張弋揚，蔡俊鵬，何成連，劉 健

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津市 300222；2.清華大學能源與動力工程系，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為前提，其得到的結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核[3]，但由于模型和原型的止漏環(huán)部位、間隙、轉輪上平衡孔設置、頂蓋技術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、網格劃分及邊界條件與真實情況不完全吻合等，計算結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果與數(shù)值模擬的結果進行對比得出數(shù)值模擬與測試結果趨勢變化一致，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動部分質量、水對轉輪的浮力、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頻徑向力及其他徑向力。造成轉頻徑向力的原因有轉輪質量不平衡力、轉輪內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。其他如由轉輪進、出水流的不對稱性導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荷過程至某個負荷時機組異常劇烈振動，廠房震感明顯，被迫停機，后續(xù)經過大量檢修、測試、調整、專家論證，問題一直未得到解決。經對機組開展診斷性測試，分析后確認：2號機大修后，將磨損葉片、上下止漏環(huán)修復，修復后的止漏環(huán)間隙產生變化，導致機組升至某一負荷時抬機，具體表現(xiàn)為：同一水頭，故障負荷具有復現(xiàn)性，不同水頭故障負荷點不同，停機后機組能夠正常開機且在故障負荷以下能夠正常運行；機組負荷升至故障點后，振動劇烈，除機組外，廠房、玻璃振動響應劇烈，被迫停機；診斷測試時機組負荷升至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

水輪機上設有常規(guī)的平衡孔，且技術供水也從頂蓋引出。通常認為水輪機軸向水推力都是向下，只有在甩負荷時一般才會發(fā)生抬機現(xiàn)象。一般情況下，機組頂蓋壓力會隨機組負荷的增加而升高，機組振動也不應對頂蓋壓力產生大的影響。抬機力大于轉動部分質量，轉輪上移致轉輪與頂蓋發(fā)生摩擦，產生劇烈振動，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，停機后轉動部分復位。故障問題明確后，初步將蝸殼高壓水引入水輪機頂蓋，解決了當時汛期機組能夠滿負荷發(fā)電問題，汛后封堵了轉輪上的部分平衡孔，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，建議慎重采用在轉輪上開設平衡孔方式，這種方法能夠有效降低軸向力，但會將轉輪出口壓力脈動導致頂蓋，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節(jié)。建議采用在頂蓋上設置配有可調閥門的平壓孔，便于在機組試運行期間將軸向力調至合適值。

2.2 雙吸離心泵口環(huán)與轉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)轉子盤不動現(xiàn)象，經拆卸水泵進行檢查、檢修發(fā)現(xiàn)葉輪吸入口與密封環(huán)發(fā)生嚴重摩擦磨損，局部已無間隙導致轉子無法盤動。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，開機過程測試結果表明：機組轉速在1s內從零升至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：泵兩側軸承支撐剛強度不足，在水泵閉閥啟動時轉輪與口環(huán)產生摩擦，隨著出口閥門打開，徑向力降低，轉輪恢復原位，但口環(huán)由于摩擦出現(xiàn)不均勻熱變形，向內收縮，造成停機時（出口閥門關閉后停機）口環(huán)向內收縮將轉輪抱住和口環(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計，除要滿足正常運行還要承受閉閥啟動時的徑向力。應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主軸裸露。出水流道內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，轉輪上肘外側壓力高于內側壓力，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。應對消除肘型流道造成轉輪進水不均勻產生的徑向力措施進行研究，如在轉輪進口兩側邊壁設置可調節(jié)導流板等調節(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），軸位移基準為：機組在正常停機時，自由降速過程后軸轉動中心。

2.4 高揚程立式離心泵掃膛故障診斷

某調水工程泵站，采用單級立式離心泵，設計揚程140m，單機額定流量6.45m3/s，轉速600r/min。其中一臺機組發(fā)生水泵掃膛故障，摩擦部位為：轉輪一側，止漏環(huán)一周。現(xiàn)象為：機組正常運行時突然產生劇烈振動，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)劇烈振動導致停機，而泵站其他同型號機組運行正常。經檢查電機、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構，電機、水泵之間過渡軸較長，為降低軸向力，泵輪上設有平衡孔，將頂蓋與轉輪葉片進口聯(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℃，分析認為，機組故障為水泵抬機使主軸產生彎曲變形導致水泵掃膛。

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，在推力軸承座處設置電渦流位移傳感器測量軸承座位移，采用轉動部分質量對測試系統(tǒng)進行標定，利用高壓油頂起裝置，將轉動部分頂起，軸向力為零，將轉動部分放下，軸向力為轉動部分質量；也可采用遙測應變儀測量水輪機軸拉應變方法測量。

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

3 結語

水力機械水力上抬會對應3種現(xiàn)象：

（1）對于大型機組，轉動部分質量大、軸徑大，一般不會產生故障問題（將轉動部分抬起，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，且抬機力小于轉動部分質量，機組能正常運行（機組發(fā)飄，運行穩(wěn)定指標差）。如果軸線偏折較大，在抬機力作用下將加劇軸線偏折，嚴重時出現(xiàn)掃膛故障；

（3）如果抬機力大于轉動部分質量，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，測試和調節(jié)控制技術也需要創(chuàng)新。軸向力設計的目標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置平壓管并裝設調節(jié)閥門的設計，便于對混流式水輪機、離心泵軸向力進行調整，在運行調節(jié)時應嚴控抬機現(xiàn)象發(fā)生；雙蝸殼設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軸承越有利；對徑向力的調節(jié)和控制是設計需考慮的一個問題，初步設想在下環(huán)處對稱設置4個調壓腔，進一步開展對轉輪徑向力進行控制調節(jié)的研究。