組轉輪葉片尾端因設計制造缺陷存在鈍尾和葉面壓差。鈍尾的存在會使葉片出水邊形成卡門渦街，當其振動頻率與葉片自振頻率相同時，葉片疲勞產生裂紋[5]，軸系轉動不平穩，造成推力軸承潤滑性能下降，容易發生燒瓦。

多泥沙水力條件下造成過流部件的泥沙磨損，往往會導致轉輪氣蝕和嚴重磨損破壞，不但會引起轉輪受力不均勻、水流失去軸對稱，還會引起過流部件尤其是尾水管振動，甚至引發廠房共振。運行時轉輪葉片上還會存在壓差，產生周期循環的壓力波動，進一步導致機組振動，影響推力軸承形成穩定的油膜結構。這種情況下，軸瓦的受力不均勻，個別瓦面壓力負荷過大，造成軸瓦超溫、燒損故障，導致機組無法穩定運行。

機械因素是指發電機組緊固零部件發生松動或者在制造、安裝過程中存在誤差。機組在制造加工過程中可能出現金屬材質不均勻、制造水平與加工精度低等問題，使機組的受力平衡被打破。運行時產生的周期性干擾力使機組產生周期性的振動[6]，從而使得推力軸承每個瓦面受到的負荷不均勻，個別軸瓦溫度過高進而出現超溫燒瓦故障。

電磁因素主要是指發電機組磁拉力不平衡[7]。發電機磁極短路或發電機定子鐵芯松動都會導致由電磁因素引起的機組振動。同樣的，由于機組振動，加快了軸瓦的磨損和表面金屬材料的剝落。

上述三種因素中，引發機組振動造成軸承故障最主要的因素是水力因素，國內對于水力因素引起機組振動的處理主要有以下五種方法：

(1) 合理排沙，減少過機水流含泥沙量。

劉家峽水電站采取低水位拉沙和異重流排沙，漁子溪水電站利用沉沙池排沙，三門峽水電站采用七下八上機組停運的運行方式[8]。這些根據各自水力特性采取的措施都改善了過流部件泥沙磨損嚴重的情況。

(2) 優化水輪機參數選擇。

泥沙含量高的水電站參數選取應統籌汛期的運行工況，減少過流部件在汛期的過度磨損。萬家寨水電站在渾水期采用較低的比轉速，控制相對流速，實行無空蝕運行，降低了機組磨蝕，延長了機組大修周期[9]。三門峽水電站6號、7號機組在汛期通過降低比轉速和流量也改善了機組泥沙磨損的情況。

(3) 改善水輪機的水力設計和結構設計。

利用現代計算軟件進行流場分析，優化水輪機過流部件的水力設計模型，尤其是轉輪采用負傾角的翼型，優化葉片出口環量等。劉家峽水電站通過增大導葉直徑，優化導葉翼型，最佳匹配固葉與動葉，改善導葉區流態，降低了導葉表面流速，減輕了過流部件磨蝕的問題[8]。絳山、鐵吾、團結水電站通過改造易磨蝕部件形狀，同時加裝阻水柵和導流板，改善了流場，減輕過流部件的磨損。

(4) 優化本體材料。

對于易磨損部件采用抗磨蝕的材料。葛洲壩[10]、劉家峽[11]、魯布革[12]水電站的轉輪都采用了高強度抗磨蝕的材料，達到了減輕磨損的效果。

(5) 采取表面防護措施。

可以用抗磨蝕的材料對過流部件表面進行強化。綏德、天橋水電站使用抗磨涂層，青銅峽、鹽鍋峽、大峽、劉家峽水電站使用抗磨蝕的超高分子材料，都減輕了磨損的情況[13]。

引起水輪發電機組振動的原因十分復雜，必須找出主要原因，采取綜合治理措施并逐步消除。石門水電站3號機組[14]振動和擺動大，機組不能穩定運行，在安裝階段采取了動平衡試驗，取得了一定的成效，但是機組下機架振動并未改善，長時間運行后軸線發生偏斜。經過試驗分析得到，造成機組振動的原因可能是由機械不平衡、軸線曲折、轉子質量不平衡共同作用引起的。經過修型葉片、調整軸線和推力瓦等，振動問題得以解決，機組能夠穩定安全運行。

2 推力軸承結構設計不合理及處理

根據機組給定的負荷和轉速等參數，并兼顧機組的運行工況，精確計算后選擇出水輪發電機組推力軸承的最佳潤滑參數，即軸瓦的結構尺寸和安裝位置[15]。

隨著水輪發電機組的負荷越來越大，推力軸承在設計上的不確定因素增多，給精密設計帶來一定的難度，具體表現在以下四個方面：

(1) 軸瓦尺寸設計不合理，可能造成軸瓦間隙過小，影響油膜的形成，同時影響冷油進入瓦面，輕則引起瓦溫升高，重則造成燒瓦事故。除了軸瓦間隙過小，還可能存在軸瓦設計厚度不夠的問題，使得在正常運行時瓦溫升高產生過度的機械變形。此外，熱油和冷油的溫差較大也會使軸瓦產生較大的熱變形(見圖1)。由圖1可以看出：熱膨脹發生后[16]，在軸瓦的承重中心呈凸形周圍向下凹，正是這個凹凸的變形面導致了油膜變形，軸瓦承載面積變小，單位面積受力增大，導致軸瓦超溫和燒損故障。

圖1 推力軸瓦瓦面磨損情況

黑麋峰水電站4號機組軸瓦溫度一直明顯偏高，并且有上升趨勢，威脅機組穩定運行。通過專家組分析，油流量和冷卻熱油的冷量都符合設計要求，故斷定軸瓦在設計上不能滿足瓦溫在安全閾值內運行的要求。專家認為部分附著在鏡板上的熱油，由于邊界層作用，進入到下一個軸瓦的進油端[17]，因此導致了推力軸承潤滑性能的下降。通過在軸瓦出油邊增設熱油隔離降溫裝置(見圖2)，優化了熱油流向，從而降低了軸瓦運行溫度，使得機組能夠穩定安全運行。

圖2 黑麋峰水電站裝設熱油隔離降溫裝置位置

(2) 在軸承支撐結構上，設計的偏心值偏低。偏心值是指推力軸瓦及配合的瓦托與支撐部件例如彈性油箱或者剛性支撐結構的中心點的偏心度[18]。理論上，調整偏心值的意義是為了減輕甚至防止軸瓦在出油邊的磨損。然而，在實際運行中得到的經驗發現，偏心值偏低反而無法形成理想的油膜形狀，難以維持最小油膜厚度[19]，使得軸瓦在出油邊磨損，導致軸瓦受力不均，降低了軸瓦的承載能力和機組的穩定性。

目前，尚未有水電站通過調整支撐部件的偏心值解決推力軸承運行問題的例子。

(3) 在推力軸承冷卻系統冷卻器的結構選型設計和運行參數選擇上，也存在設計偏差的問題。此外，針對外循環冷卻方式的設計，還會存在油循環結構不當，造成供油方向與鏡板旋轉產生的油流方向相反的熱油短路現象，使軸瓦間的潤滑油流動停滯，摩擦產生的熱量在瓦面上聚集，加快軸瓦磨損[20]。對此可以通過加設擋油板或合理改進擋油板的形狀結構以降低油循環的流動阻力；在廠房尺寸允許的條件下，擴大冷卻器過油面積和增大冷卻器管間距離，優化潤滑油流動，以減少熱油渦流死區，提高推力軸承潤滑油的冷卻效果，降低進油邊潤滑油的溫度；將軸瓦表面的溫度控制在安全閾值內，避免由于軸瓦超溫引起的推力軸承燒損故障。

此外，對于采用外循環冷卻方式的梨園水電站4號機組[21]，投運后軸瓦溫度過高臨近閾值，通過加大冷卻器流量和壓力后，軸瓦溫度并無顯著改善，繼而決定優化潤滑油的流動循環。通過封閉油管路的隔板通孔，同時拆除油泵進口的過濾網，減少了潤滑油在推力軸承油槽內流動的阻力。改造完成后，推力軸承各軸瓦都沒有發生超溫報警的情況，解決了軸瓦超溫的故障。

(4) 在推力軸承軸瓦進油邊的油膜形狀設計上，設計不佳會對機組啟動時潤滑油膜的形成速度造成影響，導致油循環動力不足，在軸瓦出油邊產生滯流區或渦流區，造成熱量在軸瓦間聚集，軸瓦溫度持續升高，導致軸瓦燒損的故障。

水電站為解決因推力軸承結構設計缺陷引起的故障，通常會調整多個推力軸承部件的運行參數和結構尺寸。

安康水電站3號機組[22]在某次檢修過程中抽出12塊軸瓦發現所有瓦面都存在磨損現象，經分析主要原因為軸瓦設計不佳，導致軸瓦變形量過大。通過增加軸瓦的寬度和厚度，并將軸瓦更換為雙層瓦結構，采用球面支撐方式，增大了冷卻水壓力，處理后機組的運行情況得到明顯改善。

上述四個因素都是水輪發電機組在設計初就存在的缺陷，只有機組經過帶負荷甚至高負荷長時間運行，才會顯現。但是，設計缺陷只存在于個別水電站的某一機組或同類型機組上。負荷的不斷提升及水力條件的變化，給精密設計造成了很多的不確定性和難度，造成機組推力軸承無法承受巨大的軸向載荷，最終導致了推力軸承潤滑性能下降，引起軸瓦溫度過高和燒損的故障。

3 加工安裝缺陷及處理

在加工工藝上，存在鏡板下表面的鏡面粗糙度和波浪度過大現象，在運行時鏡板的平行度若超過0.02 mm/m，則軸瓦局部接觸面僅有40%～60%[16]，推力軸承在半干摩擦甚至干摩擦狀態下運行引起燒瓦的故障。此外，軸瓦刮削質量不良、瓦面粗糙，加大了潤滑油流動阻力，同樣會使得軸瓦運行狀況不良，引起軸瓦溫度偏高、燒瓦的故障。

對于加工缺陷的處理措施主要通過提高軸承各部件的制造工藝精度和質量，消除鏡板水平度和光潔度不足、軸瓦刮削不佳的情況，避免了因加工缺陷造成軸承潤滑性能下降而引發的軸承故障。

在安裝時，也會出現機組主軸偏移、推力頭鏡板與主軸夾角超過允許值的問題，主要有兩種手段解決該問題：

(1)重新水平調平鏡板。使發電機主軸徑向受力均勻，并精確定位機組的旋轉中心，確保軸系運行的垂直度和直線度[23]。

(2)再加工。使推力頭的軸孔與下端面的垂直度符合規范要求，消除螺栓對主軸的徑向力，避免主軸偏移。

機組通過以上兩種手段可以很好地解決由于安裝缺陷破壞潤滑油膜形狀的故障，消除了油膜承載能力差、個別軸瓦載荷大超溫的負面影響。

4 潤滑油冷卻系統故障及處理

潤滑油冷卻系統故障一般包括管道堵塞、閥門損壞、過濾器雜質過多等。冷卻管道的堵塞降低了管道內冷卻水的流量，使得冷卻系統無法產生足夠的冷量完全冷卻潤滑油所帶出的熱量，溫度較高的潤滑油會繼續在油槽內循環，造成軸瓦溫度過高燒損的故障。

對于潤滑油冷卻系統故障的預防和處理，一定要定期維護冷卻系統管路，及時更換老化或故障的閥門等部件[24]，并及時疏通堵塞的管路。針對異物較多的夏秋季，應及時處理引水渠和水庫內的漂浮物，避免冷卻系統管路堵塞。

5 其他原因及處理

由于運行管理不善，機組存在頻繁啟停、快速變負荷的現象，加快了推力軸承部件的老化，造成鏡板鏡面劃傷、軸瓦磨出金屬絲[25]，造成潤滑油污染、油質下降，金屬碎屑加劇了鏡板和軸瓦的磨損程度，降低了軸承潤滑性能，導致軸瓦溫度過高的故障。

此外，由于機組的運行操作沒有嚴格按照規程，會造成機組振動嚴重、潤滑油油質變差、機組軸線和各部件裝配上存在誤差等問題，進而導致軸承運行不穩定，長時間運行后軸瓦溫度過高，引起燒瓦故障。

三河壩水電站3臺機組[1]在某次檢修時沒有按照規程，省略了推力頭預熱流程。機組長期運行后，推力頭發生松動引起機組振動愈發嚴重，機組被迫停機。

俄羅斯薩彥-舒申斯克水電站于2009年8月發生了重大事故，6 400 MW的水電站停機，并且造成了75人遇難，損失慘重。事故調查小組報告稱：機組工作人員在得知薩彥-舒申斯克水電站不僅存在水輪機水力性能設計不佳和結構設計特性不良的情況下，還長期在強振動區運行，并沒有做出相應的工況調整和結構優化[26]。這是嚴重的缺乏管理、疏忽檢修、不執行條例規定導致的嚴重事故。

6 結語

水輪發電機組推力軸承承受著巨大的軸向水推力，推力軸承的穩定性直接決定了機組能否長期安全可靠運行。隨著水輪發電機組單機容量的不斷提升，維持推力軸承能夠長期穩定運行成為首要解決的問題。筆者結合典型國內外水輪發電機組推力軸承的事故故障，對水輪發電機組推力軸承的故障原因及改進方法進行匯總綜述，供大型水電站和電力設計院參考，以避免因推力軸承故障損壞為水電站的安全埋下隱患，給水電站造成不必要的經濟損失和安全事故。