大型水电机组推力轴承运行稳定性及故障诊断

电力18讯：    摘  要：在调研的基础上，分析了当前大型水电机组推力轴承运行状况及其故障原因，并结合电网和水电厂的运行实际，按照电力系统实施运行机组状态检修的目的和要求，建立了一个大型水电机组推力轴承运行稳定性状态监测及故障诊断系统，为轴承分析诊断提供了有效、可靠的依据。

1问题的由来
    随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量机组数量增多，轴承运行状态及故障，特别是推力轴承的运行故障，对水电机组的安全稳定性运行影响越来越大。一是由于机组尺寸增大，转轮部件重量加大，固定部件的强度和刚度对推力轴承的运行影响；二是推力轴承本身结构尺寸增加，运行负载加大。当前大型水电机组推力轴承负载能力已发展超过50 000 kN〔三峡水电厂推力轴承负荷能为50 500 kN(VGS联营体制造)，55 000 kN(ABB发电有限公司制造)〕，推力轴承单位负荷发展超过7.0 MPa，直接影响到推力轴承运行的稳定性。国外因为轴承(推力轴承)运行故障带来运行机组的事故停机甚为普遍，约占水电机组机械设备总故障的1／2之多，据有关国家对水电机组机械故障的统计资料，约有50%～60%的故障出自运行机组推力轴承的原因，把它列为可靠性程度最低的重要部件。我国近年建成投运的大型水电厂，如：葛洲坝、白山、龙羊峡、隔河岩、广蓄、水口等水电厂的大型水电机组都曾发生过推力轴承瓦面温度升高，瓦面磨损的故障现象(含弹性金属塑料瓦)，直接影响到机组的可靠运行。科研单位和制造厂，针对推力轴承实际运行故障，在轴承结构和轴瓦材料等方面下功夫进行改进，但实践表明，推力轴承磨损仍然存在，有的还很严重。因此，大型水电机组推力轴承运行稳定性的状态监测和故障诊断仍是机组运行中的一项重要任务和可靠手段，它对保证机组安全经济运行是至关重要的。
2影响推力轴承运行稳定性的基本原因
2.1推力轴承运行稳定性的影响因素
    水轮发电机组运行，在其转动部件和轴瓦之间(即推力轴承镜板与推力轴瓦之间)形成一层楔形油膜。由于油膜的存在，一方面起着传递负荷作用，另一方面使摩擦面之间不发生直接接触。这种油膜的存在和最小油膜厚度的保持是推力轴承运行稳定性的关键。运行油膜厚度与推力轴承负荷、推力轴承结构以及机组的结构和机组的运行特性均有密切关系。一旦油膜破坏，就会导致轴瓦磨损，事故停机。
2.2推力轴承故障的原因
    众多的调研资料表明，推力轴承运行故障主要有3个方面的原因：一是推力轴承本身结构尺寸不合理或加工制造质量较差；二是机组运行特性不良；三是安装和运行管理不善。
2.2.1结构设计及加工质量的影响
    推力轴承设计时，是根据设计机组给定的负荷和转速，计算确定推力轴承的主要润滑数据，如推力轴承扇形瓦的块数，内、外径，长宽比和支承位置及轴承的其他结构部件尺寸。同时对推力轴承的运行工况进行精确的计算机计算，选择最佳润滑参数，实现推力轴承安全可靠运行。由于大型水电机组本身结构尺寸加大，使推力轴承在结构设计上不确定因素较多，给精确计算带来一定的难度，造成推力轴瓦尺寸不合理，轴承的强度和刚度有较大偏差。这个问题的存在集中表现以下几个方面。
    (1)推力轴瓦机械变形大。有的推力轴承在较大的轴向水推力作用下，轴瓦的机械变形大，在圆周方向上呈凸形，加上轴瓦的温度变形，往往使轴瓦局部负荷增加，局部油膜破坏，造成推力轴瓦支承中心区域磨损；有的镜板变形呈波浪形或弓形，高低差值达1.5 mm，造成轴瓦烧损。
    (2)偏心值偏低。为了防止推力轴瓦出油边的磨损，使推力轴承承受较大的负荷，在设计时，轴瓦的偏心值易选偏低值，即轴瓦偏心值选择设计规范的下限。从推力轴承运行事例可知，采用偏低的偏心值，推力轴承润滑油在轴瓦与镜板之间形成的楔形油膜是不理想的，难以确保推力轴瓦出油边最小油膜厚度的设计值(≥0.04 mm)，只会造成推力轴承润滑条件的恶化。
    (3)镜板镜面不平度过大。镜板镜面不平度过大系指推力抽承镜板波浪度和粗糙度超过允许范围，这是影响推力轴瓦(含弹性金属塑料瓦)使用寿命的重要因素。通常，巴氏合金瓦镜板粗糙度控制在Ra≤0.2～0.4 μm范围(弹性金属塑料瓦镜板粗糙度Ra≤0.64 μm)，波浪度≤0.05 mm。众多的推力轴承的镜板的粗糙度和波浪度超过了限定值。有的进口机组，推力轴承镜板不平度虽有限定值，但是现场检查发现，镜板凸凹不平，其粗糙度和波浪度之大，使轴瓦局部接触面仅有40%～60%。由于镜板镜面不平度过大，轴瓦运行温度升高，事故停机经常发生，同时也使镜板镜面划伤磨损，特别是弹性金属塑料瓦磨损后磨出金属丝，更加加剧镜板镜面的划伤磨损。
    (4)加工质量及材料的机械性能问题。推力轴承支承结构在运行中发生异变，个别的支承螺丝球面和铬钢垫表面出现