燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)水葉開度不均勻的簡易檢測及處理

陸春宏，陳炳森，陳韶光

（1.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司 桂平航運(yùn)樞紐分公司，廣西 桂平 537234；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

廣西桂平航運(yùn)樞紐位于廣西桂平市內(nèi)郁江河段，距黔江、郁江兩江匯合口上游4 km處，是一個(gè)以航運(yùn)為主、兼顧發(fā)電、以電養(yǎng)航的綜合利用工程。樞紐配套建設(shè)電站為河床式水力發(fā)電站，最大水頭11.7 m，設(shè)計(jì)水頭7.5 m，最小水頭2.5 m，電站共安裝3臺(tái)單機(jī)容量為15.5 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定流量239.4 m3/s，額定轉(zhuǎn)速90.9 r/min，額定功率因數(shù)0.95，3臺(tái)機(jī)組分別于1992年4月、1992年11月和1993年2月投產(chǎn)發(fā)電，2003年按“無人值班，少人值守”的技術(shù)要求，完成了電站的綜合自動(dòng)化改造。

經(jīng)過近20年的運(yùn)行，電站水輪發(fā)電機(jī)組老化嚴(yán)重，一方面，機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)及噪音逐漸加大，嚴(yán)重影響到機(jī)組及電站的安全運(yùn)行；另一方面，機(jī)組運(yùn)行效率下降，已無法達(dá)到設(shè)計(jì)出力，直接影響到電站的經(jīng)濟(jì)效益。為此，電站于2011年初對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行技改，更換了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，但水輪機(jī)其他部件未做改造和更換。

1號(hào)機(jī)組技改完成后，機(jī)組運(yùn)行過程中的振動(dòng)及噪音并沒有減小，反而相比原來以及另兩臺(tái)未進(jìn)行技改的機(jī)組振動(dòng)及噪音更大，特別是轉(zhuǎn)輪室處的振動(dòng)尤為明顯。因此，必須及時(shí)檢查并處理1號(hào)機(jī)組技改后存在的振動(dòng)及噪音過大的問題。

1 機(jī)組運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的簡易測試

1.1 運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的簡易測試方法

為測試及分析1號(hào)機(jī)組技改后機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)過大的原因，在水電站現(xiàn)場有限的條件下，決定采用兩個(gè)百分表按圖1所示在水平和垂直兩個(gè)方向，對(duì)各水頭最優(yōu)流量工況附近水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室徑向振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。為安裝檢測用的百分表，用槽鋼制作圖1所示的測量支架4，并固定于水輪機(jī)下游側(cè)的砼基礎(chǔ)墻5上。

圖1 轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)測量示意圖

安裝好轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)測量的表計(jì)后，選擇水電站經(jīng)常出現(xiàn)的運(yùn)行水頭，將1號(hào)機(jī)的導(dǎo)水葉開度開至最優(yōu)流量工況附近，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)量的測試，測試結(jié)果取兩表讀數(shù)的最大值，具體如表1所示。

表1 各水頭最優(yōu)流量工況下水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室徑向振動(dòng)幅值測量值

1.2 轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)原因初步分析

按照GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》，燈泡貫流式機(jī)組額定轉(zhuǎn)速在100 r/min以下時(shí)，各導(dǎo)軸承、燈泡頭等的徑向振動(dòng)允許值均為0.12 mm。從表1的測量結(jié)果看，1號(hào)機(jī)組技改更換新轉(zhuǎn)輪后，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行于設(shè)計(jì)水頭以上時(shí)，轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)幅值比較大，已超過水輪機(jī)導(dǎo)軸承允許的徑向振動(dòng)值；同時(shí)，機(jī)組出力也出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。過大的振動(dòng)，會(huì)使機(jī)組過流部件如轉(zhuǎn)輪、漿葉等產(chǎn)生局部變形和裂紋，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出力波動(dòng)，直接影響到機(jī)組甚至是電站的安全。

引起機(jī)組振動(dòng)，一般有水力、電氣和機(jī)械這3個(gè)大方面的原因。在上述試驗(yàn)過程中，勵(lì)磁前后、并網(wǎng)帶負(fù)荷前后，機(jī)組振動(dòng)量均變化不大，因此可排除電氣方面的原因。此外，1號(hào)機(jī)組技改更換轉(zhuǎn)輪時(shí)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了大修，機(jī)組盤車數(shù)據(jù)較為理想，因此重點(diǎn)懷疑是水力原因?qū)е聶C(jī)組振動(dòng)過大。

就燈泡貫流式機(jī)組而言，水力振動(dòng)主要由以下原因引起,即：水力不平衡，渦帶振動(dòng)，卡門渦列，狹縫射流，協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等[1]。

關(guān)于機(jī)組的協(xié)聯(lián)曲線，機(jī)組技改后，已按水輪機(jī)生產(chǎn)廠家給出的新協(xié)聯(lián)曲線運(yùn)行。在運(yùn)行中，協(xié)聯(lián)曲線與實(shí)際有一定偏差，生產(chǎn)廠家已及時(shí)對(duì)各個(gè)水頭下協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)了校正，協(xié)聯(lián)關(guān)系對(duì)振動(dòng)的影響應(yīng)該不大。

為了強(qiáng)化電子文檔的管理，使其安全性能得到提升，就應(yīng)該規(guī)范文檔管理工作。如在電子文檔的搜集過程中，要對(duì)電子文檔進(jìn)行細(xì)致的整理和分類，在相關(guān)人員的鑒定后進(jìn)行歸檔。提高電子文檔的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)性，從而保證電子文檔在后期使用過程中的方便性和快捷性。同時(shí)，對(duì)電子文檔進(jìn)行歸檔之后，還應(yīng)該注重移交和保管工作。此外，圖書館管理部門還應(yīng)該集中對(duì)電子文件進(jìn)行管理，進(jìn)而使文檔管理工作更加的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。管理規(guī)范的電子文檔有利于數(shù)字資源后期使用和長期保存。

關(guān)于渦帶振動(dòng)，主要是由于機(jī)組偏離最優(yōu)工況后出現(xiàn)空腔汽蝕而引起，上述試驗(yàn)過程中無論是最優(yōu)工況還是非最優(yōu)工況，振動(dòng)情況變化不大，因而也排除渦帶振動(dòng)的原因；

關(guān)于由卡門渦列引起的振動(dòng)，其存在于一定工況，且振動(dòng)頻率很高，同時(shí)存在尖銳的嘯叫聲。從電站實(shí)際情況看，也排除此振動(dòng)的原因；

關(guān)于狹縫射流引起振動(dòng)，主要是由于轉(zhuǎn)輪葉片特性引起，考慮到新轉(zhuǎn)輪已由生產(chǎn)廠家經(jīng)過詳細(xì)的仿真試驗(yàn)，因此也先不予以考慮。

引起水力不平衡的原因，主要有水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪偏心、導(dǎo)葉開度不一致、槳葉開度不均勻等。針對(duì)電站的具體情況，考慮到電站經(jīng)常采取停機(jī)反沖的方式，來協(xié)助排除堵在機(jī)組進(jìn)水口攔污柵上的漂浮物，反沖瞬間多次出現(xiàn)剪斷銷剪斷，因此懷疑停機(jī)反沖排污的方式，使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)承受了接近屈服極限的強(qiáng)度考驗(yàn)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)強(qiáng)度薄弱部分，包括導(dǎo)水葉連桿、導(dǎo)水葉軸頭的分半鍵等，可能存在變形，引起導(dǎo)水葉開度不一致，從而形成機(jī)組振動(dòng)增大的主要原因。

2 導(dǎo)水葉開度的簡易檢測方法

簡易測量1號(hào)機(jī)組導(dǎo)水葉開度的方法如下：

（1）關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水閘門和尾水閘門，并將機(jī)組流道內(nèi)的水排空，機(jī)組處于檢修狀態(tài)；

（2）使用調(diào)速器手動(dòng)操作至導(dǎo)水葉處于全開狀態(tài)，拆下重錘，并用兩個(gè)手動(dòng)葫蘆兩方向固定控制環(huán)，防止測量過程中控制環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)；

（3）按圖2所示測量導(dǎo)水葉控制機(jī)構(gòu)中易于變形的各連桿長度A 并記入表2中，連桿長度設(shè)計(jì)值為（655±5）mm；

圖2 連桿長測量示意圖

圖3 卡形工裝示意圖

（5）按上述方法，用卡形工裝卡住每一個(gè)導(dǎo)水葉的下部，并在轉(zhuǎn)輪法蘭面上做出標(biāo)記，如圖4所示。

圖4 標(biāo)記點(diǎn)及弧長測量示意圖

以轉(zhuǎn)輪法蘭面直徑為基準(zhǔn)，用卷尺量出各標(biāo)記間的弧長B，記入表2中。

根據(jù)轉(zhuǎn)輪圖紙，查得轉(zhuǎn)輪法蘭面的直徑為6 950 mm，將其16等分后，各段弧長標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為415 mm。與表2實(shí)測數(shù)據(jù)相比，有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值較多。按導(dǎo)水葉開度允許偏差±5%計(jì)算，合理的弧長測量值應(yīng)在394～435 mm之間。因此，從實(shí)測數(shù)據(jù)可判斷出機(jī)組導(dǎo)水葉開度偏差過大，導(dǎo)致進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流流態(tài)發(fā)生變化，造成水力不平衡，從而引起轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)增大。

表2 導(dǎo)水葉全開時(shí)簡易測量結(jié)果

3 導(dǎo)水葉開度不均勻的調(diào)整及試驗(yàn)

據(jù)前述測量結(jié)果，按以下方法調(diào)節(jié)各導(dǎo)水葉的開度。

（1）首先以導(dǎo)水葉連桿長度與設(shè)計(jì)值相等或相近的導(dǎo)水葉作為起點(diǎn)，從表2中可看出7號(hào)導(dǎo)水葉連桿長度最為接近，用前述卡形工裝卡口與7號(hào)導(dǎo)水葉進(jìn)水、出水邊同時(shí)接觸，另一端頭與轉(zhuǎn)輪法蘭面接觸并按圖4做好標(biāo)記，以此標(biāo)記為起點(diǎn)，按415 mm弧長依次16等分轉(zhuǎn)輪法蘭面并做標(biāo)記；

（2）調(diào)節(jié)各導(dǎo)水葉連桿長度，使每個(gè)導(dǎo)水葉用卡形工裝測量時(shí)其與轉(zhuǎn)輪法蘭面的交點(diǎn)落在上述所做的相應(yīng)等分標(biāo)記點(diǎn)上，從而保證各導(dǎo)水葉開度一致；

（3）全關(guān)導(dǎo)水葉，檢查導(dǎo)水葉的立面間隙，并通過微調(diào)連桿長度的方法調(diào)整導(dǎo)水葉的立面間隙；

（4）全開全關(guān)導(dǎo)水葉多次，直至復(fù)檢導(dǎo)水葉開度不再發(fā)生變化。

導(dǎo)水葉開度一致性調(diào)整完畢，將機(jī)組投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)明顯減小，在各工況下，按前述方法實(shí)測轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)幅值均在0.05 mm范圍以內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行噪音也明顯下降。

4 結(jié)束語

機(jī)組長期運(yùn)行后，導(dǎo)水葉控制機(jī)構(gòu)主要受力部件，會(huì)因各種原因引起變形，從而使各導(dǎo)水葉開度不一致，偏差過大，導(dǎo)致進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流流態(tài)遭到破壞，造成水力不平衡，引起機(jī)組振動(dòng)和噪音加大。上述簡易方法，有效地減輕了導(dǎo)水葉開度不均勻所引起的燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)增大的現(xiàn)象，但要徹底處理，還需對(duì)導(dǎo)水葉控制機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部件進(jìn)行校正，甚至更換連桿及部分關(guān)鍵等易變形且變形量較大的零件。此外，建議不要采用機(jī)組停機(jī)反沖的方式協(xié)助攔污柵排污，以免對(duì)導(dǎo)水葉控制機(jī)構(gòu)造成過大的應(yīng)力，引起其變形，從而導(dǎo)致各導(dǎo)水葉開度不一致，機(jī)組振動(dòng)增大。

[1]鞏志生，李海紅，張新春，等.燈泡貫流式水輪機(jī)水力振動(dòng)原因分析[J].青海電力，2007，26（3）：58-63.