燈泡貫流式機(jī)組水導(dǎo)軸承異常振動(dòng)原因分析

孟凡輝

中廣核漢江水電開發(fā)有限公司 陜西安康 725000

燈泡貫流式機(jī)組是一種適用于開發(fā)3-25m水頭的水輪發(fā)電機(jī)組。燈泡貫流式機(jī)組的振動(dòng)一般由水力、機(jī)械及電氣等多方面因素引起，此外，由于制造、安裝等原因，可能造成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量不平衡、離心力不平衡或協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配等因素，也有可能引起機(jī)組的異常振動(dòng)。水電機(jī)組的振動(dòng)、擺度幅值超標(biāo)，將嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，分析機(jī)組振動(dòng)的原因，幵采取措施減輕機(jī)組振動(dòng)，對(duì)于保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組具有適應(yīng)中低水頭、水頭變化大的特點(diǎn)，與其他類型機(jī)組相比，在相同的性能參數(shù)條件下，貫流式機(jī)組可適應(yīng)更低的水頭，同時(shí)土建工程量少，施工簡(jiǎn)單。燈泡貫流式機(jī)組最明顯的特征就是大型薄殼外壓容器，機(jī)組主要承重部件是管型座，一般在定子外殼還設(shè)置有兩個(gè)水平輔助支撐對(duì)定子外殼進(jìn)行支撐固定；，該結(jié)構(gòu)造成燈泡貫流式機(jī)組水平徑向支撐普遍較弱，并導(dǎo)致大部分燈泡貫流式機(jī)組水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)偏大，甚至出現(xiàn)超標(biāo)情況[1]。

水導(dǎo)軸承振動(dòng)超標(biāo)，可能造成水導(dǎo)軸承疲勞失效。疲勞失效是各種機(jī)械設(shè)備的主要失效形式。研究表明超過(guò)一半的機(jī)械事故都是由疲勞失效引起的。在實(shí)際應(yīng)用中，因各模型等效應(yīng)力幅計(jì)算方法的不同，都有各自適用的材料種類和壽命預(yù)測(cè)范圍。比如，Gerber模型適用于塑性材料；Goodman模型適用于金屬材料，同時(shí)該模型計(jì)算快捷簡(jiǎn)單，目前廣泛應(yīng)用于各種金屬材料疲勞計(jì)算分析。

1 電站概況

漢江白河（夾河）水電站工程位于漢江上游干流湖北省十堰市鄖西縣、陜西省安康市白河縣境內(nèi)。該水電站項(xiàng)目是漢江上游干流七級(jí)開發(fā)方案的最末一級(jí)，集發(fā)電、航運(yùn)及促進(jìn)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展于一體，一方面為湖北省輸送清潔可再生能源，帶動(dòng)陜西、湖北兩省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，另一方面改善庫(kù)區(qū)航道，加強(qiáng)陜鄂地區(qū)的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，為漢江水系航運(yùn)網(wǎng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

電站工程水庫(kù)為日調(diào)節(jié)，正常蓄水位193．73m，水庫(kù)總庫(kù)容2．67億m3，設(shè)計(jì)死水位191．73m，相應(yīng)調(diào)節(jié)庫(kù)容2142萬(wàn)m3。電站采用河床式廠房，裝有4臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量45MW，總裝機(jī)容量180MW。年利用小時(shí)數(shù)3093/3357h（考慮孤山頂托/不考慮），多年平均發(fā)電量5．5672/6．0425億kW·h（考慮孤山頂托/不考慮）。

白河（夾河）水電站一期主體工程于2015年11月正式開工，工程采用分期導(dǎo)流方式，一期先圍右岸，進(jìn)行廠房、3孔泄洪閘、右非壩段、魚道及生態(tài)放水孔的施工；二期圍左岸，進(jìn)行6孔泄洪閘、船閘壩段、左非壩段的施工。2019年11月19日上游二期圍堰順利通過(guò)截流驗(yàn)收并成功截流。當(dāng)年12月30日首臺(tái)機(jī)組具備發(fā)電條件，但受二期圍堰蓄水高度限制，此時(shí)電站可利用水頭低于水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)最小水頭6．65m，最小約為5．8m[2]。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查及原因分析

2.1 轉(zhuǎn)輪室頻繁卡異物原因

該機(jī)組存在水導(dǎo)軸承頻繁異常振動(dòng)情況，汛期尤為頻繁，通過(guò)統(tǒng)計(jì)該機(jī)組份運(yùn)行數(shù)據(jù)，僅一個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)異常振動(dòng)情況達(dá)20余次。通過(guò)分析可知，轉(zhuǎn)輪室卡異物是引起水導(dǎo)軸承異常振動(dòng)的原因，即該機(jī)組存在頻繁的轉(zhuǎn)輪室卡異物情況。

為分析轉(zhuǎn)輪室頻繁卡異物原因，無(wú)水工況下，對(duì)轉(zhuǎn)輪室及槳葉進(jìn)行檢查。檢查機(jī)組槳葉開關(guān)情況發(fā)現(xiàn)，槳葉全關(guān)時(shí)，槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙僅有3-5mm間隙，但槳葉全開時(shí)，槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙超過(guò)10cm，槳葉開關(guān)過(guò)程出現(xiàn)槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室卡塞異物。通常燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室球面段設(shè)計(jì)應(yīng)確保槳葉動(dòng)作范圍內(nèi)槳葉裙邊均應(yīng)在球面段內(nèi)，即全關(guān)至全開過(guò)程槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙基本為一固定值，但該機(jī)組轉(zhuǎn)輪室球面段設(shè)計(jì)面積過(guò)小，造成槳葉全開時(shí)槳葉裙邊超出球面范圍，并引起槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)較大間隙。

電廠未設(shè)置攔污排，大量污渣堆積于攔污柵前，極易通過(guò)攔污柵進(jìn)入流道。若正好出現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整情況，容易出現(xiàn)槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室卡塞異物，槳葉開度越小，槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙越小，異物也就卡的越緊，轉(zhuǎn)輪室碰磨特征也更加明顯。這正好能夠說(shuō)明水導(dǎo)軸承異常振動(dòng)時(shí)，水導(dǎo)軸承振動(dòng)隨負(fù)荷減小呈現(xiàn)增大趨勢(shì)的現(xiàn)象。

2.2 卡門渦列引發(fā)機(jī)組振動(dòng)

除了較為常見一些因素，在液體流動(dòng)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)卡門渦列現(xiàn)象，一般都會(huì)出現(xiàn)了非線性障礙物的周圍，主要表現(xiàn)為相關(guān)變態(tài)渦輪。卡門渦列之中的漩渦就會(huì)交替進(jìn)行順時(shí)針或者是進(jìn)行逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)處在循環(huán)出現(xiàn)以及破壞的過(guò)程之中，所以就會(huì)對(duì)機(jī)組造成持續(xù)性的沖擊，旋轉(zhuǎn)的水流就會(huì)構(gòu)成對(duì)于物體垂直交變振動(dòng)力，并且在燈泡貫流式機(jī)組之中體現(xiàn)為葉片尾部受到的交變力，同時(shí)因?yàn)榻蛔冾l率同漩渦頻率一致，就會(huì)可能出現(xiàn)交變力頻率同葉片固有頻率相同情況，那么就會(huì)造成機(jī)組葉片出現(xiàn)共振，也會(huì)破壞掉內(nèi)部轉(zhuǎn)輪設(shè)備前的連接強(qiáng)度。

3 處理措施

3.1 優(yōu)化異常振動(dòng)處理措施

①當(dāng)機(jī)組水導(dǎo)軸承出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，電廠通常采用降低負(fù)荷、調(diào)小開度措施，但該處理方法可能造成卡塞的異物越夾越緊，同時(shí)水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)越來(lái)越大，惡化機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。建議機(jī)組出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，盡量將槳葉開度增大，增大槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙，將異物盡可能沖走，必要時(shí)停機(jī)清理異物。②電廠汛期經(jīng)常動(dòng)水清渣，清渣時(shí)可能將異物擠壓進(jìn)入流道，進(jìn)而造成機(jī)組異常振動(dòng)。建議電廠盡量在停機(jī)時(shí)開展清渣作業(yè)，采取動(dòng)水清渣作業(yè)時(shí)，應(yīng)避免調(diào)整負(fù)荷操作[3]。

3.2 開展技術(shù)改造

可考慮開展水輪機(jī)改造，增大轉(zhuǎn)輪室球面段面積，確保槳葉動(dòng)作范圍內(nèi)槳葉裙邊均在球面段內(nèi),同時(shí)還可提升水輪機(jī)效率和出力。