某水電機(jī)組水導(dǎo)擺度突增原因分析及處理

李貴吉，葉喻萍，杜春生

（1.大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，四川省成都市 610073；2.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川省康定市 626000）

0 引言

某水電站共裝有6臺機(jī)組，其中，右岸安裝2臺單機(jī)容量25MW的混流式生態(tài)機(jī)組，額定水頭61m，額定轉(zhuǎn)速250r/min。水輪發(fā)電機(jī)組為懸式結(jié)構(gòu)，推力軸承為可調(diào)整剛性支柱帶彈性托盤的分塊扇形瓦結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)，位于上機(jī)架上方；上導(dǎo)瓦共12塊，為抗重螺栓支撐結(jié)構(gòu)，位于上機(jī)架內(nèi)部；下導(dǎo)瓦共12塊，為抗重螺栓支撐結(jié)構(gòu)，位于下機(jī)架；水導(dǎo)瓦共8塊，為楔子塊結(jié)構(gòu)。上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸瓦單邊設(shè)計間隙均為0.15～0.20mm。

近年來出現(xiàn)機(jī)組振擺超標(biāo)或突增的示例較多，引起機(jī)組振擺異常變化的因素一般包括機(jī)械因數(shù)、水力因素、電磁因素等，結(jié)合各自原因可以采用轉(zhuǎn)子配重[1-2]、磁極線圈匝間短路處理[1，8]、調(diào)整機(jī)組軸線和瓦間隙[3-4]、加固泄水錐[5]、改造瓦支撐結(jié)構(gòu)[6]、提高軸承體剛度[9]等方法進(jìn)行處理。本文根據(jù)該電站故障特點，對造成此次水導(dǎo)擺度值突增的原因進(jìn)行分析，并采取了處理措施。

1 故障情況及現(xiàn)場排查

1.1 故障情況

2017年4月13日，6號機(jī)組在帶23MW負(fù)荷運行時，發(fā)現(xiàn)機(jī)組水導(dǎo)+X和+Y方向擺度值報警，根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示機(jī)組水導(dǎo)擺度突增大約3倍，從0.09mm增至0.36mm，增大幅度為0.27mm（見圖1），伴隨著上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度也有所增加，下導(dǎo)增大幅度約為0.08mm（見圖2），上導(dǎo)增大幅度約0.05mm，較水導(dǎo)擺度增大值逐漸減小，擺度異常的時間范圍為4月13～17日。從圖1還可以看出，在4月1日和4月11日分別出現(xiàn)過一次擺度突增，增大幅度0.05～0.08mm，但很快又恢復(fù)正常。對比同型號的5號機(jī)組，在相同工況下，各部位振擺值卻無明顯變化。在6號機(jī)組停機(jī)前用百分表測量了水導(dǎo)軸承處擺度，百分表波動范圍在0.35mm左右，與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，同時檢查發(fā)現(xiàn)油盆蓋與大軸間隙處有輕微摩擦痕跡，確定水導(dǎo)部位的擺度值確實出現(xiàn)了增大，并停機(jī)。

圖1 水導(dǎo)擺度監(jiān)測曲線Figure 1 Monitoring curve of water turbine guide bearing swing

圖2 下導(dǎo)擺度監(jiān)測曲線Figure 2 Monitoring curve of lower guide swing

表1為6號機(jī)組出現(xiàn)故障前后，同類型的兩臺機(jī)組擺度變化數(shù)據(jù)。根據(jù)表1可知，5號機(jī)組在兩個時間期間的擺度值基本沒變化，6號機(jī)組在兩個時間里的擺度值整體出現(xiàn)了很大變化，水導(dǎo)擺度出現(xiàn)了劇增，均超過了報警值（抱瓦總間隙的0.7倍）。從出現(xiàn)擺度增大前的數(shù)據(jù)可知，5號機(jī)組擺度數(shù)據(jù)比6號機(jī)組擺度數(shù)據(jù)更好，而6號機(jī)組此前的上導(dǎo)擺度值已經(jīng)超過設(shè)計報警值（210μm），說明6號機(jī)組的自身特性相對更差。

表1 出現(xiàn)故障前后擺度值Table 1 The swing value before and after malfunction 0.001mm

1.2 現(xiàn)場排查

1.2.1 振擺裝置檢查

在出現(xiàn)異常后，采用測量設(shè)備對6號機(jī)組水導(dǎo)X向擺度進(jìn)行了現(xiàn)場比對，測量結(jié)果與在線監(jiān)測系統(tǒng)值相符，同時停機(jī)后檢查在線監(jiān)測傳感器安裝正常，無松動，間隙合適，排除測量裝置的原因。

1.2.2 轉(zhuǎn)輪及尾水管

影響機(jī)組振擺的水力因素有：轉(zhuǎn)輪葉片損壞、尾水管內(nèi)低頻渦帶，尾水管中頻、高頻壓力脈動，水輪機(jī)止漏環(huán)間隙不均，蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪水流不均；壓力管道中水流脈動，水頭變化；負(fù)荷變化，水力不平衡引起的機(jī)組振擺變化首先體現(xiàn)在水導(dǎo)擺度的變化。查看運行工況，6號機(jī)組出現(xiàn)擺度突增時的負(fù)荷為23MW，水頭為58m，機(jī)組在穩(wěn)定工況下運行，無不利的渦帶影響?，F(xiàn)場查看尾水管處噪聲無異常，由于水力因素引起擺度增大的可能性較小。但由于無壓力脈動監(jiān)測點，所有無法實時分析當(dāng)時的水力情況，只能通過振區(qū)試驗資料推斷。

1.2.3 發(fā)電機(jī)檢查

磁拉力不平衡是影響機(jī)組穩(wěn)定性的重要因素之一，定轉(zhuǎn)子間隙的變化、磁極線圈短路等都可能引起磁拉力的變化。在停機(jī)后，檢修人員進(jìn)入風(fēng)洞對定轉(zhuǎn)子間隙進(jìn)行了測量，對磁極鍵焊縫和穿芯螺桿進(jìn)行了檢查，并未發(fā)現(xiàn)異常情況。由于此時故障還未排除，未開機(jī)進(jìn)行變勵磁試驗，初步判斷在發(fā)生水導(dǎo)擺度突變前后，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件未出現(xiàn)異常變化，發(fā)電機(jī)磁拉力較之前未發(fā)生變化。

1.2.4 結(jié)構(gòu)受力部件檢查

現(xiàn)場對上機(jī)架、下機(jī)架及頂蓋連接螺栓和水導(dǎo)油槽座螺栓等結(jié)構(gòu)受力部件進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)油盆蓋內(nèi)圓迷宮環(huán)與大軸已經(jīng)有接觸磨損，出現(xiàn)毛刺，說明轉(zhuǎn)動部件的擺度值超過了油盆蓋的設(shè)計間隙值。但未發(fā)現(xiàn)螺栓松動和結(jié)構(gòu)件變形現(xiàn)象，排除固定部件松動原因。

1.2.5 導(dǎo)瓦間隙檢查

（1）上導(dǎo)、下導(dǎo)瓦間隙檢查。上導(dǎo)及下導(dǎo)軸承在安裝時的抱瓦總間隙均為0.34mm，經(jīng)檢查，兩個部位的瓦間隙略有增大，見表2，并發(fā)現(xiàn)個別導(dǎo)軸承抗重螺栓有松動現(xiàn)象。

表2 上導(dǎo)、下導(dǎo)瓦間隙變化值Table 2 Clearance change value of upper and lower guide bearing mm

（2）水導(dǎo)瓦間隙檢查。由于水導(dǎo)擺度最大值已經(jīng)接近水導(dǎo)瓦抱瓦總間隙，水導(dǎo)瓦間隙變化的可能性較大。4月18日對水導(dǎo)軸承進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)油位正常，瓦面和軸領(lǐng)處也無刮痕，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)瓦瓦背楔子塊的調(diào)整螺桿有上竄現(xiàn)象，楔子塊調(diào)整螺桿上部鎖定螺母與壓板間存在較大上竄量，如圖3所示。水導(dǎo)軸瓦調(diào)整螺桿上竄后，瓦背后的調(diào)整斜楔塊跟隨上移，導(dǎo)致水導(dǎo)瓦可偏離大軸移動，造成瓦間隙增大，表3是對各水導(dǎo)瓦上竄量的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)計算，上竄后導(dǎo)致的瓦間隙增大值與水導(dǎo)擺度增大值相符。判斷造成水導(dǎo)擺度增大的主要原因是水導(dǎo)調(diào)整螺桿上竄，導(dǎo)致瓦間隙增大，引起水導(dǎo)擺度增大。

圖3 螺桿上竄照片F(xiàn)igure 3 Photo of bolt go up

表3 水導(dǎo)瓦間隙變化值Table 3 Clearance change value of water turbine guide bearing mm

2 原因分析

根據(jù)水導(dǎo)瓦檢查情況判斷導(dǎo)致機(jī)組擺度增大的主要原因為機(jī)械因素，下面從水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子不平衡兩個方面進(jìn)行分析。

2.1 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)缺陷

根據(jù)制造廠家提供的水機(jī)軸承裝配圖（見圖4），水導(dǎo)瓦是通過斜楔裝配控制其間隙。斜楔裝配是由斜楔塊、調(diào)整螺桿、上部鎖定螺帽、壓板、固定螺栓等組成，通過兩顆固定螺栓固定在軸承體上?？箟簤K的右側(cè)鑲嵌在水導(dǎo)瓦背的圓柱槽里，抗壓塊本體的左側(cè)開有槽，槽底面與斜楔塊的斜面配合，斜楔塊可通過調(diào)整螺桿在抗壓塊的斜槽里上下調(diào)整，抗壓塊的斜槽可限制斜楔塊在圓周方向的移動。斜楔裝配的上部鎖定螺帽可以限制斜楔塊向下移動，保證水導(dǎo)瓦間隙不變小，但斜楔裝配壓板的下平面與斜楔塊的上平面間調(diào)整螺桿無任何鎖定或限制裝置，斜楔在受垂直向上分力時可以向上移動，可移動距離為壓板下平面與斜楔上平面的距離h。

圖4 原水導(dǎo)裝配圖Figure 4 Original water turbine guide bearing assembly drawing

根據(jù)圖紙，斜楔塊與水導(dǎo)瓦抗壓塊配合面坡度為2%，當(dāng)斜楔塊的斜面受到瓦背傳遞到徑向力F時，可分解為垂直向上的分力Fy=0.02F（斜楔面坡度為2%），和水平分力Fx=0.98F。由于斜楔塊存在垂直向上移動的自由距離h，當(dāng)垂直分力Fy大于斜楔塊本身的重力和摩擦力時，將導(dǎo)致其向上移動。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，在調(diào)整螺桿上部的兩個鎖定螺母與壓板相平時（斜楔到達(dá)下限時），瓦總間隙在0.38～0.39mm，與安裝間隙相同，說明上部鎖定螺母并未變動；再將調(diào)整螺桿往上提升時（斜楔到達(dá)上限時），測量計算瓦總間隙達(dá)到0.56～0.82mm。因此，在機(jī)組運行時，水導(dǎo)軸承斜楔存在上竄導(dǎo)致瓦間隙增大，擺度增大。

因此，根據(jù)現(xiàn)場檢查和分析，可以確定水導(dǎo)軸承斜楔調(diào)整螺栓只有下行程限制，無上行程限制，其結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷是本次設(shè)備故障的主要原因。當(dāng)水導(dǎo)瓦徑向力增大到一定數(shù)值或在不利工況下導(dǎo)致軸瓦向上運動，致使斜楔塊受到的向上合力大于零時，斜楔塊存在向上的運行的可能性，進(jìn)而使得軸瓦產(chǎn)生遠(yuǎn)離大軸的位移，造成水導(dǎo)瓦間隙增大，水導(dǎo)擺度增大。同時，根據(jù)之前的運行情況，水導(dǎo)軸承擺度一直很平穩(wěn)，擺度增大是一個突變過程，可能由于短時間的不利工況導(dǎo)致水導(dǎo)瓦軸向力增大或出現(xiàn)抬機(jī)原因?qū)е螺S瓦向上運動，導(dǎo)致水導(dǎo)瓦間隙和擺度突然增大。

2.2 水力和機(jī)械不平衡

類比同型號的5號機(jī)組，在同工況下只有6號機(jī)組發(fā)生了水導(dǎo)斜楔上竄，瓦間隙增大的問題。5號機(jī)組與6號機(jī)組的引水及尾水流道均為對稱結(jié)構(gòu)，可以排除流道原因。分析造成的內(nèi)部原因是該機(jī)組本身的特性綜合引起的，一方面可能由于機(jī)組大軸自然補氣失靈，導(dǎo)致水輪機(jī)真空度增大，出現(xiàn)抬機(jī)，大軸帶動水導(dǎo)瓦和斜楔上竄，當(dāng)水導(dǎo)瓦落下后斜楔未能落下，使得瓦間隙保持在增大的位置；另一方面，水力不平衡力及動不平衡力占作用在導(dǎo)軸承上徑向力的絕大部分[7]，機(jī)組運行中由于機(jī)械或水力不平衡使得水輪機(jī)受到徑向力增大，傳遞到水導(dǎo)瓦后致使斜楔向上運行。水導(dǎo)瓦擺度增大時，該機(jī)組已經(jīng)連續(xù)運行10個月，期間機(jī)組未對水導(dǎo)軸承檢修，分析出現(xiàn)故障時，至少6塊瓦（共8塊）已經(jīng)出現(xiàn)了瓦間隙增大問題，出現(xiàn)瓦間隙增大導(dǎo)致擺度增大可能是一個較長積累的過程。

3 故障處理

3.1 上、下導(dǎo)軸承瓦間隙調(diào)整

根據(jù)檢查中測量的上導(dǎo)和下導(dǎo)瓦間隙數(shù)據(jù)，對超標(biāo)的瓦間隙進(jìn)行了調(diào)整。分析在事故出現(xiàn)前，上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度值已經(jīng)略大于報警值或接近報警值，按照設(shè)計值（單邊0.15～0.20mm）的低限進(jìn)行重新抱瓦，總間隙值0.30mm的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

3.2 水導(dǎo)瓦結(jié)構(gòu)改造

3.2.1 處理前瓦間隙測量

首先在軸承座+X、-X、+Y、-Y四個方向架百分表，瓦間隙測量過程中保證大軸位置不變。將已上竄斜楔塊落到原安裝位置，即上部鎖定螺帽與壓板相平，此時測量斜楔上表面與上部墊板間的距離m，再將上部鎖定螺母拆除后，將斜楔往下敲，兩個瓦一組，直到瓦與大軸緊貼，觀察百分表讀數(shù)輕微變化時來回調(diào)整，此時再測量斜楔上表面與上部墊板間的距離n，則每塊瓦的總間隙a=（n-m）·k（k為斜楔坡度0.02）。按照此方法測量得到每個水導(dǎo)瓦的初始間隙，經(jīng)測量瓦總間隙均在0.38～0.39mm之間（設(shè)計總間隙為0.30～0.40mm），與安裝數(shù)據(jù)相符。

3.2.2 調(diào)整螺桿增加限位套筒和下部鎖定螺帽

根據(jù)以上分析，水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷，采取在水平壓板下方與斜楔上表面間增加限位套筒和下部鎖定螺帽，防止斜楔塊向上移動和螺桿轉(zhuǎn)動。制作限位套筒前，先要測量斜楔塊在正常瓦間隙狀態(tài)下與水平墊板下表面的距離h，h值減去下部鎖定螺帽高度即為需要制作的限位套筒高度。在制作套筒時，要保證套筒上下面加工精度，確保與水平墊板和下部的鎖定螺帽配合。改造后的水導(dǎo)軸承裝配圖如圖5所示。在調(diào)整過程中，首先對按照尺寸加工好（正偏差）的套筒進(jìn)行編號，并在瓦座四個方向上架設(shè)百分表。安裝時將斜楔塊、下部鎖定螺帽、鎖定套筒和調(diào)整螺桿組裝完成后，輕輕敲擊調(diào)整螺桿將斜楔塊擠壓水導(dǎo)瓦貼緊大軸，測量此次套筒頂部與壓板底部間隙，驗算對應(yīng)的瓦間隙是否與之前計算值一致，若有誤差，再對套筒進(jìn)行微加工。在全部軸承裝配件都安裝完成后，經(jīng)開機(jī)試運，機(jī)組在滿負(fù)荷時水導(dǎo)X向擺度82μm，Y向擺度76μm（見圖6），瓦溫最高38℃，其他各部位擺度和瓦溫均恢復(fù)正常。

圖5 增加套筒后結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Structure diagram after adding sleeve

圖6 處理前后擺度值對比Figure 6 Comparison of swing value before and after treatment

4 軸線檢查和動平衡試驗

4.1 軸線檢查

為了進(jìn)一步分析故障原因，2018年擴(kuò)大型C級檢修時對6號機(jī)組進(jìn)行了盤車軸線檢查。該機(jī)組為懸式機(jī)組，推力軸承為剛性支柱，在調(diào)整好鏡板水平后，采用8等分點和固定上導(dǎo)的方法盤車。根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》（GB/T 8564）的規(guī)定[10]，對于額定轉(zhuǎn)速250r/min的機(jī)組，下導(dǎo)處相對擺度小于0.03mm/m，水導(dǎo)相對擺度小于0.05mm/m。盤車結(jié)果如表4所示，由數(shù)據(jù)可知，盤車顯示相對擺度最大值為0.0159mm/m，滿足規(guī)范要求，判斷機(jī)組軸線未出現(xiàn)變化，不是引起機(jī)組擺度增大的原因。

4.2 動平衡試驗

為了提高機(jī)組穩(wěn)定性，從根源上消除或降低6號機(jī)組運行時的不平衡力，在2019年機(jī)組檢修時進(jìn)行了動平衡試驗，通過變轉(zhuǎn)速、變勵磁、動平衡配重、變負(fù)荷試驗，對機(jī)組存在動不平衡現(xiàn)象進(jìn)行了配重處理。

4.2.1 變轉(zhuǎn)速試驗

變轉(zhuǎn)速試驗是在不同轉(zhuǎn)速條件下，研究機(jī)組各測點振動和擺度的變化趨勢以及軸心軌跡，對軸心軌跡特征以及機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量平衡狀況做出評價。根據(jù)變轉(zhuǎn)速試驗數(shù)據(jù)（見表5），在變轉(zhuǎn)速試驗過程中，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增加，上機(jī)架振動、定子振動、下機(jī)架振動、上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度幅值明顯增大，至空轉(zhuǎn)工況上導(dǎo)擺度幅值已經(jīng)超過規(guī)程要求的限定值，機(jī)組存在明顯的動不平衡現(xiàn)象。

4.2.2 變勵磁試驗

通過在不同勵磁電壓條件下，測量機(jī)組的振動和擺度情況，根據(jù)振動和擺度的變化趨勢，對機(jī)組的電磁不平衡狀況以及對機(jī)組運行的影響做出評價。根據(jù)變勵磁試驗數(shù)據(jù)（見表5），隨著勵磁電壓的增加，各測點的振動幅值無明顯變化，均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，但上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度幅值明顯增大，至空載工況時上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度幅值已經(jīng)超過規(guī)程要求的限定值，說明機(jī)組存在電磁力不平衡現(xiàn)象。

表4 盤車數(shù)據(jù)Table 4 Turning data 0.01mm

表5 動平衡試驗通頻值Table 5 Pass value of dynamic balance test μm

續(xù)表

4.2.3 動平衡配重

機(jī)組動平衡試驗在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上端面共加配重約22kg。動平衡試驗后，機(jī)組上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度幅值明顯減小，且在規(guī)程要求的范圍內(nèi)。動平衡試驗數(shù)據(jù)（通頻峰峰值）見表5。

4.2.4 帶負(fù)荷試驗

經(jīng)動平衡配重處理后，進(jìn)行了機(jī)組帶負(fù)荷試驗，分別測量了在負(fù)荷2MW、18MW和22MW時的振動和擺度值，帶負(fù)荷試驗數(shù)據(jù)在規(guī)程要求的范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

經(jīng)過各方面分析，該機(jī)組出現(xiàn)水導(dǎo)擺度突增的主要原因是水導(dǎo)斜楔裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，導(dǎo)致機(jī)組在長期運行后，水導(dǎo)瓦間隙增大，造成水導(dǎo)擺度翻倍增長和上、下導(dǎo)擺度的跟隨增長；其次，機(jī)組在投產(chǎn)后，轉(zhuǎn)子存在較大的質(zhì)量和電磁不平衡力，是此次設(shè)備故障的次要因素，而機(jī)組軸線未發(fā)生變化，軸線不是出現(xiàn)此設(shè)備故障的原因。但由于該機(jī)組未設(shè)置壓力脈動和抬機(jī)量監(jiān)測點，導(dǎo)致水導(dǎo)斜楔上竄過程中是否發(fā)生了機(jī)組抬機(jī)或水力振動等問題無法確定，建議對于類似小型機(jī)組考慮增設(shè)類似參數(shù)的監(jiān)測點。

通過對水導(dǎo)斜楔裝配結(jié)構(gòu)的改造，在調(diào)整螺桿上增加了限位套筒的鎖定螺帽，限制水導(dǎo)瓦間隙的變化，技改后機(jī)組狀態(tài)得到恢復(fù)。同時，對機(jī)組進(jìn)行動平衡試驗發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)動部分受質(zhì)量不平衡和電磁力不平衡現(xiàn)象，經(jīng)對轉(zhuǎn)子配重后，機(jī)組上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度幅值明顯降低，在空轉(zhuǎn)、空載和帶負(fù)荷工況下，機(jī)組各部的振動、擺度幅值均在規(guī)程要求的范圍內(nèi)。本文對于類似機(jī)組在運行中出現(xiàn)擺度增大情況的檢查和處理具有一定的參考意義。