虢 強

(新疆電力設計院，新疆 烏魯木齊 830000)

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黨上三級水電站機組頂蓋振動分析

虢 強

(新疆電力設計院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

黨上三級水電站位于甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣境內黨河上游干流上，是黨河上游規(guī)劃的第三級水電站，距縣城東南約37～41 km，至敦煌市150 km。電站為引水式電站，其永久建筑物包括引水渠首、引水暗渠、壓力前池、壓力管道、發(fā)電廠房、尾水渠、泄水陡坡、GIS等。電站工程等別為IV等，工程規(guī)模為小(1)型，主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級。電站采用單機單管布置形式，裝設2臺10 MW水輪發(fā)電機組，總裝機容量20 MW，多年平均發(fā)電量8 600萬kW·h；設計水頭117.7 m，最大水頭119 m，最小水頭117 m(見表1)。

表1 水輪發(fā)電機組主要參數

2 故障現象及原因分析

2.1 振動現象

機組在運行約2個月后，運行人員發(fā)現2臺機組都有頂蓋劇烈振動的現象。當機組出力大于50%額定出力，頂蓋振動開始明顯，出力越大振動越劇烈，在廠房下游側的座環(huán)排水管檢修閥門處也有較強的噪聲和金屬共鳴聲。根據監(jiān)測數據，頂蓋處的振動值已遠遠超出規(guī)范對500 r/min立式機組要求的0.03 mm，嚴重影響到機組的正常發(fā)電(見表2)。

表2 不同出力情況下頂蓋振動測量值

2.2 振動原因初步分析

水輪機振動的原因一般是由機械、水力、電磁三方面的原因引起的。本電站機組振動隨出力的不斷增大而變大，即隨流量的增大而變大，所以初步判斷是由水力原因引起的?，F場測量活動導葉的開度曲線、水輪機各止漏環(huán)的配合間隙,尾水位高程,各項數據都滿足設計要求,尾水補氣管都能正常工作；檢查中也未發(fā)現設備損壞或裂紋。從機組安裝方面看,也沒有能造成機組明顯水力不均衡的地方。最后將機組座環(huán)排水管出口局部封堵減小排水管出口面積后振動明顯減小。經以上檢查、試驗結果分析確定頂蓋及座環(huán)排水管的振動主要是由于水力原因造成，產生了旋轉脫流振動。

2.3 泵板密封水輪機結構特點

水輪機轉輪頂部設有泵板裝置，由于泵板(相當于水泵)的吸出作用，保持主軸法蘭一直處于大氣之中，主軸與主軸密封間不接觸且只有一層空氣，這樣可以保證密封有極長的壽命。此密封不需要檢修，在水輪機正常運行時也不需冷卻或潤滑。主軸密封為間隙密封(不接觸迷宮型)，由緊靠著軸上的轉動套、密封箱和主軸密封排水管組成(見圖1)。

(1)水輪機正常運行

在額定轉速運行下，因為存在泵板裝置，全負荷范圍內密封盒上均無水壓，密封轉動應是完全干燥的。轉輪上的泵板裝置隨轉輪一起旋轉可防止水及泥沙等進入主軸密封，同時泵板排水管不但可防止泥沙或固體物質積在水機頂蓋下部，還可將透過上止漏環(huán)的少量漏水通過泵板及座環(huán)排水管排至尾水。

圖1 主軸密封剖面

(2)低于額定轉速運行

在起動和關閉時，轉速降低的情況下，水壓可能達到主軸密封，此時由于迷宮環(huán)狀主軸密封箱的擴散作用使漏水壓力大幅降低，同時位于各個迷宮環(huán)之間的主軸密封排水管也可有效預防封密箱的漏水，滲漏水通過管路排至電站集水井。

(3)停機狀態(tài)下

在停機狀態(tài)下，檢修空氣圍帶可防止水漏過密封箱，即使密封失效，迷宮環(huán)狀的主軸密封和排水管密封箱也會大大減少滲漏水量，確保電站的安全。

2.4 旋轉脫流分析

當頂蓋與轉輪中間的流量減小到一定程度時,排水流道內會就會形成若干個失速水流團, 這些失速的水流團以相同方向、較低角速度繞軸旋轉， 這種現象就是旋轉失速。當排水流量減小或發(fā)生流道堵塞時，進入頂蓋與轉輪中間的液流流態(tài)就會發(fā)生變化, 水流向著泵板壓力面沖擊, 而在吸力面發(fā)生脫流；當流量減小到某一極限流量以下時，由于實際水流流入流道的不均勻性, 在各流道內產生的脫流水流會形成若干個失速水流團。由于失速水流團占據了部分流道，使得流道截面積變小，其他水流就擠向相鄰的流道，改變了相鄰流道內的流態(tài)；失速水流團在葉輪各流道內不斷循環(huán)出現， 這就在頂蓋與轉輪中間形成旋轉失速，其在頂蓋與轉輪中間內產生的壓力波動是激發(fā)頂蓋發(fā)生劇烈振動的激振力，即產生頂蓋振動的原因。這種激振力擴散至整個座環(huán)排水管路系統(tǒng)，從而引起水力共振，所以在廠房下游混凝土外部的座環(huán)排水管檢修閥門處同樣有較強的噪聲和金屬共鳴聲。

3 處理方法

消除頂蓋與轉輪中間內產生的壓力波動及激勵頂蓋發(fā)生異常振動的激振力是消除頂蓋振動的根本途徑。

(1)拆卸水輪機軸承、主軸密封轉環(huán)、導葉臂、可調連桿等，并將控制環(huán)、軸承支架吊起到適當高度。

(2)現場利用磁力鉆在靠近主軸密封座的區(qū)域(φ890)鉆制新的排水孔(20個φ30)均布，以排除通過梳齒密封后的漏水，進一步降低主軸密封前的壓力。

(3)將頂蓋吊起到適當高度，用氧割刀在頂蓋內側立板上割制4個排水窗口，大小為60 mm×60 mm，以此排泄頂蓋壓力水。

(4)現場用鋼制塞子(φ40×30)縫焊頂蓋上原來的排水孔。利用上冠泵輪的排水壓力在此處形成相對較高的水壓區(qū)域，以減小上冠直縫處的漏水量。

(5)仔細清除頂蓋內的鐵屑、熔渣等雜物，用δ=12的鋼板在密封座部位進行縫焊，形成完整的密封排水通道。

(6)落下頂蓋，復裝導葉臂、可調連桿等，并將控制環(huán)、軸承支架、主軸密封轉環(huán)、水輪機軸承復裝，然后復測水導瓦間隙。

4 結 語

頂蓋處理后再次進行開機試運行，振動明顯降低，且已在允許范圍之內，說明處理措施是有效的。通過本次對甘肅黨上三級水電站頂蓋排水通道的改進，使得轉輪上部泵板與頂蓋間形成了完整的密封排水通道，消除了失速脫流現象，而且消除了機組頂蓋振動現象。

[1] GB/T 8564—2003，水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范[S].

[2] 王玲花.水輪發(fā)電機組振動及分析[M] .河南：黃河水利出版社，2011.

[3] 孫定茂.水輪機密封裝置的一些問題及改進措施[J].云南水力發(fā)電,2002(1)：78_81.

[4] 史宏超,李意民.離心泵進口回流及其控制的研究[J].水泵技術,2000(3)：27_29.

[5] 劉大凱. 水輪機(第三版)[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

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責任編輯 吳 昊

2014-12-16

虢 強(1982-)，男，工程師，主要從事水電站水力機械設計工作。E_mail：38030616@qq.com