任周景，雷可馨，吳凌云，柳哲寧

(國網浙江省景寧縣供電公司，浙江 麗水 323500)

1 概 述

南坑下電站位于浙江省麗水市景寧縣南坑下下游與鸕鶿小溪支流交匯處，于1968年4月竣工。電站上游集雨面積75 km2，進水口將南坑下與黃坑圩支流匯集。引水壩為塊石漿砌石壩，高6 m，上設過坑橋、泄洪、進水閘門、沉沙地、沖沙閘。引水渠長3.56 km，設計流量1.5 m3/s，平均流量2.15 m3/s，落差70 m，壓力管直徑0.8 m，裝機容量2×200 kW，設計年發(fā)電量270萬kW·h，總投資44萬元。由于機組陳舊老化，2008年對原1、2、3號機進行了技術改造。2008年12月5日開工，于2010年1月竣工，至此，南坑下電站裝機容量達到1×800 kW+1×1 000 kW，設計年發(fā)電量500萬kW·h，年利用率3 000 h。

南坑下電站2號混流臥式水輪機自投運以來常常會發(fā)生推力軸瓦溫度過高的現(xiàn)象。夏季溫度經常會達到60 ℃導致報警，嚴重時溫度會超過65 ℃引發(fā)事故跳閘。水輪機安裝完成后請過許多老師傅、廠家專家進行維修，問題依然無法解決。后通過采用外循環(huán)的方式進行冷卻，也只能將推力軸瓦的溫度穩(wěn)定在59 ℃左右。2021年，通過運用超導熱管將推力軸瓦的溫度傳導到機體外殼進行水冷散熱的方法進行降溫，取得了一定的成效，但依然沒有從根本上解決問題。2022年1月，該水輪機發(fā)生燒瓦事故導致停運。

2 2號水輪機結構

南坑下電站2號水輪機為混流臥式水輪機，屬于反擊型水輪機的一種。由蝸殼、轉動部分、導水機構、推力徑向軸承、制動裝置、引水部分、伸縮管、尾水管等零件組成。水流由引水管引進，經過閥門、伸縮管、進水彎管、蝸殼、導葉，進入轉輪，再由尾水管排至下游。水流進入轉輪并沖擊葉片，使轉輪轉動，從而將水能轉換為機械能；再通過水輪機主軸傳遞，使發(fā)電機轉子旋轉，將機械能轉換為電能。

推力徑向軸承主要承受轉動部分的徑向力和作用于水輪機轉輪上的軸向力，軸承采用封閉自循環(huán)供油方式，潤滑油的冷卻采用水冷。冷卻水由蝸殼進水端引出，經濾水器后進入冷卻器，潤滑油采用46號汽輪機油。軸承的徑向瓦采用半分結構，表面澆有巴氏合金。徑向瓦一段設有小推力瓦面，以承受水輪機組的反向推力，軸承的推力瓦是由8塊可調試剛性支撐的推力瓦塊組成。軸承上裝有窺視蓋、油標、溫度計，用以觀察軸承上的油位、油溫以及潤滑情況。軸承由8顆螺栓及定位銷固定在水輪機底板上，軸承體上裝有M24×190的2顆固定螺栓與水輪機相聯(lián)接，以加強軸承的剛性。

推力瓦安裝前需要清洗、去銹、去除毛刺。通過對經汽油清洗干凈后的推力瓦進行研刮，保證推力瓦表面每平方厘米有2～3個顯示點，即可使其在水輪機正常運作后能夠很快在表面形成一層均勻的潤滑油膜。通過潤滑油膜的隔離，推力瓦與推力盤之間不發(fā)生直接接觸，從而大大減少推力瓦與推力盤之間的摩擦系數(shù)，延長了推力軸瓦的使用壽命。

3 原因分析

當混流臥式水輪機運行過程中推力軸瓦因振動與摩擦而產生的熱量大于冷卻循環(huán)系統(tǒng)帶走的熱量時，推力軸瓦的溫度就會升高。因此，可以從產熱與散熱兩個方面來尋找本次南坑下電站2號水輪機燒瓦事故的原因。

3.1 推力軸瓦與水輪機其他部件發(fā)生摩擦

在水輪機運行過程中，推力軸瓦與水輪機的推力盤等其他部件之間不可避免地會發(fā)生摩擦并產生熱量與損耗。水輪機工作狀態(tài)正常時推力瓦表面通過一層均勻的潤滑油膜與推力盤隔離開來，但若出現(xiàn)以下情況時，高速旋轉的推力瓦與推力盤之間就有可能發(fā)生直接接觸并產生摩擦，導致推力瓦與推力盤表磨損并使面溫度升高。推力瓦表面的磨損嚴重到一定程度會使?jié)櫥碗y以均勻附著在其表面，從而加劇推力瓦與推力盤之間的摩擦，最終導致推力瓦燒毀。

3.1.1 水輪機在運行過程中振動過大

水輪機發(fā)電用的水來源于上游水庫，水中難免會攜帶有落葉、泥沙等異物，在雨天有時也會發(fā)生進水量波動較大的現(xiàn)象。水中的泥沙、石子等異物與水輪機蝸殼內的轉輪葉片發(fā)生碰撞，會使轉輪發(fā)生磨損，轉輪葉片在長時間的水流沖刷下也會發(fā)生銹蝕。水輪機轉輪葉片發(fā)生磨損與銹蝕之后容易導致轉輪葉片重量分布不均，此時轉輪轉動時產生的振動加劇，并通過與轉輪相連并被帶著旋轉的水輪機主軸將振動傳遞給整個水輪機。此時，用于承受水輪機運行過程中主軸產生的徑向作用力與軸向作用力的軸瓦會承受更大的作用力；并且軸瓦更加容易與相鄰的部件發(fā)生接觸產生摩擦，導致軸瓦溫度升高。

水輪機組如間隙大小、水平度等參數(shù)與規(guī)程規(guī)定的參數(shù)存在偏差也是導致水輪機在運行過程中振動過大的原因之一。根據(jù)南坑下電站2號水輪機設計圖紙，該水輪機主軸水平允差應小于0.02～0.014 mm/m，徑向軸瓦總間隙應在0.18～0.25 mm之間。如主軸水平度、軸瓦間隙等指標不合格，會導致水輪機運行狀態(tài)不正常，推力瓦偏離軸心。過小的間隙會導致推力軸瓦在運行過程中與其他部件發(fā)生接觸并產生摩擦的概率增加；同時也會影響到水輪機的潤滑油循環(huán)系統(tǒng)，使溫度升高。推力瓦的傾斜不利于油膜形成，甚至會導致推力瓦在運行過程中發(fā)生變形，從而降低其承載能力。

3.1.2 推力瓦表面無法覆蓋上均勻的油膜

推力瓦安裝前清洗與研刮工作不到位是導致潤滑油無法均勻地附著在推力瓦表面的原因之一。若推力瓦制作工藝不到位，會使得推力軸瓦表面無法形成均勻的油膜，推力軸瓦轉動過程中與推力盤發(fā)生摩擦，導致溫度升高，嚴重時導致推力瓦燒毀。

潤滑油本身的性質也是會影響到推力瓦表面能否覆蓋上一層均勻油膜的原因之一。不同牌號的潤滑油粘度及化學性質均不同，應根據(jù)水輪機機組型號、推力軸瓦間隙等相關基礎數(shù)據(jù)選擇合適的汽油進行冷卻與潤滑。根據(jù)規(guī)程，南坑下電站2號水輪機采用46號汽輪機油作為潤滑油，這種潤滑油在40 ℃時運動粘度為44.10 mm2/s。

若潤滑油因長時間放置而發(fā)生劣化，或潤滑油中含有雜質過多時，潤滑油的粘性會受到影響。因此，潤滑油應定期進行采樣檢測，對不合格的油進行更換，從而保證潤滑油對軸瓦能夠正常起到潤滑與冷卻的作用。

3.2 水輪機散熱不良

南坑下電站2號水輪機的推力軸瓦主要依靠機組內部的油循環(huán)來保證散熱。正常運行時，帶有打油槽的推力盤跟隨主軸進行高速旋轉，依靠離心力將下層溫度較低的油不斷打上來，使油能夠覆蓋推力軸瓦表面并對其進行潤滑與冷卻。上層溫度較高的油通過頂部的間隙與出油孔再經冷卻器冷卻并重新回到下層，完成水輪機的散熱。若油循環(huán)出現(xiàn)問題，水輪機的散熱功能將受到影響，推力軸瓦在機組運行過程中產生的熱量無法擴散到外界去，就會導致軸瓦溫度的升高。此外，外界環(huán)境溫度過高也會影響到水輪機的散熱。

3.2.1 水輪機工作環(huán)境溫度過高

夏季高溫的環(huán)境下，機組自身溫度與用于散熱的水和油的基礎溫度都比較高。此時水輪機工作時的溫升加上環(huán)境基礎溫度容易使水輪機推力軸瓦的溫度突破報警溫度，甚至導致事故跳閘。高溫環(huán)境也容易使?jié)櫥桶l(fā)生變質，使其不能很好地對推力軸瓦進行潤滑與降溫。

3.2.2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)問題

當推力盤、推力徑向軸瓦、導油罩等部件之間的間隙大小配合不好時，推力盤的打油效率會受到影響；這種情況下被打上來的油會很快經出油孔進入冷卻器冷卻或直接通過過大的間隙跌落底層，使推力軸瓦得不到充分的潤滑與散熱。

流進冷卻器中的冷卻水是直接從水輪機的導水機構中引進的，水中會帶有一些如泥沙、落葉之類的雜物；這些雜物在冷卻器進水管道淤積后會造成堵塞。此時，流經冷卻器進水管道的冷卻水流量會減少，會使得冷卻器對潤滑油的冷卻效率降低。冷卻器管道中的水壓可以通過外部的儀表進行觀測，若儀表顯示管道中水壓過大，則說明管道可能堵塞，需要對管道中淤積的雜物進行清理。

4 處理方案

經多次對南坑下電站2號水輪機組進行檢查、維修與重裝，推力瓦已經更換過多次，該水輪機運行過程中因軸瓦溫度過高而導致報警甚至跳閘的事故依然常發(fā)生?？梢钥闯?，2號水輪機推力軸瓦溫度過高的原因并非是推力瓦研刮工藝存在問題。

本次維修過程中，維修人員也對水輪機的冷卻器及冷卻管進行過拆裝與清洗，剔除了冷卻管中的落葉等雜物，保證了水輪機水冷循環(huán)的正常工作。加上2021年在機組外殼上插接的超導熱管散熱來對水輪機進行降溫，水輪機散熱系統(tǒng)中的冷卻器應該是能夠對潤滑油起到良好散熱效果的。因此，南坑下電站2號水輪機推力軸瓦溫度過高的原因也不是冷卻器出現(xiàn)了問題。

最后維修人員發(fā)現(xiàn)是由于該水輪機組安裝之初工藝上存在問題，水輪機推力徑向軸瓦部分的各個間隙大小未能與水輪機的內部油循環(huán)達成配合，導致潤滑油被推力盤打上來后很快跌落，無法形成水規(guī)定的高油位；推力軸瓦無法整個浸泡在潤滑油中，潤滑油無法起到冷卻和潤滑的作用，最終導致了運行時推力軸瓦溫度過高的現(xiàn)象。因此，最終采取的維修手段如下：

一是維修人員將水輪機導油罩上蓋擋油的位置與推力盤之間的間隙從1.5 mm降為0.8 mm左右，從而使推力盤更容易將底層的油打到上層，并減少了潤滑油的跌落。

二是維修人員采用銅皮將出油孔下部擋住1/3，使?jié)櫥湍軌蛐纬筛哂臀?，并限制潤滑油流出的速度?/p>

采取以上兩個措施，南坑下電站2號水輪機以額定轉速1 000 r/min轉動時，通過徑向軸承的窺視蓋向內看可以觀察到通過推力盤的高速旋轉，底層的潤滑油被不斷打上來，使機組的推力軸瓦能夠正常浸泡在潤滑油中，且整個機組的油溫處于正常范圍內。

問題解決后，由于春節(jié)期間下雨頻繁，南坑下電站水輪機能夠正常投入運行，日發(fā)電量約為960 kW·h，為景寧供電公司創(chuàng)造了大量的經濟效益。

5 結 語

南坑下電站2號水輪機推力軸瓦溫度過高的問題已經困擾維修人員多年，最終發(fā)現(xiàn)問題的源頭是50多年前水輪機安裝時軸瓦間隙沒有按照規(guī)程整定。水輪機這種長使用壽命的機械在安裝時微小失誤可能引發(fā)的經濟損失是不可估量的，因此在安裝水輪機時必須嚴格按照規(guī)程，將各項參數(shù)把控好，不可馬虎大意。