立式水輪發(fā)電機組垂直振動的分析及處理

陳曉明，彭祖賢，張 華

(國電恩施水電開發(fā)有限公司，湖北 恩施 445000)

水輪發(fā)電機組振動是機組運行中一種非常有害的現象，它嚴重威脅著機組的供電質量、機組的使用壽命和安全經濟運行。引起機組振動的因素很多，主要包括機械振動、水力振動和電磁振動三類。我國現行的水輪發(fā)電機允許振動值見表1。

表1 水輪發(fā)電機組各部位振動允許值表 mm

立式機組振動常見表現為水平振動超標，水平振動通過轉速試驗、動平衡試驗、勵磁試驗、負荷試驗，確定振動原因，進行有針對性處理可以解決水平振動問題。在高水頭立式混流水輪發(fā)電機組中，因水力因素更加復雜，導致水輪發(fā)電機組發(fā)生垂直振動超標現象，這類垂直振動分析處理更加復雜。

1 機組垂直振動分析處理實例

1.1 基本情況

某水電站2臺立式混流水輪發(fā)電機組，結構型式為懸吊型，額定水頭238 m，單機額定容量25 000 kW，轉速600 r/min。自2012年投運以來，1號機組垂直振動值長期超出規(guī)范要求，2號機組垂直振動值在規(guī)范允許值附近。自2014年初至2018年底，電站對1號機組進行了3次A修，重點針對發(fā)電機及推力軸承檢查分析，針對檢查發(fā)現的問題，先后復核調整了機組高程，發(fā)電機定子、轉子相對高程，對上機架底部進行加固增加剛性，處理更換推力軸承支柱螺栓配合間隙偏大的缺陷[1]，完成機組配重試驗并增加配重塊，開展了轉速試驗、勵磁試驗、負荷試驗等分析，每次檢修后，水平、垂直振動能夠降低至規(guī)范附近，但垂直振動源未徹底消除，隨著運行時間延長，垂直振動值又逐步增大超出規(guī)范要求。

1.2 振動原因分析

2019年，為徹底解決1號機組振動問題，電站組織對1號機組進行了全面系統(tǒng)分析，再次開展了負荷試驗、配重試驗，新增了頂蓋排水試驗。

1.2.1 機組配重及負荷試驗情況

表2和表3為1號機組2019年檢修后配重及負荷試驗實測數據。

表2 配重前振動值實測數據表 μm

表3 配重后振動值實測數據表 μm

從以上數據分析，通過機組動平衡配重試驗，水平振動值明顯降低，但垂直振動值無明顯改善。

1.2.2 水力因素分析

機組振動主要是機械振動、水力振動和電磁振動三類，綜合前幾次A修對發(fā)現問題的處理分析，排除了機械和電磁因素導致垂直振動大的影響，重點針對水力因素分析。

1)機組結構分析。圖1為機組導水機構、轉輪裝配局部結構圖。

圖1 機組導水機構、轉輪裝配局部結構圖

從結構圖中可見，為減少水輪機容積損失，轉輪上冠、下環(huán)均設計有梳齒式止漏環(huán)結構，其中，轉輪直徑1.63 m，轉輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)單邊間隙設計為1～1.2 mm，上下梳齒單邊間隙設計值為0.85～1 mm，在上下梳齒至轉輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)之間，分別有A、B兩腔，機組運行過程中，受上下梳齒止水的影響，A、B兩腔均會產生水壓，B腔水壓對轉輪形成向上頂托力，抵消部分軸向水推力，同時產生1個水平徑向分力，該結構常應用于較高水頭混流式機組結構中。在上梳齒后，設有6根頂蓋排水管，通過轉輪上冠上部設置的泵板，排除上梳齒漏水[2]。

2)水力分析及驗證。該結構中，A、B兩腔壓力值受上下梳齒間隙值及同心度影響，其中B腔若存在壓力不均勻，就可能產生不均勻的向上頂托力，引發(fā)水力自激振動，導致機組垂直振動[3]。因A、B兩腔均未設計測壓管，現場難以新增。為驗證垂直振動可能來源于B腔壓力脈動，研究確定在6根排水管上增加閥門，通過減少頂蓋排水管泄流量，調整上梳齒后部壓力值，改變軸向水推力，測量機組在不同工況下的振動值進行綜合分析。不同工況對比如表4。

表4 不同階段振動、擺度測量表 μm

第一階段：關閉頂蓋2根排水管,負荷10 MW工況數據。

第二階段：關閉頂蓋4根排水管，負荷25 MW工況數據。

第三階段：最后兩根排水管閥門關閉1/2，負荷25 MW工況數據。

第四階段：最后兩根排水管閥門關閉3/4，負荷25 MW工況數據。

通過4個階段分析，隨著頂蓋排水管過流面減少，壓力上升，增大了轉輪向下的軸向水推力，導致振動、擺度略微下降。

圖2為水導擺度變化趨勢圖。

圖2 水導擺度變化趨勢圖(第二、第三、第四階段)

從圖2分析，每次閥門操作后，機組振動、擺度值迅速下降，在此工況下運行3～4 min，振動、擺度值又恢復到以前數據，第四階段工況，機組振動、擺度值下降明顯。通過以上數據分析，減少頂蓋排水泄流量、增加轉輪上部水壓，可改善機組運行工況，初步確認了垂直振動源來自于A、B腔壓力脈動，通過增大轉輪上部水壓，可抵消部分壓力脈動，降低垂直振動值。

3)壓力脈動產生來源。從圖1的機組結構中可看出，機組實施A級檢修時，現場只能測量、控制轉輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)間隙，對于上下梳齒間隙值，安裝就位后現場不能測量。上梳齒的間隙值及同心度需要頂蓋加工確保，下梳齒的間隙值需要加工確保，而同心度需要現場安裝調整確保[4]。也就是該結構型式，在機組安裝時，除需保證頂蓋、底環(huán)兩處止漏環(huán)部位同心度外，還需保證下固定梳齒、頂蓋梳齒、頂蓋止漏環(huán)、底環(huán)止漏環(huán)4部位同心度，在前3次A修過程中，均未檢查復核下固定梳齒同心度。因上下固定梳齒均可能存在同心度超標，導致上下梳齒間隙不均勻，A、B腔內形成壓力振蕩，引發(fā)水力自激振動。

1.3 處理及試運行

2019年底，再次對1號機組A修檢查處理。拆卸過程中，發(fā)現頂蓋梳齒、轉輪下環(huán)梳齒及下固定梳齒對稱側有明顯磨損痕跡，進一步證實了我們的分析。將頂蓋、轉輪、下固定梳齒、底環(huán)等過水部件修復加工，實測各梳齒配合間隙尺寸，參考《水輪機設計手冊》[5]設計值，將轉輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)單邊間隙增大至1.9 mm左右，梳齒單邊間隙值增大至1.5 mm左右。頂蓋與上梳齒在廠內固定后，同鏜加工，整體運輸，現場不再拆卸，轉輪復測葉片節(jié)距、開口值，消除葉片之間水力不平衡的影響，對轉輪作靜平衡試驗。因下固定梳齒就位后無法調整，優(yōu)化現場回裝工序，以下固定梳齒為基準，重新復核調整頂蓋止漏環(huán)、底環(huán)止漏環(huán)同心度在規(guī)程范圍內，檢修完成后，機組運行振動測試數據表5。

表5 檢修后振動值實測數據表 μm

通過調整上下梳齒、上下止漏環(huán)間隙值及同心度，機組各類工況下振動值均較以前降低，進一步明確了機組垂直振動根源。相對于中低水頭混流式機組，該機組垂直振動值雖然在規(guī)程范圍內，但仍然偏大，分析主要原因為上下梳齒間隙難以完全均勻，A、B兩腔壓力脈動始終存在難以徹底消除，只是振動量值及對機組運行穩(wěn)定性影響有所減小。該機組經過半年多時間運行，振動值無明顯變化，運行情況良好。

2 結 語

高水頭混流式機組，為減小軸向水推力，在機組局部結構上，往往和中低水頭機組存在細微差別，通過本次機組垂直振動的處理，在同類型機組結構設計及安裝階段，可以進行以下優(yōu)化：

1)設計階段增加A、B腔測壓管及壓力監(jiān)測，其中B腔可考慮增設外圍環(huán)管，起到B腔周邊聯通均壓作用[5]，在上梳齒后增加壓力監(jiān)測。

2)規(guī)范高水頭混流式機組梳齒間隙取值，適當降低A、B兩腔運行期間壓力值，降低壓力脈動幅值。

3)頂蓋上部梳齒在制造廠內同鏜加工后，整體運輸，不再拆卸。

4)導水機構預裝階段，應以下固定梳齒為基準，定位底環(huán)和頂蓋，嚴格控制預裝階段同心度偏差值，該類型機組，偏差值應較中低水頭混流式水輪機安裝標準更小，盡量降低梳齒間隙不均勻值。