李貴吉，葉喻萍，杜春生

（1.大唐水電科學技術研究院有限公司，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臺機組，其中，右岸安裝2臺單機容量25MW的混流式生態(tài)機組，額定水頭61m，額定轉(zhuǎn)速250r/min。水輪發(fā)電機組為懸式結構，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構機構，位于上機架上方；上導瓦共12塊，為抗重螺栓支撐結構，位于上機架內(nèi)部；下導瓦共12塊，為抗重螺栓支撐結構，位于下機架；水導瓦共8塊，為楔子塊結構。上導、下導和水導軸瓦單邊設計間隙均為0.15～0.20mm。

近年來出現(xiàn)機組振擺超標或突增的示例較多，引起機組振擺異常變化的因素一般包括機械因數(shù)、水力因素、電磁因素等，結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)整機組軸線和瓦間隙[3-4]、加固泄水錐[5]、改造瓦支撐結構[6]、提高軸承體剛度[9]等方法進行處理。本文根據(jù)該電站故障特點，對造成此次水導擺度值突增的原因進行分析，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號機組在帶23MW負荷運行時，發(fā)現(xiàn)機組水導+X和+Y方向擺度值報警，根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示機組水導擺度突增大約3倍，從0.09mm增至0.36mm，增大幅度為0.27mm（見圖1），伴隨著上導和下導擺度也有所增加，下導增大幅度約為0.08mm（見圖2），上導增大幅度約0.05mm，較水導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，但很快又恢復正常。對比同型號的5號機組，在相同工況下，各部位振擺值卻無明顯變化。在6號機組停機前用百分表測量了水導軸承處擺度，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，確定水導部位的擺度值確實出現(xiàn)了增大，并停機。

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

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

表1為6號機組出現(xiàn)故障前后，同類型的兩臺機組擺度變化數(shù)據(jù)。根據(jù)表1可知，5號機組在兩個時間期間的擺度值基本沒變化，6號機組在兩個時間里的擺度值整體出現(xiàn)了很大變化，水導擺度出現(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號機組擺度數(shù)據(jù)比6號機組擺度數(shù)據(jù)更好，而6號機組此前的上導擺度值已經(jīng)超過設計報警值（210μm），說明6號機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，采用測量設備對6號機組水導X向擺度進行了現(xiàn)場比對，測量結果與在線監(jiān)測系統(tǒng)值相符，同時停機后檢查在線監(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，水輪機止漏環(huán)間隙不均，蝸殼、導葉、轉(zhuǎn)輪水流不均；壓力管道中水流脈動，水頭變化；負荷變化，水力不平衡引起的機組振擺變化首先體現(xiàn)在水導擺度的變化。查看運行工況，6號機組出現(xiàn)擺度突增時的負荷為23MW，水頭為58m，機組在穩(wěn)定工況下運行，無不利的渦帶影響。現(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)電機檢查

磁拉力不平衡是影響機組穩(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。在停機后，檢修人員進入風洞對定轉(zhuǎn)子間隙進行了測量，對磁極鍵焊縫和穿芯螺桿進行了檢查，并未發(fā)現(xiàn)異常情況。由于此時故障還未排除，未開機進行變勵磁試驗，初步判斷在發(fā)生水導擺度突變前后，發(fā)電機結構部件未出現(xiàn)異常變化，發(fā)電機磁拉力較之前未發(fā)生變化。

1.2.4 結構受力部件檢查

現(xiàn)場對上機架、下機架及頂蓋連接螺栓和水導油槽座螺栓等結構受力部件進行了檢查，發(fā)現(xiàn)水導油盆蓋內(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計間隙值。但未發(fā)現(xiàn)螺栓松動和結構件變形現(xiàn)象，排除固定部件松動原因。

1.2.5 導瓦間隙檢查

（1）上導、下導瓦間隙檢查。上導及下導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)個別導軸承抗重螺栓有松動現(xiàn)象。

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

（2）水導瓦間隙檢查。由于水導擺度最大值已經(jīng)接近水導瓦抱瓦總間隙，水導瓦間隙變化的可能性較大。4月18日對水導軸承進行了檢查，發(fā)現(xiàn)水導油位正常，瓦面和軸領處也無刮痕，進一步檢查發(fā)現(xiàn)水導瓦瓦背楔子塊的調(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，導致水導瓦可偏離大軸移動，造成瓦間隙增大，表3是對各水導瓦上竄量的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)計算，上竄后導致的瓦間隙增大值與水導擺度增大值相符。判斷造成水導擺度增大的主要原因是水導調(diào)整螺桿上竄，導致瓦間隙增大，引起水導擺度增大。

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)水導瓦檢查情況判斷導致機組擺度增大的主要原因為機械因素，下面從水導軸承結構、轉(zhuǎn)子不平衡兩個方面進行分析。

2.1 水導軸承結構缺陷

根據(jù)制造廠家提供的水機軸承裝配圖（見圖4），水導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 原水導裝配圖Figure 4 Original water turbine guide bearing assembly drawing

根據(jù)圖紙，斜楔塊與水導瓦抗壓塊配合面坡度為2%，當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，當垂直分力Fy大于斜楔塊本身的重力和摩擦力時，將導致其向上移動。進一步檢查發(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（斜楔到達上限時），測量計算瓦總間隙達到0.56～0.82mm。因此，在機組運行時，水導軸承斜楔存在上竄導致瓦間隙增大，擺度增大。

因此，根據(jù)現(xiàn)場檢查和分析，可以確定水導軸承斜楔調(diào)整螺栓只有下行程限制，無上行程限制，其結構存在設計缺陷是本次設備故障的主要原因。當水導瓦徑向力增大到一定數(shù)值或在不利工況下導致軸瓦向上運動，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，進而使得軸瓦產(chǎn)生遠離大軸的位移，造成水導瓦間隙增大，水導擺度增大。同時，根據(jù)之前的運行情況，水導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致水導瓦軸向力增大或出現(xiàn)抬機原因?qū)е螺S瓦向上運動，導致水導瓦間隙和擺度突然增大。

2.2 水力和機械不平衡

類比同型號的5號機組，在同工況下只有6號機組發(fā)生了水導斜楔上竄，瓦間隙增大的問題。5號機組與6號機組的引水及尾水流道均為對稱結構，可以排除流道原因。分析造成的內(nèi)部原因是該機組本身的特性綜合引起的，一方面可能由于機組大軸自然補氣失靈，導致水輪機真空度增大，出現(xiàn)抬機，大軸帶動水導瓦和斜楔上竄，當水導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軸承上徑向力的絕大部分[7]，機組運行中由于機械或水力不平衡使得水輪機受到徑向力增大，傳遞到水導瓦后致使斜楔向上運行。水導瓦擺度增大時，該機組已經(jīng)連續(xù)運行10個月，期間機組未對水導軸承檢修，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、下導軸承瓦間隙調(diào)整

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

3.2 水導瓦結構改造

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瓦的初始間隙，經(jīng)測量瓦總間隙均在0.38～0.39mm之間（設計總間隙為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，水導軸承結構存在設計缺陷，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）的套筒進行編號，并在瓦座四個方向上架設百分表。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瓦貼緊大軸，測量此次套筒頂部與壓板底部間隙，驗算對應的瓦間隙是否與之前計算值一致，若有誤差，再對套筒進行微加工。在全部軸承裝配件都安裝完成后，經(jīng)開機試運，機組在滿負荷時水導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正常。

圖5 增加套筒后結構示意圖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

為了進一步分析故障原因，2018年擴大型C級檢修時對6號機組進行了盤車軸線檢查。該機組為懸式機組，推力軸承為剛性支柱，在調(diào)整好鏡板水平后，采用8等分點和固定上導的方法盤車。根據(jù)《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》（GB/T 8564）的規(guī)定[10]，對于額定轉(zhuǎn)速250r/min的機組，下導處相對擺度小于0.03mm/m，水導相對擺度小于0.05mm/m。盤車結果如表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，判斷機組軸線未出現(xiàn)變化，不是引起機組擺度增大的原因。

4.2 動平衡試驗

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

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，隨著機組轉(zhuǎn)速的增加，上機架振動、定子振動、下機架振動、上導擺度和下導擺度幅值明顯增大，至空轉(zhuǎn)工況上導擺度幅值已經(jīng)超過規(guī)程要求的限定值，機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，測量機組的振動和擺度情況，根據(jù)振動和擺度的變化趨勢，對機組的電磁不平衡狀況以及對機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)，但上導擺度和下導擺度幅值明顯增大，至空載工況時上導擺度和下導擺度幅值已經(jīng)超過規(guī)程要求的限定值，說明機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

機組動平衡試驗在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上端面共加配重約22kg。動平衡試驗后，機組上導擺度和下導擺度幅值明顯減小，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 帶負荷試驗

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

5 結束語

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

通過對水導斜楔裝配結構的改造，在調(diào)整螺桿上增加了限位套筒的鎖定螺帽，限制水導瓦間隙的變化，技改后機組狀態(tài)得到恢復。同時，對機組進行動平衡試驗發(fā)現(xiàn)機組轉(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，機組上導擺度和下導擺度幅值明顯降低，在空轉(zhuǎn)、空載和帶負荷工況下，機組各部的振動、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。