王 佩 萬 元

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004）

0 前言

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展對電力工業(yè)需求的不斷增長，低水頭段的燈泡貫流式水電站得到了迅猛發(fā)展，主機設(shè)備也經(jīng)歷了技術(shù)引進、合作生產(chǎn)、自主研發(fā)的快速發(fā)展歷程[1]。受早期設(shè)計、加工制造水平的限制以機組投運時間的增長，早期投運的燈泡貫流式機組設(shè)備的缺陷問題也逐步凸顯[2]，且相同電站同批次相同型號的設(shè)備也可能存在特性問題，排查難度極大。

某電站共裝機9臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為270MW。自電站機組投運以來，其中8號機組一直存在水導(dǎo)軸承水平振動超標(biāo)的問題，滿負(fù)荷運行時水導(dǎo)水平振動最高可達(dá)300μm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國標(biāo)120μm的標(biāo)準(zhǔn)，振動情況嚴(yán)重，極易引發(fā)設(shè)備故障，導(dǎo)致機組僅能限負(fù)荷運行，嚴(yán)重影響機組的安全穩(wěn)定運行及經(jīng)濟效益[3]。

1 問題分析

2014年，電廠通過研究分析，判斷水力因素是導(dǎo)致電廠8號機水導(dǎo)振動偏大的主要原因，次要原因為機械不平衡[4-5]。2015年，電廠組織機組A修對水導(dǎo)振動問題進行重點排查，一是對8號機軸線進行了調(diào)整，二是轉(zhuǎn)輪返廠維修中進行了槳葉翼型修復(fù)、槳葉安放角調(diào)整、轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗等工作，三是安裝時嚴(yán)格控制水導(dǎo)間隙和槳葉間隙，四是對槳葉協(xié)聯(lián)進行了優(yōu)化。檢修后，在相同水頭和負(fù)荷條件下，8號機水導(dǎo)振動比檢修前下降了約30μm，其中四倍頻下降明顯，說明槳葉安放角調(diào)整等工作對減振起到了一定效果，但是8號機組振動超標(biāo)的根本原因仍未找到。

根據(jù)8號機組A修的成果，可以徹底排除槳葉同步性、槳葉與轉(zhuǎn)輪間隙、導(dǎo)槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系、槳葉翼型、軸線以及水輪機機械不平衡力等因素對水導(dǎo)振動的影響，檢修取得了一定成果，但機組在常見的2至11米水頭下帶高負(fù)荷時仍然存在水導(dǎo)水平振動超標(biāo)的現(xiàn)象，導(dǎo)致機組出力受限。

為徹底解決8號機水導(dǎo)振動偏大的問題，結(jié)合8號機組A修的檢修成效和現(xiàn)有的研究成果分析，該文制定了系統(tǒng)性的試驗方案來對故障進行逐一排查。一是結(jié)合力傳遞對比試驗和管型座模態(tài)對比試驗分析8號機水導(dǎo)振動的振源，并對比運行良好的機組，檢查機組管型座支撐系統(tǒng)是否存在問題；二是通過應(yīng)力應(yīng)變對比試驗和水導(dǎo)相關(guān)配合間隙對比分析判斷機組水導(dǎo)軸承體、支撐環(huán)及支架配合問題；三是進行多運行工況下的機組穩(wěn)定性試驗和流道三維測繪，檢查機組進水口流態(tài)是否存在異常；四是進行導(dǎo)葉開口測量，對比分析8號機導(dǎo)葉開口的偏差是否存在不一致的現(xiàn)象。

2 研究排查

2.1 管型座支撐系統(tǒng)問題排查

2.1.1 力傳遞試驗

為檢查8號機的振動傳遞方向，分別在8號機導(dǎo)流錐、水導(dǎo)軸承支架、內(nèi)配水環(huán)和管型座沿途布置若干個低頻振動傳感器，對機組進行變負(fù)荷試驗，從8MW開始每次增加2MW，直至28MW，用綜合測試儀分別記錄各試驗工況下傳感器的輸出，并應(yīng)用專業(yè)分析軟件分析各測點的變化情況。同時選取運行狀況良好的4號機組，在相同的位置布置傳感器并在相同水頭下進行試驗，將試驗結(jié)果進行對比分析。試驗結(jié)果表明：1）4號機的各水平振動測點通頻雙幅值均比8號機小，在機組均帶28MW左右負(fù)荷時，4號機水導(dǎo)X向振動最大值為45μm，而8號機水導(dǎo)X向振動最大值為279μm。2）對比分析4號機組和8號機組各水平振動測點部位的一倍幅值發(fā)現(xiàn)，其中8號機組各水平振動測點的主頻均為一倍頻即機組轉(zhuǎn)頻，且一倍幅值存在較明顯的從水導(dǎo)處水平振動→內(nèi)配水環(huán)水平振動→管型座水平振動的振動遞減趨勢，因此可推斷8號機組水平振動傳遞方向是從水導(dǎo)振動向管型座方向傳遞。但4號機組僅有水導(dǎo)軸承附近，包括導(dǎo)流錐X向、水導(dǎo)X向、水導(dǎo)軸承與內(nèi)配把合處水平表現(xiàn)出較為明顯的以一倍頻率為主頻的特征，且其一倍幅值隨負(fù)荷變化存在遞減趨勢，但內(nèi)配水環(huán)至管型座段各測點的一倍幅值隨負(fù)荷變化較平穩(wěn)，與8號機的變化趨勢不一致。3）對受迫振動，一般振動的相位滯后于作用力的相位，由于振動是從振源位置向遠(yuǎn)處傳播，因此離振源的距離越遠(yuǎn)，相位滯后的角度就越大。對比分析8號機不同負(fù)荷下各部位水平振動的一倍相位，可發(fā)現(xiàn)振動相位規(guī)律為從水導(dǎo)處至內(nèi)配水環(huán)處，再到管型座處的相位是逐漸滯后的。

因此，結(jié)合各個測點幅值和相位的變化規(guī)律，可以推斷8號機組水平振動傳遞方向是從水導(dǎo)振動向管型座方向傳遞，即導(dǎo)致8號機水導(dǎo)水平振動且遠(yuǎn)大于其他機組的振源為水導(dǎo)軸承位置。

2.1.2 管型座模態(tài)試驗

為進一步排查管型座支撐對水導(dǎo)振動的影響，有必要分別對4號機組和8號機組進行管型座模態(tài)試驗。由于管型座結(jié)構(gòu)復(fù)雜且操作不便，常規(guī)的錘擊法難以取得有效的試驗結(jié)果，因此該文在全廠機組全停的情況下將燈泡體簡化為單平面結(jié)構(gòu)，采用環(huán)境激勵法對管型座進行模態(tài)試驗。試驗結(jié)果表明，4號機組和8號機組的固有頻率和振型基本一致，結(jié)合力傳遞試驗的試驗結(jié)果可以判斷管型座支撐不是導(dǎo)致8號機水導(dǎo)振動異常的原因。

2.2 機組水導(dǎo)軸承體、支撐環(huán)及支架配合問題排查

分別在水導(dǎo)軸承支撐環(huán)板和水導(dǎo)軸承托環(huán)布置若干個應(yīng)變片，從小到大單向手動調(diào)整負(fù)荷，分別穩(wěn)定在6MW、8MW、10MW、12MW、14MW、16MW、18MW、20MW、22MW、24MW、26MW、28MW工況點，每個工況穩(wěn)定3min，并分別用動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析儀記錄各試驗工況下傳感器的輸出，采集數(shù)據(jù)后，提取各位置應(yīng)力測點隨負(fù)荷變化的最大值進行對比分析。試驗結(jié)果表明，兩臺機組各位置振動應(yīng)力的主頻均為轉(zhuǎn)頻，并隨負(fù)荷的增加而增加，兩臺機組的應(yīng)力應(yīng)變試驗結(jié)果基本一致。此外，對比兩臺機組的檢修數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)機組水導(dǎo)軸承瓦與主軸、水導(dǎo)軸承瓦與支撐環(huán)的配合間隙等數(shù)據(jù)基本一致，因此可以排除機組水導(dǎo)軸承體、支撐環(huán)及支架配合問題對8號機組水導(dǎo)振動異常的影響。

2.3 機組進水口流態(tài)問題排查

為進一步排查水流流態(tài)對機組振動的影響，該文組織對8號機進行多工況下的穩(wěn)定性試驗，試驗工況見表1。待7、8、9號機組運行穩(wěn)定后，使用綜合測試儀分別對8號機組各測點的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進行錄波，并同時對機組進水口的水流流態(tài)進行拍照記錄，逐步完成以上所列各運行方式下的試驗錄波后，對8號機組相關(guān)數(shù)據(jù)和照片進行對比分析。

表1 不同運行工況情況表

試驗結(jié)果表明，在不同機組的組合開機工況下，8號機組水導(dǎo)X向振動均隨負(fù)荷增加而增大，且在負(fù)荷超過20MW時超過國標(biāo)報警限值，工況差異對8號機組水導(dǎo)振動影響差異不大，說明進水口流態(tài)對機組振動影響較小，但不能完全排除8號機兩個進水口流量不均造成的沖擊漩渦對機組振動的影響。

因此，該文分別利用三維激光掃描技術(shù)對4號機組和8號機組的流道進行三維測繪，共測量11站，獲取了流道的整體點云數(shù)據(jù)，拼接精度1mm，整體測量精度確保在3mm以內(nèi)。試驗結(jié)果表明，雖然8號機組的流道偏差大于4號機組，但最大偏差約為1.2%，遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的貫流式機組流道允許偏差標(biāo)準(zhǔn)±2%[6]，8號機流道偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此可以判斷水流流態(tài)不是導(dǎo)致8號機水導(dǎo)振動異常的根本原因。

2.4 導(dǎo)葉開口不一致問題排查

為檢查導(dǎo)葉開口是否存在不一致的現(xiàn)象，該文分別對不同開度下4號機和8號機各導(dǎo)葉間內(nèi)、中、外三個位置的進水口距離、出水口距離、對角距離以及導(dǎo)葉最小間距（即導(dǎo)葉開口）進行測量。測量位置示意圖如圖1所示，其中1號測點代表1號導(dǎo)葉與2號導(dǎo)葉之間的開口數(shù)據(jù)，16號測點代表16號導(dǎo)葉與1號導(dǎo)葉之間的開口數(shù)據(jù)，A、B、C分別為內(nèi)、中、外三個位置。

圖1 導(dǎo)葉測量位置示意圖

測量結(jié)果表明，4號機的導(dǎo)葉最小僅有2個數(shù)據(jù)超過平均值的±1%，導(dǎo)葉進口、導(dǎo)葉出口和導(dǎo)葉對角距離均無超標(biāo)現(xiàn)象。8號機的導(dǎo)葉進口、導(dǎo)葉出口和導(dǎo)葉最小距離均存在超標(biāo)現(xiàn)象，其中導(dǎo)葉最小距離有3個數(shù)據(jù)超過平均值的±2%，13個數(shù)據(jù)超過平均值的±1.5%，49個數(shù)據(jù)超過平均值的±1%。不同導(dǎo)葉開度下8號機導(dǎo)葉最小間距與其平均值的相對偏差（單位mm）如圖2所示，可見8號機導(dǎo)葉開口在不同開度下均存在整體向右側(cè)（面朝上游）偏的現(xiàn)象。

圖2 導(dǎo)葉開度偏差分布示意圖

3 導(dǎo)葉開口偏差問題核算

為判斷導(dǎo)葉開口偏差對水導(dǎo)軸承振動的影響，該文采用CFD仿真技術(shù)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行核算?；顒訉?dǎo)葉采用整體全周期造型，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約220萬（節(jié)點數(shù)約42萬）。轉(zhuǎn)輪采用1/4周期造型，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，1/4周期轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格數(shù)約80萬（節(jié)點數(shù)約65萬）。在前處理軟件中將1/4周的轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格陣列成全周期，保證每1/4周期的轉(zhuǎn)輪葉片網(wǎng)格相同。

湍流模型采用RNG k-ε模型。導(dǎo)葉為靜止域，導(dǎo)葉進口為計算進口，按計算工況給定相應(yīng)流量，來流方向垂直于進口邊界曲面。轉(zhuǎn)輪為旋轉(zhuǎn)域，按計算工況相應(yīng)轉(zhuǎn)速設(shè)置，轉(zhuǎn)輪出口為計算出口，給定平均靜壓為0。導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間設(shè)置動靜接觸面，按frozen rotor方式連接。仿真計算模型如圖3所示。

圖3 仿真計算模型示意圖

計算的模擬工況為水頭9m時100%、70%、35%額定出力共3種情況。為了驗證導(dǎo)葉偏差對水導(dǎo)振動的影響，該文分別計算了兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)輪所受的徑向力。一種是導(dǎo)葉完全同步的狀態(tài)，另一種是將1～10號導(dǎo)葉按正常轉(zhuǎn)角增大1%造型，將11～16號導(dǎo)葉按正常轉(zhuǎn)角縮小1%造型，模擬導(dǎo)葉開度不同步的狀態(tài)。

核算結(jié)果表明，從受力來看，當(dāng)導(dǎo)葉不同步時，機組轉(zhuǎn)輪的徑向力遠(yuǎn)大于同步狀態(tài)，且在導(dǎo)葉開度大于70%后出現(xiàn)激增的現(xiàn)象，與電廠8號機水導(dǎo)水平振動的增加趨勢基本一致。其中在100%出力工況下，轉(zhuǎn)輪在非同步導(dǎo)葉條件下受徑向力43.88N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同步導(dǎo)葉條件下受徑向力0.49N，前者大約是后者的90倍，非同步導(dǎo)葉條件下轉(zhuǎn)輪受徑向力方向如圖4所示。

圖4 非同步導(dǎo)葉（100%出力）時轉(zhuǎn)輪徑向力方向示意圖

此外，從流態(tài)上來看，在同步導(dǎo)葉開度條件下，各個方向的流量分布相對均勻，而非同步狀態(tài)下左下方向的流量大于右上方向的流量，與徑向力的方向一致。因此可以判斷導(dǎo)葉開口不均為導(dǎo)致電廠8號機水導(dǎo)水平振動異常的主要原因。

4 結(jié)語

該文針對某電廠8號機組水導(dǎo)軸承水平振動偏大的問題進行研究，根據(jù)現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)制定了系統(tǒng)性的試驗和檢查策略，利用停機試驗和機組小修逐步排除了管型座支撐系統(tǒng)問題等可能導(dǎo)致水導(dǎo)軸承振動異常的因素，最終確定水導(dǎo)振動異常的主要原因為導(dǎo)葉開口不均，并通過水力仿真對判斷結(jié)果進行了驗證。下一步，電廠將對導(dǎo)葉開口調(diào)整并進行相關(guān)試驗，徹底消除水導(dǎo)水平振動異常的安全隱患。