簡(jiǎn)介:水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因分析與處理方法
1 概況
某水庫(kù)電站于2004年9月建成投產(chǎn)，裝有兩臺(tái)軸流定漿式水輪發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)型號(hào)為ZDJP502-LH-100，設(shè)計(jì)水頭18.2m，設(shè)計(jì)流量6.62m3/s，額定出力1064KW，額定轉(zhuǎn)速600r/min；發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF1250-10/1730，出力1000KW。
投產(chǎn)初期兩臺(tái)機(jī)組較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均在50%額定負(fù)荷以上運(yùn)行，機(jī)組振動(dòng)和擺動(dòng)值都在允許范圍內(nèi)。但在50%額定負(fù)荷以下運(yùn)行一段時(shí)間后，2#機(jī)組振動(dòng)逐漸變大，最終因振動(dòng)過(guò)大而不能運(yùn)行。
當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)后，只有選擇合適的工況運(yùn)行，機(jī)組振動(dòng)才趨于穩(wěn)定。且要隨著水頭的下降作適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度調(diào)整。當(dāng)水頭下降至只能帶50%額定負(fù)荷以下時(shí)，整個(gè)上機(jī)架及發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，同時(shí)尾水平臺(tái)也有振動(dòng)感覺(jué)，水機(jī)層伴有異音。
在14m水頭時(shí)，分別以開(kāi)機(jī)轉(zhuǎn)速468r/min和額定轉(zhuǎn)速600r/min，用百分表測(cè)量機(jī)組各部位振動(dòng)值見(jiàn)表1。
表1 機(jī)組各部位振動(dòng)檢測(cè)值
序號(hào) 測(cè)量項(xiàng)目（雙振幅） 468r/min 600r/min
1 發(fā)電機(jī)集電環(huán)端蓋頂部 0.025-0.05 0.05
2 發(fā)電機(jī)集電環(huán)端蓋徑向各點(diǎn) 0.01-0.03 0.08-0.1
3 發(fā)電機(jī)四周蓋板板面 無(wú)、輕微振動(dòng)狀 0.02、振動(dòng)加大
4 發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承面 無(wú) 0.03
5 發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承 無(wú) 無(wú)
6 發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承主軸處 0.3 0.4
7 發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)聯(lián)軸法蘭 0.4 0.5
8 水導(dǎo)軸承上端 0.5 0.5
9 水導(dǎo)軸承下端 0.7 1以上
10 水導(dǎo)軸承座 無(wú)、手觸摸有撞擊感 無(wú)、手觸摸有撞擊感
11 水導(dǎo)軸承軸向端面 1以上 振動(dòng)值過(guò)大無(wú)法測(cè)量
2 振動(dòng)原因分析
從表1的檢測(cè)數(shù)值及平時(shí)的運(yùn)行情況得出，2#水輪機(jī)振動(dòng)是有規(guī)律的，這種規(guī)律表現(xiàn)在振幅和頻率的變化上。2#機(jī)組的振動(dòng)值跟機(jī)組的轉(zhuǎn)速、水頭、運(yùn)行工況有關(guān)。而與此有關(guān)的振動(dòng)原因有：1）、轉(zhuǎn)子不平衡或軸線不正而引起的機(jī)械振動(dòng)，其振幅與頻率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。2）、由尾水管壓力脈動(dòng)或汽蝕所引起的水力振動(dòng)與運(yùn)行區(qū)有關(guān)，振動(dòng)時(shí)伴有噪音。
由轉(zhuǎn)子不平衡或軸線不正而引起的機(jī)械振動(dòng)。投產(chǎn)初期2#機(jī)組較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均在50%額定負(fù)荷以上運(yùn)行，且機(jī)組振動(dòng)和擺動(dòng)值都在允許范圍內(nèi)。而轉(zhuǎn)子不平衡屬機(jī)組制造和出廠安裝質(zhì)量問(wèn)題，如果轉(zhuǎn)子存在不平衡，機(jī)組在試運(yùn)行時(shí)就反映出來(lái)，因此轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題可排除；由于機(jī)組是在安全運(yùn)行一段時(shí)間后才出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題的，有可能是推力頭與軸配合松、卡環(huán)不均勻壓縮、推力頭與鏡板間墊變形或破壞等，引起的機(jī)組振動(dòng)。因此需進(jìn)行機(jī)組整體盤車，檢查機(jī)組軸線。機(jī)組整體盤車記錄見(jiàn)表2。
表2 機(jī)組擺度記錄 (單位：mm)
測(cè)點(diǎn) 1 2 3 4 5 6 7 8
讀數(shù) 上導(dǎo) +0.01 0.00 0.00 0.00 +0.01 0.00 +0.01 +0.01
下導(dǎo) -0.01 0.00 +0.01 +0.02 0.00 -0.01 -0.06 -0.04
水導(dǎo) 0.00 -0.03 0.00 +0.05 -0.01 +0.03 -0.06 -0.05
相對(duì)點(diǎn) 1—5 2—6 3—7 4—8
全擺度 上導(dǎo) 0.00 0.00 -0.01 -0.01
下導(dǎo) -0.01 +0.01 +0.07 +0.06
水導(dǎo) +0.01 -0.06 +0.06 +0.10
凈擺度 下導(dǎo) -0.01 +0.01 +0.08 +0.07
水導(dǎo) +0.01 -0.06 +0.07 +0.11
從表2可知，水輪機(jī)水導(dǎo)軸承凈擺度＜0.12mm，凈擺度基本滿足要求，說(shuō)明機(jī)組軸線垂直的。
由尾水管壓力脈動(dòng)或汽蝕所引起的水力振動(dòng)。由于機(jī)組的振動(dòng)隨工況變化有較大的變動(dòng)，在機(jī)組選型時(shí)：比轉(zhuǎn)速 ，機(jī)組轉(zhuǎn)速 查額定工況空化系數(shù)與比轉(zhuǎn)速關(guān)系線可得空化系數(shù) 。無(wú)論從動(dòng)能還是經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)，提高水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速都是有益的。但水輪機(jī)提高應(yīng)用比轉(zhuǎn)速，會(huì)受空化條件與強(qiáng)度條件的約束，汽蝕系數(shù)大的水輪機(jī)，在同樣的使用水頭條件下，其產(chǎn)生的動(dòng)力真空也大，因而發(fā)生汽蝕的可能性也大。尾水管中水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要指尾水管中水壓周期性的變化，壓力脈動(dòng)作用于機(jī)組和基礎(chǔ)上，引起振動(dòng)、噪音和出力波動(dòng)。特別是在低水頭下運(yùn)行時(shí)，存在振動(dòng)區(qū)域（在35%～75%額定負(fù)荷之間）。此振動(dòng)區(qū)域隨著水頭的降低向?qū)~開(kāi)度增大的方向推移，沿著水頭由低到高形成喇叭形的分布，振動(dòng)強(qiáng)度由水頭低向水頭高逐漸減弱，振動(dòng)頻率 。同時(shí)空腔氣蝕可引起機(jī)組的頂蓋和推力軸承出現(xiàn)劇烈的垂直振動(dòng)，比橫向振動(dòng)的危害性更大。據(jù)此特性判定，2#機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象是水機(jī)輪汽蝕系數(shù)過(guò)大而產(chǎn)生尾水管壓力脈動(dòng)或汽蝕所引起的。
通常對(duì)于由尾水管壓力脈動(dòng)或汽蝕所引起的水力振動(dòng)，取用尾水管內(nèi)裝消振十字架補(bǔ)氣。但機(jī)組已裝有十字架補(bǔ)氣，仍出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，是因?yàn)榈退^運(yùn)行時(shí)尾水位偏高，十字架補(bǔ)氣不足，不能徹底解決壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組在低水頭下運(yùn)行一段時(shí)間后，受振動(dòng)影響，機(jī)組的其他薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生變化，加劇機(jī)組振動(dòng)。
進(jìn)一步詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)：a.發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承軸座圈和水導(dǎo)軸承按圖紙配有定位銷，但機(jī)組漏裝。軸承安裝是必需打定位銷的，以保證機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)中軸承不發(fā)生位移。b.發(fā)電機(jī)定子與混凝土基礎(chǔ)接觸面積少。對(duì)于這種懸式機(jī)組，推力軸承和上導(dǎo)軸承安裝在上機(jī)架上，而上機(jī)架是與發(fā)電機(jī)定子機(jī)座聯(lián)接的，這樣機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中軸承所承受的徑向力和軸向力都由發(fā)電機(jī)定子機(jī)座承擔(dān)，易產(chǎn)生剛性振動(dòng)。這些問(wèn)題可造成機(jī)組振動(dòng)加劇，核心部件（軸承）發(fā)生變位，引起機(jī)組共振。
3 處理的措施
綜合上述分析可知，須然機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象是尾水管壓力脈動(dòng)或汽蝕所直接引起的，但導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇擴(kuò)散，最終不能運(yùn)轉(zhuǎn)的本質(zhì)原因是發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承軸座圈和水導(dǎo)軸承沒(méi)有打定位銷及發(fā)電機(jī)定子（上機(jī)架）剛性不足。在實(shí)際操作采用以下處理措施：
a.發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承軸座圈補(bǔ)銷，用￠16×60 、1：50錐銷4支在軸承座圈上對(duì)稱補(bǔ)上。采取鉆鉸孔配銷。
b.水輪機(jī)水導(dǎo)軸承座補(bǔ)銷，用￠14×60、1：50錐銷2 支在軸承座上對(duì)稱補(bǔ)上。采取鉆鉸孔配銷。
c.加強(qiáng)發(fā)電機(jī)定子底座與混凝基礎(chǔ)接觸面，采用鐵板、斜墊鐵補(bǔ)墊，對(duì)稱墊托定子底座8處，增強(qiáng)發(fā)電機(jī)定子底座的穩(wěn)定性。
d.加強(qiáng)上機(jī)架支撐力(如圖1所示)，用14#槽鋼撐在上機(jī)架端面和機(jī)坑墻壁之間，為了使墻壁能承受較大的壓力，在其受力部位預(yù)埋抗彎強(qiáng)度較大的型鋼。14#槽鋼接預(yù)埋型鋼端直接焊接，上機(jī)架端通過(guò)在機(jī)架端面焊接托板與14#槽鋼鉆鉸孔配￠14×60、1：50錐銷，用鏍栓鎖緊（裝配時(shí)要在發(fā)電機(jī)頂環(huán)+Y、+X方向打百分表保證上機(jī)架不偏位）。
圖1 上機(jī)架支撐裝配
1—上機(jī)架 2—定子 3—錐銷 4—托板 5—型鋼 6—槽鋼
e.根據(jù)盤車記錄數(shù)據(jù)，重新調(diào)整好各軸瓦間隙。
f.考慮到尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)輪的周期性沖擊以及引起機(jī)組振動(dòng)，采用給轉(zhuǎn)輪配重(如圖2所示)。為便于操作和避免增加轉(zhuǎn)輪水力損失，制作配重支承座（50公斤）套在距轉(zhuǎn)輪最近（水導(dǎo)軸承頂蓋附近）的水輪機(jī)主軸上。在機(jī)組帶上負(fù)荷運(yùn)行后，在水導(dǎo)軸承頂蓋軸頸處測(cè)量出不平衡點(diǎn)，然后反復(fù)調(diào)試配重（0.5公斤）。
圖2 主軸支承座
1—水輪機(jī)主軸 2—支承 3—配重塊 4—水導(dǎo)軸承頂蓋
經(jīng)過(guò)以上多項(xiàng)處理后，開(kāi)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行（13m水頭），發(fā)電機(jī)集電環(huán)端蓋頂部測(cè)量0.01mm，發(fā)電機(jī)集電環(huán)端蓋徑向各點(diǎn)測(cè)量0.02mm發(fā)電機(jī)四周蓋板板面（上機(jī)架）0.03mm，水機(jī)主軸擺度0.05mm，各軸承無(wú)振動(dòng)�；窘鉀Q了機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象。
4 結(jié)論
通過(guò)以上措施對(duì)該機(jī)組振動(dòng)的處理，機(jī)組振動(dòng)消除，確保機(jī)組的安全運(yùn)行。今后在實(shí)際運(yùn)行中，尚需經(jīng)常觀測(cè)機(jī)組的振動(dòng)情況，檢查已采取的技術(shù)措施是否有變位，并及時(shí)調(diào)整，以確保機(jī)組的安全運(yùn)行。
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