深圳抽水蓄能電站發(fā)電電動機下機架18倍頻振動分析

陳泓宇，黃萌智，陳弘昊，鐘 蘇，張興旺，雷 徐

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640；2.清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠市 511853；3.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市 518115；4.哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；5.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司，北京市 100041）

0 引言

目前抽水蓄能機組正向高水頭、大容量發(fā)展，運行穩(wěn)定性日益受到重視。水力發(fā)電機組振動因素主要分為機械、電磁、水力等三方面，常見振動原因包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、軸線不正、磁極線圈短路、轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉動靜干涉、尾水管渦帶等[1～4]。本文針對深圳抽水蓄能電站（簡稱深蓄電站）1、2號機組調(diào)試過程中下機架18倍頻振動問題，對該問題的可能原因進行了詳細分析，并針對該問題提供了相應(yīng)的處理建議。

1 深蓄電站下機架振動情況

深蓄電站發(fā)電電動機由哈爾濱電機廠有限公司設(shè)計制造，為立軸半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承與下導(dǎo)軸承共用一個油槽，下導(dǎo)瓦數(shù)為16，單機容量為300MW。機組調(diào)試過程中，下機架振動幅值通頻不足10um，但振動速度卻較大，其中18倍頻是導(dǎo)致下機架振速增大的主要原因。為對比不同工況時下機架的振動情況，分別選取了2號機組空載工況、發(fā)電工況、抽水工況、調(diào)相工況等4個工況進行了統(tǒng)計，具體統(tǒng)計如表1所示。

表1 2號機組空載、發(fā)電、抽水、調(diào)相4個工況振動Tab.1 The vibration condition of Unit 2 mm/s

1.1 空載工況

1.2 發(fā)電工況

圖1 空載工況下機架及頂蓋振動頻譜圖Fig.1 The vibration of lower bracket and head cover in no-load operating condition

2號機組300MW滿負荷工況下，下機架水平振動（X向）通頻1.73mm/s，其中18X達到1.71mm/s；下機架水平振動（Y向）通頻2.10mm/s，其中18X達到2.12mm/s；Z向垂直振動通頻0.72mm/s，其中18X達到0.67mm/s；頂蓋Z向垂直振動通頻1.81mm/s，其中18X達到1.73mm/s，其具體頻譜圖如圖2所示。

1.3 抽水工況

2號機組抽水工況下，下機架水平振動（X向）通頻2.04mm/s，其中18X達到1.60mm/s；下機架水平振動（-Y向）通頻1.65mm/s，其中18X達到1.60mm/s；Z向垂直振動通頻0.98mm/s，其中18X達到0.92mm/s；頂蓋Z向垂直振動通頻2.31mm/s，其中18X達到2.24mm/s，其具體頻譜圖如圖3所示。

1.4 調(diào)相工況

2號機組調(diào)相工況下，下機架水平振動（X向）通頻2.13mm/s，其中18X達到2.12mm/s；下機架水平振動（Y向）通頻1.75mm/s，其中18X達到1.75mm/s；Z向垂直振動通頻0.71mm/s，其中18X達到0.69mm/s；頂蓋Z向垂直振動通頻0.11mm/s，其中18X達到0.02mm/s，其具體頻譜圖如圖4所示。

從圖1至圖4，可以發(fā)現(xiàn)：機組下機架X、Y、Z方向在上述四個工況均存在18倍頻，且下機架振動通頻值中18倍頻占主要成分；頂蓋Z方向在空載、發(fā)電、抽水工況時，存在18倍頻，亦在通頻值中占主要成分，而在調(diào)相工況時，頂蓋基本無振動。

圖2 300MW滿負荷工況下機架及頂蓋振動頻譜圖Fig.2 The vibration of lower bracket and head cover in generating operating condition

圖3 抽水工況下機架及頂蓋振動頻譜圖Fig.3 The vibration of lower bracket and head cover in pumping operating condition

圖4 調(diào)相工況下機架及頂蓋振動頻譜圖Fig.4 The vibration of lower bracket and head cover in phase modulation condition

此外，升速過程中發(fā)現(xiàn)下機架18倍頻振動在轉(zhuǎn)速增大到300r/min才開始出現(xiàn)，在機組甩負荷升速時，18倍頻振動進一步增大。

2 下機架18倍頻振動原因分析

2.1 振動源分析

深蓄電站水輪機轉(zhuǎn)輪為9葉片，導(dǎo)葉為20個，根據(jù)動靜干涉理論，存在產(chǎn)生18倍頻振動的可能性，但機組在調(diào)相工況下，轉(zhuǎn)輪處于空氣中，下機架仍然存在18倍頻振動，因此可以排除18倍頻振動是由水輪機轉(zhuǎn)輪所引起的[5]。

蓄水?dāng)r河閘分設(shè)主河槽攔河閘和灘地攔河閘，根據(jù)兩岸臺地高程，閘頂高程取1 008.2 m，工程總蓄水面積85.06萬m2，蓄水量90.8萬m3，水域平均蓄水深度1.1 m。主槽攔河閘長度取40 m，攔河閘高3 m，底板高程1 004 m，左岸灘地攔河閘長度取120 m，右岸灘地攔河閘長度取120m，灘地攔河閘高2m，底板高程1005m。為防止風(fēng)浪淘刷，洪水沖刷，結(jié)合地形條件，對攔河閘上下游近閘的主槽岸坡和灘地岸坡進行生態(tài)護岸。在蓄水區(qū)內(nèi)根據(jù)蓄水深度不同，搭配種植濕地植物和水生植物，以達到凈化水質(zhì)，改善水生態(tài)環(huán)境，提升景觀效果的作用。

深蓄電站發(fā)電機轉(zhuǎn)子為14個磁極，理論上也不會造成18倍頻振動，因此可以排除電磁引起振動的可能性。

深蓄電站發(fā)電電動機下導(dǎo)瓦數(shù)為16，推力軸承瓦數(shù)為12，亦不會產(chǎn)生18倍頻振動。

根據(jù)廠家對下機架剛強度及固有頻率的計算，下機架自身剛強度和固有頻率在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面可以避開水輪機導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生的共振頻率帶，且滿足剛強度使用要求。同時，與下機架接觸的混凝土基礎(chǔ)、機坑里襯、外循環(huán)進出油管路也可能將振動傳遞給下機架，但理論上不會產(chǎn)生18倍頻的影響。

與轉(zhuǎn)動部件相關(guān)的發(fā)電機推力頭圓周均布的6個泵油孔，存在產(chǎn)生18倍頻振動的可能，下面將進一步分析。

2.2 下導(dǎo)推力軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

深蓄電站是半傘式抽水蓄能機組，推力軸承與下導(dǎo)軸承共用一個油槽，冷卻方式為外循環(huán)冷卻，并同時有外循環(huán)泵和自身泵。其自身泵是在推力頭上加工有6個泵油孔，通過運行時大軸的旋轉(zhuǎn)，形成穩(wěn)定的壓頭，使冷油從內(nèi)側(cè)射向下導(dǎo)瓦瓦面，對下導(dǎo)瓦進行冷卻，經(jīng)外側(cè)集油管進入推力外循環(huán)系統(tǒng)進行冷卻，自身泵油循環(huán)示意如圖5所示，泵油孔位置如圖6所示。

圖5 下導(dǎo)瓦自身泵油路示意Fig.5 The oil circulation of lower guide bearing

圖6 下導(dǎo)瓦泵油孔位置Fig.6 The detail of oil outlet

機組運行時，下導(dǎo)瓦與泵油孔可視同兩組相對運動的環(huán)列葉柵。當(dāng)泵油孔滑穿過下導(dǎo)瓦時，即會產(chǎn)生壓力擾動，泵油孔相繼掠過導(dǎo)軸瓦尾部，就在該處產(chǎn)生周期性的壓力波動。在機組運行過程中，大軸周向均會受到激勵，下導(dǎo)瓦與泵油孔布置示意如圖7所示。

圖7 下導(dǎo)瓦與泵油孔布置示意Fig.7 The sketch map of lower guide bearing and oil outlet

從圖7可知，泵油孔1和4首先在同相位被激振，然后是2和5同相位被激振，也就是意味著引發(fā)了具有兩個直徑節(jié)線型式的振動。因此，導(dǎo)軸瓦和泵油孔可視同兩組相對運動的環(huán)列葉柵組合，同樣適用于動靜干涉理論[5]，即：

式中，n、m為任意整數(shù)（一般n=1）；k為動靜干涉所產(chǎn)生的壓力脈動模態(tài)的直徑節(jié)線數(shù)；Zr為泵油孔數(shù)；Zg為導(dǎo)軸瓦數(shù)。

當(dāng)Zr=6，Zg=16時，激發(fā)振動模態(tài)的條件為k=2（m=3）或k=4（m=2）。即：

則，下機架振頻為f=m·Zr·N，N代表轉(zhuǎn)頻，即18X或12X。從理論計算可知，無論在何種工況下，泵油孔始終會對下導(dǎo)瓦產(chǎn)生周期性擾動，其振頻也與下機架實測振動18倍頻相符，這也證明了下機架產(chǎn)生18倍頻振動原因就在于泵油孔與下導(dǎo)瓦的動靜干涉（泵油孔油流沖擊下導(dǎo)瓦）。

2.3 影響下機架18倍頻的因素

動靜干涉主要是指旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片與靜止的導(dǎo)葉之間的無葉區(qū)中所發(fā)生的干涉現(xiàn)象。影響動靜干涉的主要因素有幾何參數(shù)和流動參數(shù)[6]。幾何參數(shù)有轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)與靜止活動導(dǎo)葉數(shù)的匹配、兩者之間徑向間隙。流動參數(shù)為轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度、無葉區(qū)的流速和壓力水平。因此，下機架18倍頻振動除了與泵油孔、導(dǎo)瓦布置位置有關(guān)，還受到機組轉(zhuǎn)速、兩者徑向間隙（壓力水平）的影響。對于同一電站機組，泵油孔、導(dǎo)瓦布置位置已經(jīng)固定，下面將對轉(zhuǎn)速、兩者徑向間隙對下機架18倍頻影響進行分析。

低速時，幾何參數(shù)條件具備，但流動參數(shù)不具備條件，因而動靜干涉難以形成。以調(diào)相工況為例進行分析，下機架振動隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖8所示。由于下機架振動通頻值中18倍頻占主要成分，結(jié)合對比圖8，還可以發(fā)現(xiàn)：在低轉(zhuǎn)速時（300r/min以下），下機架振動不明顯，也說明18倍頻不明顯，即未發(fā)生泵油孔與導(dǎo)瓦的動靜干涉；在高轉(zhuǎn)速時（400r/min以上），下機架振動增大，也說明18倍頻振動增大，即發(fā)生了動靜干涉。據(jù)相關(guān)計算：油孔的壓差在額定轉(zhuǎn)速時為0.9MPa，在300r/min時約為0.45Mpa，因此在低轉(zhuǎn)速時，壓力水平也不足以引起動靜干涉。同時，對比深蓄水泵水輪機轉(zhuǎn)輪試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其動靜干涉也于300r/min時出現(xiàn)，在400r/min時振動增加較快。因此，對于同一臺機組，轉(zhuǎn)速對于不同位置（下機架、轉(zhuǎn)輪）動靜干涉的影響趨勢是相近的。

深蓄電站1號機組下導(dǎo)瓦安裝間隙為0.406mm；2號機組在考慮改善軸系振動情況下，下導(dǎo)瓦間隙調(diào)整為0.356mm。下導(dǎo)瓦間隙不同，也將會引起在相同轉(zhuǎn)速下泵油孔出口壓力也不同，從而導(dǎo)致下機架振動情況也發(fā)生變化，額定轉(zhuǎn)速時不同瓦間隙下機架振動對比如表2所示。

表2 調(diào)相工況下機架振動對比Tab.2 The vibration of lower bracket with different lower guide bearing clearance

從表2可以發(fā)現(xiàn)，下導(dǎo)瓦間隙越小，下機架振動越明顯，18倍頻振動值也越大，這是由于泵油孔與下導(dǎo)瓦間隙減小，從而導(dǎo)致泵油孔出口壓力增大，進一步加劇了動靜干涉的效應(yīng)。

3 下機架18倍頻振動處理措施

3.1 封堵泵油孔

泵油孔將壓力油擠入瓦間隙射向下導(dǎo)瓦瓦面是造成18X激振的根源，所以直接封堵泵油孔，則可消除泵油孔與下導(dǎo)瓦間的動靜干涉。但是，原設(shè)計是將冷油噴向下導(dǎo)瓦瓦面，以進行冷卻，油路如圖5所示。因此，若將6個泵油孔全部進行封堵，則有悖于原設(shè)計意圖，減少了下導(dǎo)瓦的冷卻油來源，可能進一步造成下導(dǎo)瓦瓦溫升高。

圖8 下機架振動隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.8 The vibration of lower bracket with different speed

如若采用緊定螺釘M24×30將推力頭上的泵油孔對稱封堵2個，使得泵油孔掃過導(dǎo)瓦時的時間間隔發(fā)生改變，但這種不對稱的泵油孔布置仍有可能產(chǎn)生動靜干涉。

當(dāng)Zr=4，Zg=16時，激發(fā)振動模態(tài)的條件為k=0（m=4），k=2（m=3）或k=4（m=4）。即：

則，下機架的振頻就會改變?yōu)閒=m·Zr·N，即12X，16X或20X。也就是說激振頻始終是存在的，振動根源是泵油孔與導(dǎo)瓦的動靜干涉。目前，深蓄電站3號機組處于安裝階段，將采用對稱封堵2個泵油孔的處理方法，以期適當(dāng)減小下機架振動。

3.2 修改泵油孔結(jié)構(gòu)

通過對泵油孔封堵可能性探討，可以確定，取消直接噴向?qū)лS瓦的后傾泵孔，或者改變孔的位置，才是解決下機架18倍頻的治本之策。如某抽水蓄能電站泵油孔出口設(shè)置為通向油槽，不直接沖擊下導(dǎo)瓦，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 某抽水蓄能電站Z泵油孔結(jié)構(gòu)Fig.9 The structure of oil outlet in Z power station

4 結(jié)束語

本文借助于動靜干涉理論，合理解釋了深蓄電站下機架18倍頻振動產(chǎn)生的根源在于下導(dǎo)瓦與泵油孔發(fā)生的動靜干涉。

在確定振動源的基礎(chǔ)上，進一步分析了機組轉(zhuǎn)速、徑向間隙等對下機架振動影響，即：一是，對于同一臺機組，轉(zhuǎn)速對于不同位置（下機架、轉(zhuǎn)輪）動靜干涉的影響趨勢相近的。二是，下導(dǎo)瓦與泵油孔間隙（徑向間隙）越近，下機架振動越劇烈。

對于設(shè)置有泵油孔發(fā)電機組，建議調(diào)整孔的位置，以避免與導(dǎo)瓦發(fā)生動靜干涉現(xiàn)象。

為進一步研究下機架內(nèi)下導(dǎo)瓦與泵油孔動靜干涉現(xiàn)象，建議對下機架內(nèi)油流進行CFD仿真模擬，以更好地為后續(xù)設(shè)計提供參考。