苟小軍付廷勤張建偉高雲濤
（劉家峽水電廠，甘肅永靖 ，731600）
摘要：劉家峽水電廠4號機組已經執行36年，增容改造後推力軸承荷載超出設計值，過載和長期執行導致機組推力軸承執行出現隱患。對此，劉電進行了4號機組推力軸承的改造更換。
改造後的機組試驗和執行資料顯示推力軸承改造效果良好。實踐證明，對大型水輪發電機組推力軸承進行技術改造完全可行，改造對提高推力軸承本身和機組的執行可靠性、穩定性具有良好效果。
關鍵詞：水輪發電機組；推力軸承；改造；技術研究；實踐；劉家峽水電廠
1 概述
劉家峽水電廠4號機組2023年投入執行，2023年增容改造後，推力軸承荷載超出設計值，造成巴氏合金推力瓦最高執行溫度67℃接近上限報警溫度75℃，嚴重影響到推力軸承的安全穩定執行。此外，經多年執行和檢修，鏡板表面淬火層失效(失效是我們想象的，應該是不可能失效的，只是被磨損，找不到好的詞，是不是磨損更貼切？物理法包括表面淬火和雷射表面處理。
表面淬火是利用鋼的淬硬性，用高頻感應電流或雷射束將零件表層金屬加熱到高溫，隨後冷卻使表面硬化。利用雷射束也可以使表面極薄的一層金屬熔化，表層下的冷基體使表層熔化的金屬以極高的速度冷卻，形成超微晶粒或非晶結構，從而提高材料對磨損、腐蝕和疲勞的抗力。大電機技術的人很專業，我們不必要說，或是定性；或者說抗磨性、耐腐蝕性下降，點狀缺陷就是淬火層剝落），鏡面出現麻點和亮帶，光潔度超出國標要求；推力頭與大軸配合面在檢修中採用熱套冷拔工藝，由於配合面毛刺、受力不垂直的原因，多次造成推力頭與大軸配合面拉傷，處理過程採用砂輪、細砂紙、油石修復配合面的工藝，逐漸引起配合面接觸面積變小，配合由過渡配合向間隙配合過渡的狀況，已危及到機組的安全執行；彈性油箱經多年執行已呈現出疲勞趨向（趨勢）。
為確保4號機組的安全穩定執行，在4號機增容改造後，劉電對推力軸承針對性（提高承載能力方面的改造）的進行了改造，如增大推力瓦偏心距，更換推力冷卻器以改善推力冷卻效果。儘管如此，無法從根本上解決改造後機組軸向水推力增大、推力荷載超過推力軸承承載上限等問題。
2023年為了徹底消除缺陷，提高4號機組推力軸承執行的可靠性、穩定性。（可以刪除嗎？）劉家峽水電廠聯合哈爾濱電機廠有限責任公司對4號機組推力軸承部分部件進行改造。
改造後機組執行穩定可靠，各部監測資料完全符合水輪發電機組安裝技術規範（gb/t8564—2003）要求。（和5.9條合併）
2 推力軸承結構
劉電4號機水輪機結構為立軸混流式（hl430a-lj-550），由哈爾濱電機廠製造；發電機結構為二導懸吊式（ts255/12640-48），由哈爾濱電機廠製造，機組額定功率255mw，額定轉速125r/min，額定流量290m3/s，轉動部件總重量920噸，有上導和水導軸承。其中巴氏合金上導瓦12塊（單邊瓦隙0.15mm），為扇形瓦自調式結構；水導瓦為四瓣組合式筒形瓦（單邊瓦隙0.
3mm）。各部軸承間隙與其軸頸直徑成正比。推力軸承為彈性油箱結構，有12塊巴氏合金推力瓦，具體結構如圖1所示。
推力軸承技術引數見表1。
表1 劉家峽水電廠4號水輪發電機組推力軸承主要技術引數
圖1: 劉家峽水電廠4號水輪發電機組推力軸承裝配結構
3 原推力軸承存在的主要問題
3.1彈簧油箱顯現疲勞趨勢。從表2：
4號機組歷次擴修受力調整測量記錄可以看出彈簧油箱在投運後的6次擴修中壓縮量由0.58mm增長至0.95mm，特別是增容改造後執行的6年時間裡壓縮量由0.
80mm增長至0.95mm。分析認為彈簧油箱壓縮變形量已經接近達到設計標準（1.
2mm），承載能力不夠，（疲勞趨勢的產生使其）在執行中彈簧油箱的焊接結合部位有漏油可能。
表2：4號機組歷次擴修受力調整測量記錄（彈簧油箱壓縮過程） 單位（mm）
3.2推力瓦執行溫度高，承載能力不足。4號機組增容改造後機組轉動部件重量增加75噸，軸向水推力增加125噸，推力軸承總負荷增大200噸，現場測量上機架撓度，計算推力軸承實際總負荷1700噸，超過推力軸承的實際承載上限，這導致推力瓦溫過高。
雖然採取了增大推力瓦偏心距，更換推力冷卻器（採用的多層翹片式冷卻器增加熱交換量）改善推力冷卻效果等措施，但沒有從根本上解決推力瓦溫度高的現象。在3號機組實際執行中發現執行5年後巴氏合金推力瓦面出現燒研裂痕。因此在實際執行中4號機組推力瓦存在燒研可能。
3.3鏡板表面淬火層失效，鏡面出現麻點和亮帶，光潔度超出國標（小於0.8μm）要求。
劉電鏡板從投運起每次擴修進行拋光處理。具體的採用氧化鉻和金剛砂的磨料，粒度為w3型研磨膏，按1：2的重量比用煤油稀釋後，用細綢過濾採用專用研磨機研磨48小時，最後用純豬油和透平油提高鏡面光亮度。
（拋光處理工藝好像不提為好）2023年擴修研磨過程中鏡面出現普遍麻點，經專家現場共同確認分析，認為這是由於鏡板表面淬火層長期研磨失效所致，後改用透平油進行拋光，鏡面光亮度有所提高，麻點更細、更淺，但沒能最終消除。鏡板麵硬度的降低和光潔度的下降，增加了機組在執行中推力瓦燒損的可能。
3.4推力頭拉傷較多，接觸面積減小，與大軸配合存在間隙。4號機組在投運的36年時間裡進行了6次擴大性大修，擴修中推力頭採用熱套冷拔工藝，每次擴修不同程度的出現推力頭與大軸的接觸面拉傷現象，處理階段採用砂輪機打磨拉傷區，然後用細砂紙、天然油石除去研傷溝槽的高點和毛刺。
經測量統計配合面累計減少達25%。從2023年1f機組推力頭配合間隙的測量值可以看出，對研傷區域的修復工作使得推力頭和大軸的配合面間隙增大至0.08mm（推力頭與大軸的設計配合為過渡配合-0.
04mm～0.02mm）。推力頭與大軸接觸面積的減小和配合間隙的增大，對推力軸承乃至機組的安全執行構成一定威脅。
4 推力軸承改造的技術研究
綜合推力軸承存在的主要問題，結合劉電在西北電網承擔著調峰調頻的重要任務，並且對下游防洪、灌溉發揮著舉足輕重的作用，因此改造必須保證質量和工期。對此，劉電決定推力軸承改造總體結構不變，改造內容為：更換卡環、推力頭、鏡板、瓦托、彈簧油箱支架、彈簧油箱底盤、巴氏合金推力瓦更換為彈性金屬塑料瓦。
4.1總體技術研究
（1）4號機推力軸承改造是在保留原推力軸承油槽、冷卻器的基礎上，按原結構、尺寸對鏡板、推力頭、推力瓦、彈性油箱、支柱螺栓、卡環、瓦托等部件進行更換。零部件加工及材質要求不能低於原製造圖紙技術要求；標準件應符合現行國標要求。
（2）推力頭與卡環幾何裝配尺寸應滿足發電機大軸裝配要求。推力頭與鏡板同鑽鉸並可靠定位把合。卡環、鏡板幾何尺寸不變，推力頭內孔加工尺寸滿足與大軸過渡配合-0.
04mm—0.02mm。
（3）彈簧油箱底盤應可靠承載1800噸。幾何尺寸不變，彈簧油箱底盤與上機架基礎定位現場調整彈簧油箱中心後鑽鉸。
（4）瓦托、彈簧油箱支架加工製造技術要求與幾何尺寸符合原圖紙。彈簧油箱支架與彈簧油箱底盤加工廠定位鑽鉸把合。
4.2巴氏合金推力瓦更換為彈性金屬塑料瓦的技術研究
（1）巴氏合金推力瓦更換為彈性金屬塑料瓦是可行的。
八十年代後期，彈性金屬塑料瓦先後成功應用在岩灘水電站（推力負荷2750噸），白山水電站（推力負荷1800噸），五強溪水電站（推力負荷2700噸）和天生橋水電站（推力負荷1240噸），這些電站的機組型式，負荷情況和劉電比較相似。
2023年，哈爾濱大電機研究所3000噸推力軸承試驗台成功研製三峽6000噸級彈性金屬塑料瓦推力軸承，並完成了全尺寸模擬試驗，試驗非常成功，取得了大量可靠的資料。實測推力瓦面溫度32～73℃，推力瓦體溫度32～46℃。最高瓦面溫度與推力瓦體溫度相差27 k。
復合層的隔熱作用使得托瓦溫度均勻，熱變形很小，克服了普通雙層巴氏合金瓦推力軸承瓦面變形不易調整的問題。
理論研究顯示推力瓦承載能力與使用壽命最終體現在瓦面（及鏡板麵）變形對動油膜的影響程度。油膜形狀要符合流體動壓潤滑要求，就需要適宜的瓦面變形。鏡板在力載荷作用下，周向變形的高點處在瓦上，低點在瓦間，徑向變形在外徑側上翹；鏡板在溫度載荷作用下，周向由於恆溫而不產生變形，徑向變形為下凸，鏡板麵的綜合變形為徑向下凸，外徑側上翹，沿周向為波浪形。
塑料瓦的凹變形較大，這是由於其復合層的壓縮模量較小所致，瓦托溫度均勻，瓦的熱變形的影響降低，而塑料瓦面的進、出油邊均有楔形坡口，有利於啟動時進油和調整瓦面形狀。油膜上產生的壓力與推力瓦支承產生的力矩為了達到平衡，推力瓦自動傾斜，這使得鏡板麵的徑向傾斜基本可以和瓦面的徑向傾斜相適應。此外，塑料瓦復合層的影響，使瓦面產生凹變形，這種凹變形可以部分抵消瓦體的凸變形，還對應鏡板麵的徑向凸變形，這是彈性金屬塑料瓦承載能力大的主要因素。
綜合實踐應用、試驗資料和理論依據可以相信巴氏合金推力瓦更換為彈性金屬塑料瓦在劉電的應用一定能夠成功。
（2）劉電結合推力軸承裝配空間，增大了彈性金屬塑料瓦的面積和偏心距，巴氏合金推力瓦與彈性金屬塑料瓦的技術引數對比詳見表3：劉電4號機組巴氏合金推力瓦與彈性金屬塑料瓦的技術引數比較。
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摘要 本文首先論述了我國水電廠機電裝置存在的主要問題.進而提出了我國水電廠的技術改造的途徑及措施.主要包括對已有水電廠機電裝置進行擴機增容和利用預留機坑新建機組進行擴機增容。關鍵字 水電廠 技術改造 擴機增容 1 當前我國水電廠機電裝置存在主要問題 自80年代以來，國家花費重金對我國電廠的機電裝置進...
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