水轮发电机组推力轴承瓦支柱失效分析

邹南城，李胜鑫，沈满林

(1.华电福新能源华安水力发电厂，福建 华安 363800；2.杭州汇安电力工程技术有限公司，浙江 杭州 310000)



水轮发电机组推力轴承瓦支柱失效分析

邹南城1，李胜鑫1，沈满林2

(1.华电福新能源华安水力发电厂，福建 华安 363800；2.杭州汇安电力工程技术有限公司，浙江 杭州 310000)

对推力轴承瓦支柱失效的原因进行分析，复核了推力轴承瓦支柱材料、金相组织和推力轴承瓦支柱整体各结构单元的受力状况，得出了初步结论。图3幅，表2个。

水轮发电机组；推力轴承；轴承瓦支柱；失效；原因分析

1 概 述

某水电站位于福建省某县城境内的九龙江北溪干流的河段上，距著名侨乡闽南“金三角”经济开发区——漳州市约55 km，距县城约10 km。工程于1971年动工兴建，1979年10月1日第1台机组并网发电，1980年4月5日全部建成投产。电站装机容量为4×15 MW，安装有4台混流立式水轮发电机组。2014年7月底，4号机组在运行时出现异常，经停机检查发现4号机组6、7号推力轴承瓦支柱开裂成4块失效，后对8个推力轴承瓦支柱全部进行了更换，4号机组继续投入运行。

2 失效原因分析

推力轴承瓦支柱失效的原因可能是多种因素合成作用造成，不仅有推力轴承瓦支柱本身的原因，也有可能是水轮发电机组整体的原因，还有可能是水力学和电磁力学方面共同作用的结果。

水轮机型号:HL211—LJ—255,发电机型号：SL550—79/28，水推力：842.8 kN(86 t)，水轮机转动部分重：140.3 kN(14.3 t)，发电机转子重：784.8 kN(80 t)，合力：176.8 kN(180.3 t)，推力轴承瓦支柱数：8块，平均单块推力轴承瓦支柱受力：221.7 kN(22.6 t)，原随机图纸表明推力轴承瓦材料为A3(Q235)。

2.1 材料验证及金相分析

为了验证失效推力轴承瓦支柱实际所采用材料，对失效推力轴承瓦支柱材料进行了化学成份分析，发现失效推力轴承瓦支柱为45号钢(见表1)，与机组原随机图纸表明推力轴承瓦支柱材料为A3(Q235)不符。

表1 推力轴承瓦支柱材料成份检测结果

表2 推力轴承瓦支柱硬度检测结果 HB

45号钢材料屈服极限为355 MPa、强度极限为600 MPa,综合机械性能比A3(Q235)要优(其屈服极限为235 MPa、强度极限为375～500 MPa)；并且45号钢便于局部表面淬火或整体调质处理，以便满足推力轴承瓦支柱对材料性能的要求。在设计过程中对综合机械性能要求较高或受力状况比较复杂的构件往往采用45号或40Cr等。

从表1的结果可知，推力轴承瓦支柱的材料是45号钢，45号钢加工成推力轴承瓦支柱可能采取如下几种形式：圆钢坯料直接加工而成、圆钢坯料直接加工经热处理而成、圆钢坯料锻造经调质处理加工而成，铸件加工而成。推力轴承瓦支柱究竟是45号钢采用何种形式而成，直接影响其综合机械性能。使用硬度计对推力轴承瓦支柱各个不同表面进行布氏硬度测量(见表2)和在硬度较高处进行金相组织分析(见图1)的办法验证推力轴承瓦支柱是采用上述哪种材料。

从表2可看出，推力轴承瓦支柱与推力轴承瓦接触面的硬度与45号钢局部淬火硬度相当，推力轴承瓦支柱非接触面的硬度与45号钢棒料直接加工的材料硬度相近。

a 45号钢淬火处理的标准金相组织 b 推力轴承瓦支柱推力轴承瓦接触表面金相组织

(铁素体+珠光体)

100× 4%硝酸酒精溶液浸蚀 100×

图1 推力轴承瓦支柱的受压表面经磨削加工后进行金相组织分析结果

从图1a和图1b对比可知，推力轴承瓦支柱与推力轴承瓦接触面的金相组织(铁素体+珠光体)与45号钢淬火处理的标准金相组织相近，该处金相组织为淬火处理金相组织。

综合硬度检测和金相组织分析结果，失效的推力轴承瓦支柱为圆钢棒料加工并对推力轴承瓦支柱与推力轴承瓦接触面局部淬火热处理而成。

2.2 结构受力有限元分析

机械构件的失效不但与构件采用的材料有关，构件的受力状况也是造成构件失效最重要的原因之一。为了探究推力轴承瓦支柱失效的原因，还对推力轴承瓦支柱进行了结构有限元强度分析。

推力轴承瓦支柱的结构有限元强度分析计算方法：采用有限元分析软件，建立推力轴承瓦支柱结构三维有限元数学计算模型，并采用线弹性有限元法，把推力轴承瓦支柱结构离散为实体单组成的弹性结构，进行结构有限元计算，校核结构的强度、刚度，模型按照失效推力轴承瓦支柱图纸进行实体建模。

推力轴承瓦支柱结构有限元计算模型及参数如下所示(见图2)。

(1)单元剖分

推力轴承瓦支柱数8块，以一整块推力轴承瓦支柱为分析对象，建立计算模型。计算模型的单元总数为258 827个。

(2)约束处理

推力轴承瓦支柱底部受到六向的支撑约束，其他自由度约束。

(3)计算载荷

计算载荷主要考虑作用在推力轴承瓦支柱上的水推力和水轮机、发电机转动部分自重，水推力：842.8 kN(86 t)，水轮机转动部分重量：140.3 kN(14.3 t)，发电机转子重量：784.8 kN(80 t)，合力：176.8 kN(180.3 t)，平均单块推力轴承瓦支柱受力：221.7 kN(22.6 t)，在此计算未考虑推力轴承瓦支柱之间受力不均匀性。

(4)结构尺寸与材料特性

结构的外形尺寸按设计图纸取用。结构材料为45号钢,局部表面热处理。其屈服极限为355 MPa,强度极限为600 MPa，计算时取弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比取μ=0.3。

图2 推力轴承瓦支柱模型

(5)计算结果及分析

从计算结果看，推力轴承瓦支柱整体应力值分布未见明显异常。应力值最大在底部8个突台与主体结构过渡的圆角顶点处300 MPa左右，其他圆角过渡处应力值在180 MPa左右(见图3)。

图3 推力轴承瓦支柱计算结果

从硬度检测和金相组织分析结果看，失效的推力轴承瓦支柱是45号圆钢棒料加工经对推力轴承瓦支柱与推力轴承瓦接触面局部淬火热处理而成。从推力轴承瓦支柱结构形式和对综合机械性能要求并结合当时的工业水平，采用45号这种材料并进行这样方法处理是比较合理的。

推力轴承瓦支柱的结构有限元强度分析结果表明，推力轴承瓦支柱整体应力值分布未见明显异常。应力值最大在底部8个突台与主体结构过渡的圆角顶点处300 MPa左右，接近45号钢的屈服极限为355 MPa。本次结构有限元强度分析的载荷只取用了静载荷，并且只考虑8块推力轴承瓦支柱均匀受力。如果考虑单块推力轴承瓦支柱受力的不均匀性和动载及其他偶然载荷，上述应力值较大处的实际应力会更大。

3 结 语

从以上试验分析研究结果看，推力轴承瓦支柱细微处结构设计不尽合理，造成局部应力过大，是推力轴承瓦支柱失效的原因之一；是否还有其他更主要的原因，有待进一步研究分析。

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责任编辑 吴 昊

2014-09-24

邹南城(1964-)，男，高级工程师，主要从事水电厂生产管理工作。