水導(dǎo)油盆蓋間隙不均勻引起的水機(jī)振動(dòng)原因分析

盧朝剛

(新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司，烏魯木齊 830000)

水輪機(jī)是水電廠的重要設(shè)備之一，它是一套將水流的勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、再由發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。它的運(yùn)行質(zhì)量關(guān)系著整個(gè)水電廠的安全性、經(jīng)濟(jì)性及整個(gè)機(jī)組的使用壽命。在水電廠運(yùn)行中，振動(dòng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的影響較大，不僅會(huì)增大機(jī)組的磨損，增加維護(hù)工作量，而且會(huì)影響機(jī)組壽命。

1 事故回顧

某壩后式水電站，位于新疆阿勒泰境內(nèi)，共裝有4臺(tái)額定容量為35MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，于2011年安裝完畢，當(dāng)年上網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電。

機(jī)組在充水試運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)4號(hào)機(jī)水輪機(jī)室聲音異常，噪音比較大，測量其余3臺(tái)機(jī)組噪音為70～80dB，測量4號(hào)機(jī)組噪音為95dB。測量結(jié)果顯示:頂蓋垂直方向和水平方向振動(dòng)，測量值滿足要求。再對(duì)水機(jī)室設(shè)備不同部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)油盆蓋從外到內(nèi)垂直方向振動(dòng)值變化很大，經(jīng)測量，油盆蓋外圈振動(dòng)值為0.12mm，內(nèi)圈振動(dòng)值為0.32mm，越靠近水輪機(jī)主軸，振動(dòng)值越大。

2 機(jī)組振動(dòng)原因分析

電站技術(shù)人員經(jīng)過仔細(xì)分析認(rèn)為，該電站水機(jī)油盆蓋內(nèi)圓與水輪機(jī)主軸之間密封采用的是梳齒式非接觸式密封，間隙約為1mm，水輪機(jī)主軸與油盆蓋之間間隙不均勻，在機(jī)組運(yùn)行過程中，水輪機(jī)主軸高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生不均勻氣流 (或氣壓)，使其壓迫油盆蓋，致使油盆蓋產(chǎn)生振動(dòng)。

4號(hào)機(jī)組在運(yùn)行過程中，由于油盆蓋內(nèi)圓與水輪機(jī)主軸之間間隙不均勻，間隙氣流在水輪機(jī)油盆蓋內(nèi)圈的小間隙處壓力高，大間隙處壓力低，隨著主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒隙會(huì)發(fā)生變化，齒隙小的間隙相對(duì)變化量大，齒隙大的間隙相對(duì)變化量小，致使進(jìn)、出該兩齒間的漏氣量不等。間隙變化大者漏氣相對(duì)變化量大，間隙變化量小者漏氣相對(duì)變化量小，致使兩齒間氣量隨水機(jī)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)大時(shí)小，故兩齒間腔室內(nèi)的氣體產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。除了壓力分布不均勻外，實(shí)際氣流在齒隙受到截流形成“噴射流”。由于水輪機(jī)主軸的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)偏心，某些位置噴射流作用強(qiáng)，中心流團(tuán)速度大;某些位置噴射作用弱，中心流團(tuán)速度小，形成了不均勻的周向速度分布和不均勻的圓周壓力分布。這些不均勻的氣動(dòng)力、周向速度分布、圓周壓力分布?jí)浩扔团枭w，致使油盆蓋發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生噪音。

水輪機(jī)振動(dòng)與其他動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)不太一樣，除固定或者轉(zhuǎn)動(dòng)部分引起的振動(dòng)外，發(fā)電機(jī)的電磁力以及作用于過流部分的流體壓力對(duì)系統(tǒng)部件振動(dòng)的影響也應(yīng)考慮。振動(dòng)是在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在機(jī)械、電磁、流體等共同作用下產(chǎn)生的。當(dāng)水流過水輪機(jī)時(shí)，若引起轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)過大，會(huì)導(dǎo)致在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間氣隙不對(duì)稱變化，同時(shí)，產(chǎn)生的不平衡磁拉力也會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)超出規(guī)范。而轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)某種變化后，又會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的磁場及水輪機(jī)的水流流場產(chǎn)生影響。

2.1 機(jī)械振動(dòng)

機(jī)械因素指振動(dòng)中的外力來自轉(zhuǎn)動(dòng)部件的摩擦、慣性等，主要特征是振動(dòng)頻率成倍數(shù)于機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。這類因素主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正、導(dǎo)軸承缺陷及其他因素等。

2.2 電磁振動(dòng)

水電站中引起電磁振動(dòng)的原因主要是定子與轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子繞組短路、磁極的次序錯(cuò)誤造成磁路不對(duì)稱引起磁拉力的不平衡而產(chǎn)生振動(dòng);發(fā)電機(jī)的這些缺陷會(huì)使磁通密度在空氣間隙內(nèi)分布不均勻，產(chǎn)生所謂“單邊磁拉力”而引起機(jī)組的振動(dòng)。

2.3 流體引起的振動(dòng)

流體包括液體和氣體。流體的振動(dòng)，主要是指在各種力的作用下，流體本身，以及流體和固體表面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用而引起的形態(tài)變化。在水輪發(fā)電機(jī)的振動(dòng)因素中，主要有水力引起的振動(dòng)和氣流引起的振動(dòng)。一般而言，水力機(jī)組的振動(dòng)主要是水力振動(dòng)。

2.3.1 水力引起的振動(dòng)

引起水力振動(dòng)的因素有水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動(dòng)、空腔氣蝕及渦列、尾水管中水流不穩(wěn)定、卡門渦型、間隙射流等。

當(dāng)水輪機(jī)組存在蝸殼形狀變形、導(dǎo)葉開度不均勻，以及轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪壓力分布不均勻等缺陷時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱，就會(huì)出現(xiàn)不平衡的徑向力，引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng);水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流及脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內(nèi)常引起水壓脈動(dòng)，會(huì)激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼、壓力管道的振動(dòng);水輪機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生垂直振幅較大并伴隨噪聲的情況，即發(fā)生空腔氣蝕造成氣蝕振動(dòng)等。

2.3.2 氣流引起的振動(dòng)

電站中的氣體振動(dòng)一般在汽輪發(fā)電機(jī)組中產(chǎn)生，主要為氣體動(dòng)力自激振動(dòng)。氣體動(dòng)力自激振動(dòng)是氣體在流動(dòng)過程中，通過能量傳遞而產(chǎn)生的一類流體誘導(dǎo)振動(dòng)。其表現(xiàn)形式常為陣發(fā)性、變幅值振動(dòng)。多數(shù)氣動(dòng)力振動(dòng)與機(jī)械的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 消除振動(dòng)的措施

機(jī)組振動(dòng)是機(jī)組缺陷的集中表現(xiàn)。當(dāng)振幅超過規(guī)范時(shí)，必須采取措施降低振動(dòng)。要降低振動(dòng)值，關(guān)鍵在于找出振源，然后根據(jù)實(shí)際狀況，采取相應(yīng)措施。尋找振源時(shí)應(yīng)充分考慮水力機(jī)組與機(jī)械、電氣、流體相關(guān)聯(lián)等因素，從多方面調(diào)查、了解振動(dòng)的各種表現(xiàn)，尋找發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)振動(dòng)規(guī)律及頻率變化，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析。

3.1 現(xiàn)場觀察

觀察振動(dòng)時(shí)的各種現(xiàn)象，如什么部位振動(dòng)的最厲害，有沒有什么異常，振動(dòng)比較厲害時(shí)是什么狀況，仔細(xì)聽運(yùn)行時(shí)有什么聲響;對(duì)機(jī)架、軸承、轉(zhuǎn)輪等各部件連接等進(jìn)行檢查，看有無異常情況;測量發(fā)電機(jī)氣隙、轉(zhuǎn)輪室間隙、止漏環(huán)間隙及擺度等是否符合規(guī)范;檢測機(jī)組和電站的有關(guān)參數(shù)是否符合規(guī)范;確定機(jī)組有關(guān)部件的自振頻率，如轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉，水輪發(fā)電機(jī)軸、機(jī)架等。

通過現(xiàn)場觀察，并與其他3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)4號(hào)水輪機(jī)的振動(dòng)聲音來自于水輪機(jī)室的水導(dǎo)軸承體上的油箱內(nèi)，找到了聲音來源。

3.2 從振動(dòng)試驗(yàn)入手查明振動(dòng)原因

振動(dòng)試驗(yàn)是為了找出振動(dòng)規(guī)律與運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系，并測出其振動(dòng)頻率和振幅，從而查明振動(dòng)原因。一般需要做勵(lì)磁試驗(yàn)、轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、負(fù)荷試驗(yàn)等，以此判斷振動(dòng)是由電磁原因引起的，還是由轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻、軸線不正等引起的，或者是由水力因素引起的。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)4號(hào)機(jī)組水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)油盆蓋出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)的情況后，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了現(xiàn)場振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。油盆蓋是分瓣結(jié)構(gòu) (兩瓣)，油盆蓋下設(shè)有1.50mm高的止口，與油盆體定位，安裝人員將油盆蓋一半拆除，另一半用干凈的絕緣板蓋住 (防止機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，油盆內(nèi)的油甩出)，然后啟動(dòng)機(jī)組，測量油盆蓋子另一側(cè)的振動(dòng)值。測量發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)油盆垂直方向振動(dòng)超標(biāo)，越靠近旋轉(zhuǎn)的水輪機(jī)主軸，振動(dòng)值越大，確定問題出在油盆密封上。試驗(yàn)人員馬上在油盆蓋與油盆體之間、油盆分瓣處各加了一層2mm厚的橡膠墊子 (墊子深度延伸至梳齒密封最內(nèi)圈)。改裝完成后，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，聲音正常，振動(dòng)符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

水力發(fā)電機(jī)組由許多零部件組成，如果一個(gè)或者幾個(gè)部件不正常，都可能引起機(jī)組振動(dòng)。在電站的壽命周期中，需要設(shè)計(jì)人員、安裝人員、檢修人員和運(yùn)行人員采取相應(yīng)的措施，進(jìn)行仔細(xì)、耐心的工作，把各種振動(dòng)因素消除在萌芽狀態(tài)，以保證電站的正常運(yùn)行，最大限度地發(fā)揮電站的發(fā)電效率。

［1］鄭源，鞠小明，程云山.水輪機(jī)［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［2］林景山.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)危害性分析及預(yù)防［J］.農(nóng)村電工(電子版)，2004(11).

［3］丁學(xué)俊，馮慧雯，等.大型電站設(shè)備中氣體動(dòng)力自激振動(dòng)［J］.電站系統(tǒng)工程，1999(2):29-33.