半傘式水力機組振擺超標分析與解決

杜 永，滕陸楊，李 言

（國網新源豐滿電廠，吉林省吉林市 132108）

0 引言

水力機組在運行中，由于受到機械、水利、電器和氣蝕等各方面因素的影響，產生一定量的振動和擺度是不可避免的[1]。振動和擺度的參量是反映水力機組運行狀態(tài)的重要參數，同時，異常的振動和擺度也是影響機組壽命的重要原因之一。因此，對水力機組在運行中出現異常的擺度和振動進行研究和處理有著重要意義。

1 概述

豐滿電廠始建于1937年，是我國第一座大型水電廠，位于吉林市東南24km處的第二松花江上，1988年三期擴建工程完成。三期電站水輪發(fā)電機由哈爾濱電機廠制造，型號為SF140-56/11950，為不完全半傘式三相交流同步發(fā)電機，額定轉速107.1r/min。水輪發(fā)電機組軸系由上端軸、轉子中心體（軸）、水輪機軸3段軸組成。機組設有上導軸承、推力軸承和水導軸承3部軸承，其中推力軸承位于轉子下方，介于上導軸承和水導軸承之間。上導軸承安裝于上機架內部，由12塊上導軸瓦、上導滑轉子、頂軸、冷卻器及附件等組成，軸瓦間隙為墊片調整方式。推力軸承由推力頭、鏡板、尼龍塑料瓦、自平衡彈性油箱、推力支架、冷卻器及附件組成。自平衡彈性油箱為整體硬連接，單個彈性油箱不可調，盤車形式為彈性盤車[2～4]。水導軸承由10塊水導瓦、冷卻器、水導軸承滑轉子及附件組成。

2 機組振動和擺度超標分析[5，6]

2.1 機組振動和擺度情況簡介

11號機組1998年7月21日并網發(fā)電，2000年2月首次擴大性大修，大修后上機架的垂直和水平方向振動增大，上導軸承擺度增大，水導軸承擺度減小。為了解決2000年擴大性大修后上導軸承擺度偏大問題，2001年5月8日11號機組開始中修，通過平移上端軸的方法處理軸線，修后上導軸承擺度由0.70mm降至0.42mm，上機架振動幅值未變，水導軸承擺度幅值未變。2012年12月開始11號機組擴大性大修，修后上導軸承擺度由修前0.72mm降至0.57mm，上機架振動幅值未變；水導軸承擺度由修前0.52mm降至0.40mm。歷次大修振動擺度比較如圖1所示。

圖1 歷次大修振動擺度比較圖Fig.1 Comparison of previous overhaul vibration

2014年，三期電站開始獨立運行，11號機組振動和擺度隨著運行小時數增加不斷增加，12月上導擺度幅值約為0.803～0.91mm，水導擺度幅值約為0.49mm，且呈繼續(xù)增長趨勢。2016年春檢和秋檢中，上機架固定螺栓都發(fā)生不同數量的松動，機組存在較大的安全事故隱患。

2.2 機組振動、擺度超標分析

為了查明機組振動、擺度超標的原因，查閱了機組自1998～2014年安裝、檢修及試驗報告，發(fā)現如下問題：

2000年開始上導軸承和水導軸承擺度呈遞增趨勢，雖經歷次檢修，但未能徹底根治；1998年安裝報告和2012年檢修報告有彈性油箱水平和壓縮量記錄（見圖2），其余檢修報告未見相關記錄。2012年壓縮量最大偏差0.32mm大于規(guī)范要求的不大于0.2mm的質量標準，且兩次記錄數值偏差較大，表明彈性油箱受力不均。

圖2 彈性油箱壓縮量比較圖Fig.2 Flexible mailbox compression comparison chart

根據1998年上機架水平振動頻域FFT[7，8]分析圖（見圖3）可知，空轉工況上機架水平振動主要頻率分為1倍轉頻與4倍轉頻[5，9，10]；2012年檢修測量了鏡板徑向擺度（見表1），經計算可知最大全擺度為0.62mm，最大擺度方位為軸號1。綜上所述，表明機組軸線不正。

圖3 上機架水平振動頻域FFT分析圖Fig.3 FFT analysis of horizontal vibration frequency in upper frame

經分析1998年安裝報告和2014年試驗報告得知，上機架水平振動幅值與轉速平方大致呈線性關系，尤其是轉頻分量，表明機組存在動不平衡現象。如圖4和圖5所示。

表1 2012年大修鏡板徑向擺度值Tab.1 2012 Radial pendulum value of overhaul mirror board

圖4 1998年上機架水平振動關系曲線Fig.4 The horizontal vibration relation curve of the rack in 1998

圖5 2014年上機架水平振動關系曲線Fig.5 The horizontal vibration relation curve of the rack in 2014

3 處理過程與效果測試

為了全面了解軸線，將水輪發(fā)電機組這類動力機械的旋轉部分幾何中心連線（以下簡稱機組軸線）的段數有限放大，通過盤車了解段與段間的傾斜度和同心度，掌握機組軸線運行情況，通過對盤車情況和基礎數據分析，確定振動和擺度超標的根源，從而采取行之有效的方法消除振動和擺度超標隱患，保證水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。詳細過程如下：

3.1 工期

為了不影響下游供水和豐滿電廠重建工程，避免棄水，豐滿電廠計劃2月21日到3月23日汛期來臨前，結合11號機組春檢D修進行機組盤車、軸線處理等振動和擺度超標隱患治理工作，計劃工期30天。后由于上端軸返廠處理，工期延期至6月30日，由D修轉至A修，實際完成日期為5月30日。

3.2 機組盤車

將轉動部分移至機組中心后，安裝電盤車專用工具和測量擺度用的百分表。擺度測量增加了上導滑轉子和滑環(huán)間（上導上）、轉子上法蘭、 推力頭、水導軸承和主軸間（水導上）4層8塊百分表，即共計7層14 塊百分表將軸線分為6段；由于是彈性盤車，所以盤車時分單抱上導、單抱水導及抱上導和水導3種狀態(tài)。3種狀態(tài)盤車數據如表2～表4所示。

表2 抱上導盤車數據Tab.2 Hold the guide bearing drive data X：軸號4，Y：軸號2調零 0.01mm

表3 抱水導盤車數據Tab.3 Hold water guide bearing drive data X：軸號4，Y：軸號2調零 0.01mm

根據3種狀態(tài)6組數據分析得出如下結論：

（1）上導擺度異常；

（2）彈性油箱水平可能不合格；

（3）上端軸偏心。

3.2.1 上導擺度異常分析與處理

初始盤車時，上導用4塊瓦將軸抱緊，調整軸瓦間隙不大于0.05mm，盤車時發(fā)現上導擺度都大于0.10mm，立即停止了盤車；為了消除擺度偏大，改為用12塊上導瓦抱瓦方式重新盤車。從表2上導擺度值可知，上導擺度異?，F象仍然存在。從盤車擺度數值無法分析出上導擺度異常的原因，后查閱上導軸承裝配圖及零件圖知，上導滑轉子和上端軸為熱套結構，中間為191號不飽和聚酯樹脂絕緣墊層。用塞尺檢查上端軸、絕緣墊層和滑轉子三者間隙，絕緣墊層和滑環(huán)子間0間隙，絕緣墊層與上端軸間局部有間隙，間隙范圍為0.05～0.15mm，間隙長度20～300mm，即上導滑轉子與主軸的過盈配合失效，二者間存在間隙?？赡墚a生間隙的原因有以下4種：

（1）加工問題：滑轉子和絕緣墊層為過盈配合，需要加工出過盈量來保證緊度，加工和測量的誤差導致過盈量不足，最終導致松動；

（2）設計的過盈量不足：設計時本身過盈量不足，導致最終運行過程中墊層松動；

（3）絕緣墊層老化：當絕緣墊層老化后，絕緣墊層可能變得松散，最后導墊層致剝落，緊量不足；

（4）檢修方法不合理：檢修時，用千斤頂頂上導軸承滑轉子使主軸發(fā)生平移的方法測量上導軸承間隙，有可能由于多次頂滑轉子，造成絕緣墊層損壞而松動。

為了消除上端軸與上導滑轉子間的間隙，將上端軸送哈爾濱電機廠進行返修。同時，為了防止上端軸和上導滑轉子再次發(fā)生松動，將191號不飽和聚酯絕緣墊層增厚，即使最大過盈量增加0.20mm，滑轉子熱套后精車拋光。

3.2.2 彈性油箱水平測量與調整

將鏡板落在彈性油箱上，此時測量的鏡板水平即為彈性油箱水平，最大水平度為0.19mm/m大于0.02mm/m的規(guī)范要求，驗證了前面分析的彈性油箱水平可能不合格的結論。根據機組結構特點，在推力支架和頂蓋結合面加銅墊片的方式進行調整，調整后彈性油箱的水平度小于0.02mm/m的規(guī)范要求。彈性油箱調整加墊數值如圖6所示。

圖6 彈性油箱水平調整加墊圖Fig.6 Elastic tank horizontal adjustment and cushion diagram

3.2.3 上端軸偏心的分析與處理

根據盤車數據分析計算，上端軸偏心量約0.50mm。分析導致偏心原因可能為，加工時人為測量誤差導致。為了消除偏心量，以上端軸法蘭止口中心為基準，將法蘭止口直徑車減1.2mm，為軸線處理預留足夠的平移量。

上端軸返修完畢后，進行了轉子圓度測量和3種狀態(tài)盤車，根據轉子圓度測量數據和3種狀態(tài)6組盤車。根據數據分析計算可知：

（1）轉子圓度符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝規(guī)范》質量標準和規(guī)程要求；

（2）上導擺度不大于0.10mm，上導擺度異常得以解決；

（3）上端軸偏心量為0.48mm，方向為軸號4偏軸號5方向18°；

（4）經計算，上端軸平移后轉子圓度仍符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》質量標準和規(guī)程要求，可以通過平移上端軸的方法處理軸線。

上端軸平移后盤車檢查軸線，經計算水導軸承相對擺度不大于0.03mm/m，上導擺度不大于0.02mm/m，滑環(huán)擺度不大于0.5mm，符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》質量標準和規(guī)程要求。

3.3 處理效果測試

為了驗證機組軸線處理的效果，分析各種工況下機組不平衡力、磁力、水力作用對機組的影響，確定機組振動區(qū)，為機組消振、避振提供科學依據，檢修完畢后進行了穩(wěn)定性試驗和機組動平衡測試[11，12]，不同相對轉速下的振動通頻峰峰值測試結果見圖7。

圖7 不同相對轉速下的振動比較圖Fig.7 Comparison of vibrations at different relative rotational speeds

從試驗和測試結果來看，由于機組是兩導結構，在額定轉速時上導、水導及推力支架位置大軸擺度和上機架水平振動均較大，不能滿足機組長期運行的標準要求，說明機組轉動部件存在一定量的機械不平衡力。因此，根據空轉過程中的振動和擺度數據可確定總配重80kg：其中轉子上部40kg，位置以鍵相片為基準，逆時針轉183°；轉子下部40kg，位置以鍵相片為基準，逆時針轉170°。對應的位置為轉子磁極引線開始俯視面向大軸右側第5個支臂，即編號為9的支臂，轉子共16支臂，配重結果如圖8所示。

圖8 轉子配重效果圖Fig.8 Rotor counterweight effect map

機組配重后，經穩(wěn)定性試驗[14，15]、動平衡測試、升壓試驗、變負荷試驗，變負荷試驗振擺數據見表5。經數據分析表明：機組的振動、擺度超標得到有效解決，機械不平衡力經配重處理得到消除，機組振動、擺度再次得到較大的改善，符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》15.3.1e）規(guī)定，能夠很好地滿足機組長期穩(wěn)定運行的要求。

表5 變負荷振擺值Tab.5 Variable load pendulum value通頻峰峰值 0.01mm

4 結束語

豐滿電廠11號機組振動、擺度超標經上導滑轉子重新裝配、上端軸平移和動平衡配重后得到了徹底根治，消除振動擺度超標隱患，保證水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行，也為相同結構類型的動力機械提供一套解決振動、擺度超標的方法和經驗。為了保證機組安全穩(wěn)定運行，有效防止和發(fā)現上導軸承滑轉子再次發(fā)生松動，建議制定以下防范措施：

（1）檢修時上導間隙測量時應避免采用頂上導滑轉子的方法，宜采用頂上端軸的方法進行間隙測量；如果具備條件，將上導軸承墊片調整間隙的方式改為楔子板或球面支柱方式，便于間隙調整和提高間隙調整準確度。

（2）在上導滑轉子和上端軸配合的上平面做相對位置記號，便于日常巡檢時檢查，及時發(fā)現上導滑轉子和上端軸松動。