水轮机导轴承系统存在的问题及改进

何 东

（汉中市南郑区红寺坝水库灌溉管理局，陕西 汉中 723112）

0 引言

贯流式、轴流式水轮机内通常设有导轴承，用于支撑水轮机转子的部分重力，承受一部分主轴旋转产生的径向离心力。普通导轴承结构简单，采用水冷却润滑方式，制造和运行成本低，因而在中小容量的贯流式、轴流式水轮机中得到普遍应用。但是，在实际应用中，常存在一些问题，影响水轮机组正常运行，本文就水轮机组普遍存在的问题进行分析探讨。

1 导轴承系统结构和原理

导轴承位于水轮机进水端导水室中的导水锥内，导轴承由金属轴承体与酚醛塑料轴瓦（简称轴瓦）构成，轴承体通过螺栓与水轮机导水室固定连接，轴瓦与轴承体的连接为过渡配合、固定连接。

水轮机主轴的上游端套有表面镀铬的合金钢护套（简称钢套），钢套与主轴之间出厂时为过盈配合，钢套紧紧的箍在主轴上，与主轴固定成为一体在轴瓦内旋转（以下如说主轴与轴瓦的关系时即指套有钢套的主轴）。为防止钢套沿轴向移动而脱落，在主轴端部设有端盖，端盖与主轴采用螺纹连接，限制钢套轴向移动。

主轴与轴瓦之间有很小的间隙，以便主轴在轴瓦内平滑稳定的旋转。导轴承瓦和主轴的冷却润滑方式为水冷却润滑，经过滤后的清洁冷却水通过轴瓦内壁的导水槽，在主轴旋转力和冷却水轴向压力的共同作用下，沿主轴与轴瓦间隙，呈螺旋状向前作径向与轴向的复合运动，对主轴与轴瓦之间的滑动摩擦起润滑冷却作用，不断的带走摩擦所产生的热量，冷却水与下游水流汇合流出。以上即构成了水轮机导轴承的过滤、润滑、冷却、联结、旋转系统，以下简称“导轴承系统”，其结构见图1。

图1 改造前导轴承结构图

2 普通导轴承系统运行中存在的问题、原因和改进措施

以南郑区青龙崖水电站为例，近年来，发现运行3～6 个月后，机组震动逐渐增大，噪音逐渐升高，初步判断为导轴承损坏，关机停水后拆开水轮机进水段，发现有以下单独或者叠加出现的问题：

2.1 轴瓦、钢套磨损

轴瓦内壁、钢套外壁磨损，套有钢套的主轴与轴瓦间隙过大，震动过大。如果轴瓦、钢套超过其使用寿命而磨损，则属于正常现象。轴瓦、钢套的磨损，更换容易，成本低。正常的维修，通常都是定期更换轴瓦和钢套，以保护其他部位不受磨损。

如果轴瓦、钢套磨损过快，通常是由于冷却水中泥沙含量超标，管路堵塞，冷却水压力流量不足导致。经常疏通管路和过滤器，可解决冷却水压力流量不足的问题。泥沙的源头是洪水夹砂以及渠道垮塌淤积进入引水渠道。泥沙问题近几年长期困扰该电站低水头机组，尤其夏季雨水较多时更明显。将冷却水进水口前移，远离前池尾部淤积扇区，该问题得到较大程度的改善。要更彻底的解决泥沙问题，应将引水渠衬砌改造，并沿途设沉砂池、拉沙闸等设施，但工程投资较大，一时难以彻底解决。至于河道源头泥沙问题，已超出了电站的自身能力，不在本次探讨范围内。曾设想过修建二级沉淀池，但前池水头本来就不高，若在前池下部挖出原来的管路，增设二级沉淀池，则冷却水压力又不满足要求。若在前池上游设沉淀池，工程投资过大。泥沙问题的彻底解决可留待电站渠道改造时一并进行统筹设计，以下问题也与泥沙有关，暂不再深入探讨。

2.2 钢套脱落，主轴磨损

钢套脱落后，主轴在钢套内壁旋转，造成主轴磨损。主轴贯通水轮机，与发电机通过联轴器联接。因此，主轴的拆除维修难度很大，停机时间很长；无论是主轴的修复或更换费用，还是停机损失都很大。因此，必须避免主轴磨损。

钢套与主轴的设计连接方式为过盈配合，过盈配合在水轮机制造厂家很容易实现。但经过运行后，在现场检修更换时，现场工艺条件很难达到厂家要求，很难做到符合设计要求的过盈配合，将主轴拆除运到机械加工厂安装，难度大，时间长，安装好后，以后仍然会出现此类问题；且水中泥沙含量有时超标，很难达到厂家要求的水质，更加剧了这种问题。实际以现场工艺条件检修后，主轴与钢套的联接实际上成了过渡配合，主轴与钢套的结合力主要靠摩阻力。在冷却水较为清洁时，还能长期运行，但泥沙进入或冷却水流量不足时，钢套与轴瓦内壁摩阻力增大，轴瓦将钢套抱死，造成主轴在钢套内旋转。

经过现场多次研究试验，改进了钢套与主轴的连接方式。具体方法是：将主轴端部焊接两个厚度为15 mm 的扇形钢块，扇形钢块直径略小于或等于主轴直径。两钢块中间留槽，槽宽40 mm～42 mm，槽深即为钢块厚度：15 mm。每个钢块中间对应主轴原螺纹孔处留孔，以保留原螺纹孔。同时，将端盖中间焊接一个与主轴端部槽口形状尺寸相同的凸起钢条，钢条长度等于或略小于钢套外径，厚15 mm，宽度38 mm～40 mm。将钢套对应处开两个宽40 mm～42 mm，径向深15 mm的缺口，深15 mm的缺口并没有超出钢套的长度余量，因此，不会阻碍钢套随主轴在轴瓦内旋转；当然，也可以根据新的长度要求定做钢套。端盖、主轴、钢套之间构成了一个榫卯结构。这样端盖不仅能阻止钢套轴向移动，还能将主轴与钢套牢牢的连接在一起。端盖与主轴端部的连接改用有孔螺钉连接，再将两颗螺钉用铁丝锁孔。

该方法应用成熟后，直接在机械加工厂制造了一个同以上形状尺寸的端盖以替代焊接改进的端盖，尺寸配合更加精确。采用此改进方法后，机组运行至今，再没有出现过钢套脱落的问题。此种方法在现场即可操作，简单实用、成本低、停机时间短。

2.3 轴瓦脱落，轴承体内壁磨损

轴瓦脱落后，主轴连同轴瓦沿轴承体内壁旋转，导致轴承体内壁磨损。轴承体也便于拆卸，修复或更换难度也不大，但属于不正常磨损，也应避免。

造成这种现象的原因是：轴瓦的二次加工精度、轴瓦与轴承体的安装方式、公差配合没有控制好；还有泥沙问题。选择工艺技术较好的机械加工厂，一般都能达到技术要求。对于已经磨损的轴承体，可做喷塑处理或更换，本处不作过多探讨。

2.4 轴承体脱落，轴承座内壁磨损，轴承体外壁磨损

轴承体脱落后，主轴、轴瓦连同轴承体在轴承座内旋转，导致轴承座内壁磨损。轴承座与水轮机外壳为一体，磨损后需要整体拆除送修，拆除维修难度大，停机时间长。因此，必须避免轴承座磨损。

轴承座磨损的原因是：轴承体通过4 颗螺钉与轴承座上的螺纹孔连接，本来连接就比较薄弱。轴瓦磨损后，间隙增大，又没有及时检修更换，长期震动，造成仅有的4 颗螺钉松动，最终导致轴承体与轴承座脱落、产生相对运动和振动而引起轴承座内壁磨损；同时，轴承体外壁也会受到磨损。将水轮机进水段整体运到机械加工厂，将轴承座磨损部分修复，并均匀增加了4个螺纹孔。轴承体也要做修复处理。以后检修时，轴承体与轴承座的连接采用8 颗有孔螺钉连接，并用铁丝锁孔，轴瓦磨损出现震动后，及时更换检修，彻底解决了轴承座磨损问题。改造后的导轴承结构见图2。

图2 改造后的导轴承结构图

3 结论及建议

上述改进方法，属于后期现场改进，受到现场条件、已有部件尺寸的限制。实际运行中，许多条件难以达到水轮机设计研发时假定的理想工况。对于钢套与主轴连接方式，可以在水轮机的设计和制造时加以考虑，使其连接更加精密合理，留有充分的裕量，更能适应实际运行中的一般冷却水质和现场维修条件。