新型支臂千斤頂在解決水輪發(fā)電機(jī)組振動的應(yīng)用

李 紅，郭益鉆，向 靖，向會瓊

(1.湖北能源集團(tuán)溇水水電有限公司芭蕉河水電廠，湖北 鶴峰 445800)

芭蕉河二級電站位于湖北鶴峰縣雞公洞，共裝機(jī)2臺，合計16 MW，為懸吊型混流式機(jī)組，其流域編號為蕉4G、蕉5G。水輪機(jī)型號為HLD74-LJ-140，發(fā)電機(jī)型號為SF8000-14/2860。蕉4G、蕉5G均為懸吊型水輪發(fā)電機(jī)，推力與上導(dǎo)均共用1個油槽，位于轉(zhuǎn)子上方并布置在上機(jī)架中心體，下導(dǎo)軸承設(shè)置在下機(jī)架中心體內(nèi)，上導(dǎo)和下導(dǎo)軸承各有8塊烏金瓦，設(shè)計單邊間隙均為0.10～0.15 mm，推力瓦為8塊塑料瓦，在推力瓦的下方有8塊丁腈耐油橡膠板來配合調(diào)整，水導(dǎo)軸承在最下方，共16片活動導(dǎo)葉，7個固定導(dǎo)葉，活動導(dǎo)葉立面為剛性密封，端面為彈性橡膠織布密封，導(dǎo)葉與拐壁通過分半鍵連接，拐壁、連板、控制環(huán)通過剪斷銷和銷釘連接，剪斷銷和銷釘均不帶偏心。其基本參數(shù)如下：額定功率8 000 kW，額定電壓10 500 V，額定電流549 A，額定轉(zhuǎn)速428 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速867 r/min。

1 振動原因分析

2018年10月對蕉4號機(jī)組進(jìn)行設(shè)備日常巡檢時發(fā)現(xiàn)，蕉4號機(jī)組在運(yùn)行時聲音偏大，測試徑向振動值得知該數(shù)值比先前所測數(shù)值略有增加。揭開機(jī)組蓋板開機(jī)運(yùn)行檢查發(fā)現(xiàn)上機(jī)架+Y-X方向千斤頂基礎(chǔ)板有輕微的竄動現(xiàn)象，對機(jī)組安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重的威脅。通過對該現(xiàn)象進(jìn)行全面分析和檢查認(rèn)為，該千斤頂在安裝初期使用的是水泥澆筑，并沒有對基礎(chǔ)板與基坑壁內(nèi)的鋼筋焊接在一起，隨著機(jī)組運(yùn)行的時間增長，該基礎(chǔ)板出現(xiàn)了松動的現(xiàn)象，導(dǎo)致了振動的增大。

蕉4號機(jī)組原使用的上機(jī)架支臂千斤頂為一般機(jī)械千斤頂。其原理結(jié)構(gòu)主要為，通過手動來實(shí)現(xiàn)搖桿轉(zhuǎn)動，搖桿的轉(zhuǎn)動帶動小齒輪的轉(zhuǎn)動，圓錐齒輪就會配合小齒輪一起轉(zhuǎn)動，圓錐齒輪的轉(zhuǎn)動使得螺桿跟著旋轉(zhuǎn)，引起頂桿頂起或降落，保證千斤頂?shù)捻敆U和基座牢牢的支撐在上機(jī)架支臂與機(jī)坑壁之間。當(dāng)齒輪反方向運(yùn)動，頂桿就會收縮，千斤頂就會自然落下，當(dāng)齒輪正方向運(yùn)動，頂桿就會頂起。

2 造成立式機(jī)組一般振動原因[1-3]

水輪發(fā)電機(jī)組振動是一個復(fù)雜的問題，尤其是多段軸結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)組，由于自身的結(jié)構(gòu)以及不平衡外力的干擾，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，會在其原有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的平衡位置附近附加周期性往復(fù)運(yùn)動。另外，由于機(jī)組本身和外力的原因還會產(chǎn)生自激振動。但是從振動的原因來看，一般分為機(jī)械振動、水力振動和電磁振動等方面。

1)引起機(jī)械原因振動的是指振動中的干擾力來自機(jī)械部分的慣性力、摩擦力及其他力。引起振動的機(jī)械因素主要有：轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、機(jī)組轉(zhuǎn)子的振擺、機(jī)組軸線不正、機(jī)組水平偏移、轉(zhuǎn)子抖動、導(dǎo)軸承缺陷、連接法蘭松動等，以及轉(zhuǎn)動部分靜不平衡、轉(zhuǎn)動部分動不平衡、機(jī)組軸線缺陷、軸承缺陷、調(diào)速器調(diào)試不良等都是造成機(jī)組機(jī)械振動的原因。

2)引起水力原因的振動是指振動中的干擾力來自水輪機(jī)運(yùn)行時的動水壓力。壓力降低時所產(chǎn)生的振動，其特征是帶有隨機(jī)性，當(dāng)機(jī)組處在非設(shè)計工況或過渡工況運(yùn)行時,水流狀況惡化,機(jī)組各部件的振動也亦明顯增大。其主要因素有：轉(zhuǎn)輪破裂引起的水力不平衡、尾水管中的水力不穩(wěn)定、導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生不穩(wěn)定的渦流等情況。主要特征是：當(dāng)流入轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對稱時，就會出現(xiàn)不平衡的橫向力，造成轉(zhuǎn)輪振動，也就是過流通道不對稱，如：蝸殼變形，導(dǎo)葉開度不均勻，轉(zhuǎn)輪壓力分布不均等都是造成水力振動的根本原因。

3)引起磁振動的的原因是指振動中的干擾力來自發(fā)電機(jī)電氣部分的電磁力。主要因素有:轉(zhuǎn)子磁極繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子與定子不圓、發(fā)電機(jī)氣隙不均勻、定子鐵芯整體性不夠、轉(zhuǎn)子磁極擊穿、勵磁系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、三相負(fù)荷不平衡、電力系統(tǒng)發(fā)生波動、可控硅整流、負(fù)序電流、磁極次序錯誤而造成的振動。特別是當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地時，部分線匝短路，有較大的短路電流流過短路點(diǎn)，勵磁電流不正常的增大，發(fā)電機(jī)進(jìn)相等，都可以引起磁場不平衡，造成發(fā)電機(jī)組強(qiáng)烈的振動。發(fā)電機(jī)突然短路還會使轉(zhuǎn)子軸受到很大的電磁力矩作用，所受力矩又分為兩種：一種是短路電流中使定子、轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電阻損耗的有功電流分量所產(chǎn)生的阻力矩，另一種是突然短路過度過程中才出現(xiàn)的沖擊交變力矩。這些電磁力及電磁力矩能使發(fā)電機(jī)組受到劇烈的振動，并給發(fā)電機(jī)部件帶來危害。

3 支臂千斤頂?shù)闹谱骷案脑?/h2>

芭蕉河電站蕉4號機(jī)組徑向振動值超標(biāo)，通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極連接引線進(jìn)行處理后，徑向振動值達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，但是為了保證設(shè)備后期能夠更好的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的運(yùn)行，徹底處理掉蕉4號機(jī)組機(jī)械千斤頂存在竄動的設(shè)備缺陷，又對蕉4號發(fā)電機(jī)組上機(jī)架支臂千斤頂進(jìn)行了改造和更換，更換完畢后開機(jī)試運(yùn)行，該機(jī)組穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步的提高。

本次安裝所使用的千斤頂是一種適合大、中、小型立式水輪發(fā)電機(jī)組使用的千斤頂裝置，4只千斤頂裝置均同一水平面徑向分布安裝在立式水輪發(fā)電機(jī)的上機(jī)架支臂與機(jī)坑壁之間，確保立式水輪發(fā)電機(jī)位于居中的位置，能很好地減少水輪發(fā)電機(jī)徑向振動，起到保護(hù)發(fā)電機(jī)，提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。安裝完畢后效果圖如圖1。

圖1 安裝完畢后效果圖

4 支臂千斤頂?shù)闹谱鬟^程、基本參數(shù)及分析結(jié)果

該千斤頂在安裝制作的過程中首先通過三維建模軟件，對千斤頂進(jìn)行初步的三維實(shí)體幾何模型制作，并且對千斤頂支撐的幾何模型采用了四面實(shí)體非線性網(wǎng)格劃分，對局部進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化處理以滿足計算精度要求，共計產(chǎn)生190 955個節(jié)點(diǎn)，112 986個單元。并且形成了有限元網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 千斤頂三維實(shí)體模型圖

1)蕉4號機(jī)組所使用的支臂千斤頂為Q235的板材組焊而成，其材料基本參數(shù)見表1，材料機(jī)械性能參數(shù)見表2。

表1 材料基本參數(shù)表

說明：參考溫度Tref指未發(fā)生應(yīng)力和應(yīng)變情況下的缺省溫度值。

表2 材料機(jī)械性能表

2)根據(jù)千斤頂支撐的實(shí)際受力情況，充分的分析當(dāng)發(fā)電機(jī)的氣隙值在10%時出現(xiàn)偏心或者半數(shù)磁極短路的情況下，所產(chǎn)生的徑向不平衡力對千斤頂?shù)挠绊懹嬎愠鋈缦聰?shù)據(jù)，見表3。①10%氣隙偏心時千斤頂支撐面受到的徑向作用力Fr1；②半數(shù)磁極短路時千斤頂支撐面受到的徑向作用力Fr2；③以上兩種工況時均對其施加重力加速度g，方向?yàn)?Z方向；④以上兩種工況時均對千斤頂與基礎(chǔ)接觸面施加壓縮支撐(Compression ony Support)約束。

表3 主要技術(shù)數(shù)據(jù)表

3)該千斤頂在支撐有限元模型上通過10%氣隙偏心和半數(shù)磁極短路等兩種工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到分析結(jié)果見表4所示，各工況下的最大等效應(yīng)力值和最大位移值及其分布分別如圖3至圖6所示。

表4 千斤頂?shù)姆治鼋Y(jié)果表

圖3 10%氣隙偏心時的最大等效應(yīng)力值及其分布

圖4 10%氣隙偏心時的最大位移值及其分布

圖5 半數(shù)磁極短路時的最大等效應(yīng)力值及其分布

從以上分析結(jié)果中可知，千斤頂在10%氣隙偏心和半數(shù)磁極短路兩種工況下，最大等效應(yīng)力為46.71 MPa，位于吊孔內(nèi)邊沿上(如圖5所示)，此處板厚為20 mm，結(jié)合表2材料機(jī)械性能可知兩種工況下，千斤頂均能滿足設(shè)計強(qiáng)度要求和最大位移要求(如圖6所示)。

千斤頂?shù)闹蝿偠葹椋篕r=F/δ=1e6/0.612=1.634e6(N/mm)。

圖6 半數(shù)磁極短路時的最大位移值及其分布

5 結(jié) 語

通過為期4個月的持續(xù)監(jiān)測跟蹤分析，芭蕉河電站蕉4號機(jī)組徑向振動值超標(biāo)隱患得到徹底消除，振動擺度值達(dá)到機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行要求。本案例對水輪發(fā)電機(jī)組振動值偏大的問題分析全面，告別了頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳的簡單處理方式，深入剖析，大膽采用新材料、新工藝，既節(jié)省成本，又很好地解決了實(shí)際問題。