張弋揚，蔡俊鵬，何成連，劉 健

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津市 300222；2.清華大學(xué)能源與動力工程系，北京市 100084）

1 前言

水力機械軸向與徑向水推力不可避免地存在。軸向水推力可通過理論計算、試驗測量及數(shù)值模擬計算得到，各方法都各具優(yōu)勢但同時又均有先天不足之處[1]。如理論計算一般采用簡化策略并以假設(shè)為前提，其得到的結(jié)果不能反映一些工況、泄漏量、流道形狀等不確定因素對軸向水推力的影響[2]。試驗測量包括模型試驗及真機試驗，在模型試驗中一般是驗證軸向水推力合同保證值，用來對推力軸承荷載進行復(fù)核[3]，但由于模型和原型的止漏環(huán)部位、間隙、轉(zhuǎn)輪上平衡孔設(shè)置、頂蓋技術(shù)供水等存在等諸多相似性因素的影響而有許多不確定性，使換算的軸向力存在較大不確定性；真機試驗最直接可靠，但真機試驗在機組運行后進行，不具有普適性[1]。數(shù)值模擬由于計算模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件與真實情況不完全吻合等，計算結(jié)果的精度可靠性仍有待進一步提高，如李浩亮等通過對測試結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比得出數(shù)值模擬與測試結(jié)果趨勢變化一致，但具體數(shù)值存在一定差異[4]。目前對于軸向水推力的研究較多，但關(guān)于機組徑向水推力的研究較少，徑向水推力的計算及測量研究需要加強。

水力機械軸向力一般由轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量、水對轉(zhuǎn)輪的浮力、水力機械運行時葉片上的軸向力、軸端處靜水力、上冠及下環(huán)在水壓力作用下形成的軸向力等組成[3]。徑向水推力主要分為轉(zhuǎn)頻徑向力及其他徑向力。造成轉(zhuǎn)頻徑向力的原因有轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不平衡力、轉(zhuǎn)輪內(nèi)腔水體分布不均造成的水力不平衡力、葉片型線和安裝角度不一致及葉片動態(tài)形變不同等形成的水力不平衡力[5]，轉(zhuǎn)頻徑向力是造成軸偏磨，軸瓦均勻磨損的主要因素。其他如由轉(zhuǎn)輪進、出水流的不對稱性導(dǎo)致的具有固定方向性的徑向力，是造成軸均勻磨損，軸瓦偏磨的主要因素。

2 典型案例分析

2.1 高水頭混流式水輪機抬機故障診斷

四川某水電站，設(shè)計水頭262m，安裝了兩臺立式混流式水輪發(fā)電機組，單機容量22MW。2號機檢修完成后機組在升負(fù)荷過程至某個負(fù)荷時機組異常劇烈振動，廠房震感明顯，被迫停機，后續(xù)經(jīng)過大量檢修、測試、調(diào)整、專家論證，問題一直未得到解決。經(jīng)對機組開展診斷性測試，分析后確認(rèn)：2號機大修后，將磨損葉片、上下止漏環(huán)修復(fù)，修復(fù)后的止漏環(huán)間隙產(chǎn)生變化，導(dǎo)致機組升至某一負(fù)荷時抬機，具體表現(xiàn)為：同一水頭，故障負(fù)荷具有復(fù)現(xiàn)性，不同水頭故障負(fù)荷點不同，停機后機組能夠正常開機且在故障負(fù)荷以下能夠正常運行；機組負(fù)荷升至故障點后，振動劇烈，除機組外，廠房、玻璃振動響應(yīng)劇烈，被迫停機；診斷測試時機組負(fù)荷升至7.5MW時故障現(xiàn)象出現(xiàn)，機組上機架、頂蓋振動和頂蓋壓力變化如圖1所示。

圖1 機組增負(fù)荷過程中上機架、頂蓋振動和頂蓋壓力變化Figure 1 The vibration and the pressure of the upper frame and top cover during the load increase of the unit

水輪機上設(shè)有常規(guī)的平衡孔，且技術(shù)供水也從頂蓋引出。通常認(rèn)為水輪機軸向水推力都是向下，只有在甩負(fù)荷時一般才會發(fā)生抬機現(xiàn)象。一般情況下，機組頂蓋壓力會隨機組負(fù)荷的增加而升高，機組振動也不應(yīng)對頂蓋壓力產(chǎn)生大的影響。抬機力大于轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量，轉(zhuǎn)輪上移致轉(zhuǎn)輪與頂蓋發(fā)生摩擦，產(chǎn)生劇烈振動，頂蓋壓力通道受阻，壓力從34m降至17m，根據(jù)頂蓋受壓面積0.78m2計算，抬機力增加13t，停機后轉(zhuǎn)動部分復(fù)位。故障問題明確后，初步將蝸殼高壓水引入水輪機頂蓋，解決了當(dāng)時汛期機組能夠滿負(fù)荷發(fā)電問題，汛后封堵了轉(zhuǎn)輪上的部分平衡孔，使問題得以解決。

新疆某水電站，在機組頂蓋上開設(shè)6個平壓孔，引至水輪機尾水管，在機組啟動時就出現(xiàn)抬機問題，現(xiàn)場對稱封堵3個平壓孔后機組能夠正常運行。對于高水頭立式水泵、水輪機、水泵—水輪機，建議慎重采用在轉(zhuǎn)輪上開設(shè)平衡孔方式，這種方法能夠有效降低軸向力，但會將轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動導(dǎo)致頂蓋，不利于機組運行穩(wěn)定也不能在機組運行過程中對軸向力進行調(diào)節(jié)。建議采用在頂蓋上設(shè)置配有可調(diào)閥門的平壓孔，便于在機組試運行期間將軸向力調(diào)至合適值。

2.2 雙吸離心泵口環(huán)與轉(zhuǎn)輪抱卡問題分析和處理

某供水工程泵站安裝了5臺水平中開離心式水泵，水泵主要參數(shù)（流量：3.7m3/s，揚程：53.2m，轉(zhuǎn)速：590r/min），水泵投入運行后就發(fā)現(xiàn)存在振動、噪聲大問題，運行一段時間停機后出現(xiàn)轉(zhuǎn)子盤不動現(xiàn)象，經(jīng)拆卸水泵進行檢查、檢修發(fā)現(xiàn)葉輪吸入口與密封環(huán)發(fā)生嚴(yán)重摩擦磨損，局部已無間隙導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無法盤動。圖2為口環(huán)磨損部位和形貌，其中傳動端磨損最大為5.6mm，非傳動端最大磨損為4.0mm。

圖2 雙吸離心泵口環(huán)磨損Figure 2 Wear of the impeller ring of double suction centrifugal pump

該水泵采用閉閥直接啟動方式，開機過程測試結(jié)果表明：機組轉(zhuǎn)速在1s內(nèi)從零升至599r/min，泵出口壓力升至最大值74m；出口蝶閥在機組啟動1.8s后線性開啟，23s全開；軸位移矢量值在1.5s達(dá)到最大值（傳動端0.9mm，非傳動端0.5mm），方向為出水向下45°，與口環(huán)磨損部位一致。

變揚程試驗結(jié)果表明：雙吸離心泵徑向力隨揚程增大而增大，方向固定（如圖3所示）。泵站問題為：泵兩側(cè)軸承支撐剛強度不足，在水泵閉閥啟動時轉(zhuǎn)輪與口環(huán)產(chǎn)生摩擦，隨著出口閥門打開，徑向力降低，轉(zhuǎn)輪恢復(fù)原位，但口環(huán)由于摩擦出現(xiàn)不均勻熱變形，向內(nèi)收縮，造成停機時（出口閥門關(guān)閉后停機）口環(huán)向內(nèi)收縮將轉(zhuǎn)輪抱住和口環(huán)局部磨損問題。

圖3 某雙吸離心泵啟動和不同運行工況軸位移和方向Figure 3 Shaft displacement and direction of double suction centrifugal pump under starting and different operating conditions

采用直接啟動的離心泵要注意軸承選擇和支撐的剛強度設(shè)計，除要滿足正常運行還要承受閉閥啟動時的徑向力。應(yīng)研究機組啟動與出口閥門開啟時間配合問題，在電機功率、啟動沖擊電流允許條件下，將閥門開啟時間提前。有一種雙蝸殼雙吸離心泵設(shè)計，可有效降低徑向力。

2.3 立式軸流泵的橡膠瓦偏磨問題分析徑向水推力

典型立式軸流泵一般為肘型進水流道、虹吸出水流道且泵體內(nèi)主軸裸露。出水流道內(nèi)水流作用于裸露的主軸上，形成出流方向徑向力；進水肘型流道，由于彎肘作用，轉(zhuǎn)輪上肘外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)壓力，形成入流方向徑向力；共同作用軸運行時形成固定向軸位移，造成橡膠水導(dǎo)軸承偏磨（見圖4）。

圖4 典型軸流泵布置圖及軸瓦偏磨Figure 4 Layout of typical axial flow pump and eccentric wear of bearing bush

在裸露軸段加裝保護外套可消除軸出流向徑向力。應(yīng)對消除肘型流道造成轉(zhuǎn)輪進水不均勻產(chǎn)生的徑向力措施進行研究，如在轉(zhuǎn)輪進口兩側(cè)邊壁設(shè)置可調(diào)節(jié)導(dǎo)流板等調(diào)節(jié)措施。徑向力大小和方向，可通過軸擺度測量信號的直流量間接獲得（定義為軸位移），軸位移基準(zhǔn)為：機組在正常停機時，自由降速過程后軸轉(zhuǎn)動中心。

2.4 高揚程立式離心泵掃膛故障診斷

某調(diào)水工程泵站，采用單級立式離心泵，設(shè)計揚程140m，單機額定流量6.45m3/s，轉(zhuǎn)速600r/min。其中一臺機組發(fā)生水泵掃膛故障，摩擦部位為：轉(zhuǎn)輪一側(cè)，止漏環(huán)一周?，F(xiàn)象為：機組正常運行時突然產(chǎn)生劇烈振動，觸發(fā)保護被迫停機，停機后，機組仍能正常啟動；正常運行，在不定期運行后又出現(xiàn)劇烈振動導(dǎo)致停機，而泵站其他同型號機組運行正常。經(jīng)檢查電機、水泵、制造和安裝都符合規(guī)范，未發(fā)現(xiàn)問題。

水泵采用明蝸殼可中拆結(jié)構(gòu)，電機、水泵之間過渡軸較長，為降低軸向力，泵輪上設(shè)有平衡孔，將頂蓋與轉(zhuǎn)輪葉片進口聯(lián)通，為常用的降低軸向力措施。機組正常運行時推力瓦溫39℃偏低，巴氏合金瓦推力軸承一般運行瓦溫范圍為66～80℃[6，7]，說明水泵軸向力較小或本身就存在抬機隱患。經(jīng)對運行記錄檢查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)振動過程后推力瓦溫降為37℃，分析認(rèn)為，機組故障為水泵抬機使主軸產(chǎn)生彎曲變形導(dǎo)致水泵掃膛。

2.5 軸向力、徑向力測量

軸向力可采用測量推力軸承支架變形方法間接測量，在推力軸承座處設(shè)置電渦流位移傳感器測量軸承座位移，采用轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量對測試系統(tǒng)進行標(biāo)定，利用高壓油頂起裝置，將轉(zhuǎn)動部分頂起，軸向力為零，將轉(zhuǎn)動部分放下，軸向力為轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量；也可采用遙測應(yīng)變儀測量水輪機軸拉應(yīng)變方法測量。

徑向力測量需要在軸瓦支撐調(diào)節(jié)螺栓上裝設(shè)測力元件，至少對稱裝設(shè)4個。也可通過軸位移信號（水導(dǎo)軸擺度直流信號）間接分析徑向力大小和方向。

3 結(jié)語

水力機械水力上抬會對應(yīng)3種現(xiàn)象：

（1）對于大型機組，轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量大、軸徑大，一般不會產(chǎn)生故障問題（將轉(zhuǎn)動部分抬起，將軸抬彎），主要表現(xiàn)為運行穩(wěn)定性變差，推力瓦溫偏低；

（2）對于中型長軸機組，出現(xiàn)抬機問題，如果軸線比較好，且抬機力小于轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量，機組能正常運行（機組發(fā)飄，運行穩(wěn)定指標(biāo)差）。如果軸線偏折較大，在抬機力作用下將加劇軸線偏折，嚴(yán)重時出現(xiàn)掃膛故障；

（3）如果抬機力大于轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量，機組不能運行。因此，機組正常運行時抬機問題，對于高水頭中小機組、抽水蓄能機組特別應(yīng)給予重視。

我們需要加強水力機械軸向、徑向力研究，測試和調(diào)節(jié)控制技術(shù)也需要創(chuàng)新。軸向力設(shè)計的目標(biāo)是將軸向力控制在一定范圍，既有利于機組穩(wěn)定運行，又不超過推力軸承承受能力。推薦采用在頂蓋上設(shè)置平壓管并裝設(shè)調(diào)節(jié)閥門的設(shè)計，便于對混流式水輪機、離心泵軸向力進行調(diào)整，在運行調(diào)節(jié)時應(yīng)嚴(yán)控抬機現(xiàn)象發(fā)生；雙蝸殼設(shè)計的離心泵可有效降低徑向力，機組啟動、運行時徑向力越小對導(dǎo)軸承越有利；對徑向力的調(diào)節(jié)和控制是設(shè)計需考慮的一個問題，初步設(shè)想在下環(huán)處對稱設(shè)置4個調(diào)壓腔，進一步開展對轉(zhuǎn)輪徑向力進行控制調(diào)節(jié)的研究。