王 佩 萬(wàn) 元

（湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力工業(yè)需求的不斷增長(zhǎng)，低水頭段的燈泡貫流式水電站得到了迅猛發(fā)展，主機(jī)設(shè)備也經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)、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(jì)、加工制造水平的限制以機(jī)組投運(yùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，早期投運(yùn)的燈泡貫流式機(jī)組設(shè)備的缺陷問(wèn)題也逐步凸顯[2]，且相同電站同批次相同型號(hào)的設(shè)備也可能存在特性問(wèn)題，排查難度極大。

某電站共裝機(jī)9臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為270MW。自電站機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，其中8號(hào)機(jī)組一直存在水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)水平振動(dòng)最高可達(dá)300μm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)標(biāo)120μm的標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)情況嚴(yán)重，極易引發(fā)設(shè)備故障，導(dǎo)致機(jī)組僅能限負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1 問(wèn)題分析

2014年，電廠通過(guò)研究分析，判斷水力因素是導(dǎo)致電廠8號(hào)機(jī)水導(dǎo)振動(dòng)偏大的主要原因，次要原因?yàn)闄C(jī)械不平衡[4-5]。2015年，電廠組織機(jī)組A修對(duì)水導(dǎo)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)排查，一是對(duì)8號(hào)機(jī)軸線(xiàn)進(jìn)行了調(diào)整，二是轉(zhuǎn)輪返廠維修中進(jìn)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(yàn)等工作，三是安裝時(shí)嚴(yán)格控制水導(dǎo)間隙和槳葉間隙，四是對(duì)槳葉協(xié)聯(lián)進(jìn)行了優(yōu)化。檢修后，在相同水頭和負(fù)荷條件下，8號(hào)機(jī)水導(dǎo)振動(dòng)比檢修前下降了約30μm，其中四倍頻下降明顯，說(shuō)明槳葉安放角調(diào)整等工作對(duì)減振起到了一定效果，但是8號(hào)機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的根本原因仍未找到。

根據(jù)8號(hào)機(jī)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(xiàn)以及水輪機(jī)機(jī)械不平衡力等因素對(duì)水導(dǎo)振動(dòng)的影響，檢修取得了一定成果，但機(jī)組在常見(jiàn)的2至11米水頭下帶高負(fù)荷時(shí)仍然存在水導(dǎo)水平振動(dòng)超標(biāo)的現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組出力受限。

為徹底解決8號(hào)機(jī)水導(dǎo)振動(dòng)偏大的問(wèn)題，結(jié)合8號(hào)機(jī)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(yàn)方案來(lái)對(duì)故障進(jìn)行逐一排查。一是結(jié)合力傳遞對(duì)比試驗(yàn)和管型座模態(tài)對(duì)比試驗(yàn)分析8號(hào)機(jī)水導(dǎo)振動(dòng)的振源，并對(duì)比運(yùn)行良好的機(jī)組，檢查機(jī)組管型座支撐系統(tǒng)是否存在問(wèn)題；二是通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比試驗(yàn)和水導(dǎo)相關(guān)配合間隙對(duì)比分析判斷機(jī)組水導(dǎo)軸承體、支撐環(huán)及支架配合問(wèn)題；三是進(jìn)行多運(yùn)行工況下的機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)和流道三維測(cè)繪，檢查機(jī)組進(jìn)水口流態(tài)是否存在異常；四是進(jìn)行導(dǎo)葉開(kāi)口測(cè)量，對(duì)比分析8號(hào)機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)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(wèn)題排查

2.1.1 力傳遞試驗(yàn)

為檢查8號(hào)機(jī)的振動(dòng)傳遞方向，分別在8號(hào)機(jī)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(gè)低頻振動(dòng)傳感器，對(duì)機(jī)組進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，從8MW開(kāi)始每次增加2MW，直至28MW，用綜合測(cè)試儀分別記錄各試驗(yàn)工況下傳感器的輸出，并應(yīng)用專(zhuān)業(yè)分析軟件分析各測(cè)點(diǎn)的變化情況。同時(shí)選取運(yùn)行狀況良好的4號(hào)機(jī)組，在相同的位置布置傳感器并在相同水頭下進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）4號(hào)機(jī)的各水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)通頻雙幅值均比8號(hào)機(jī)小，在機(jī)組均帶28MW左右負(fù)荷時(shí)，4號(hào)機(jī)水導(dǎo)X向振動(dòng)最大值為45μm，而8號(hào)機(jī)水導(dǎo)X向振動(dòng)最大值為279μm。2）對(duì)比分析4號(hào)機(jī)組和8號(hào)機(jī)組各水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)部位的一倍幅值發(fā)現(xiàn)，其中8號(hào)機(jī)組各水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的主頻均為一倍頻即機(jī)組轉(zhuǎn)頻，且一倍幅值存在較明顯的從水導(dǎo)處水平振動(dòng)→內(nèi)配水環(huán)水平振動(dòng)→管型座水平振動(dòng)的振動(dòng)遞減趨勢(shì)，因此可推斷8號(hào)機(jī)組水平振動(dòng)傳遞方向是從水導(dǎo)振動(dòng)向管型座方向傳遞。但4號(hào)機(jī)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(shì)，但內(nèi)配水環(huán)至管型座段各測(cè)點(diǎn)的一倍幅值隨負(fù)荷變化較平穩(wěn)，與8號(hào)機(jī)的變化趨勢(shì)不一致。3）對(duì)受迫振動(dòng)，一般振動(dòng)的相位滯后于作用力的相位，由于振動(dòng)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(duì)比分析8號(hào)機(jī)不同負(fù)荷下各部位水平振動(dòng)的一倍相位，可發(fā)現(xiàn)振動(dòng)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(gè)測(cè)點(diǎn)幅值和相位的變化規(guī)律，可以推斷8號(hào)機(jī)組水平振動(dòng)傳遞方向是從水導(dǎo)振動(dòng)向管型座方向傳遞，即導(dǎo)致8號(hào)機(jī)水導(dǎo)水平振動(dòng)且遠(yuǎn)大于其他機(jī)組的振源為水導(dǎo)軸承位置。

2.1.2 管型座模態(tài)試驗(yàn)

為進(jìn)一步排查管型座支撐對(duì)水導(dǎo)振動(dòng)的影響，有必要分別對(duì)4號(hào)機(jī)組和8號(hào)機(jī)組進(jìn)行管型座模態(tài)試驗(yàn)。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(yàn)結(jié)果，因此該文在全廠機(jī)組全停的情況下將燈泡體簡(jiǎn)化為單平面結(jié)構(gòu)，采用環(huán)境激勵(lì)法對(duì)管型座進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，4號(hào)機(jī)組和8號(hào)機(jī)組的固有頻率和振型基本一致，結(jié)合力傳遞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果可以判斷管型座支撐不是導(dǎo)致8號(hào)機(jī)水導(dǎo)振動(dòng)異常的原因。

2.2 機(jī)組水導(dǎo)軸承體、支撐環(huán)及支架配合問(wèn)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(gè)應(yīng)變片，從小到大單向手動(dòng)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(diǎn)，每個(gè)工況穩(wěn)定3min，并分別用動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析儀記錄各試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)隨負(fù)荷變化的最大值進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩臺(tái)機(jī)組各位置振動(dòng)應(yīng)力的主頻均為轉(zhuǎn)頻，并隨負(fù)荷的增加而增加，兩臺(tái)機(jī)組的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果基本一致。此外，對(duì)比兩臺(tái)機(jī)組的檢修數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)機(jī)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(jī)組水導(dǎo)軸承體、支撐環(huán)及支架配合問(wèn)題對(duì)8號(hào)機(jī)組水導(dǎo)振動(dòng)異常的影響。

2.3 機(jī)組進(jìn)水口流態(tài)問(wèn)題排查

為進(jìn)一步排查水流流態(tài)對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響，該文組織對(duì)8號(hào)機(jī)進(jìn)行多工況下的穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。待7、8、9號(hào)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，使用綜合測(cè)試儀分別對(duì)8號(hào)機(jī)組各測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進(jìn)行錄波，并同時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)水口的水流流態(tài)進(jìn)行拍照記錄，逐步完成以上所列各運(yùn)行方式下的試驗(yàn)錄波后，對(duì)8號(hào)機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)和照片進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 不同運(yùn)行工況情況表

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同機(jī)組的組合開(kāi)機(jī)工況下，8號(hào)機(jī)組水導(dǎo)X向振動(dòng)均隨負(fù)荷增加而增大，且在負(fù)荷超過(guò)20MW時(shí)超過(guò)國(guó)標(biāo)報(bào)警限值，工況差異對(duì)8號(hào)機(jī)組水導(dǎo)振動(dòng)影響差異不大，說(shuō)明進(jìn)水口流態(tài)對(duì)機(jī)組振動(dòng)影響較小，但不能完全排除8號(hào)機(jī)兩個(gè)進(jìn)水口流量不均造成的沖擊漩渦對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響。

因此，該文分別利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)4號(hào)機(jī)組和8號(hào)機(jī)組的流道進(jìn)行三維測(cè)繪，共測(cè)量11站，獲取了流道的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，拼接精度1mm，整體測(cè)量精度確保在3mm以?xún)?nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然8號(hào)機(jī)組的流道偏差大于4號(hào)機(jī)組，但最大偏差約為1.2%，遠(yuǎn)小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的貫流式機(jī)組流道允許偏差標(biāo)準(zhǔn)±2%[6]，8號(hào)機(jī)流道偏差滿(mǎn)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(hào)機(jī)水導(dǎo)振動(dòng)異常的根本原因。

2.4 導(dǎo)葉開(kāi)口不一致問(wèn)題排查

為檢查導(dǎo)葉開(kāi)口是否存在不一致的現(xiàn)象，該文分別對(duì)不同開(kāi)度下4號(hào)機(jī)和8號(hào)機(jī)各導(dǎo)葉間內(nèi)、中、外三個(gè)位置的進(jìn)水口距離、出水口距離、對(duì)角距離以及導(dǎo)葉最小間距（即導(dǎo)葉開(kāi)口）進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量位置示意圖如圖1所示，其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)代表1號(hào)導(dǎo)葉與2號(hào)導(dǎo)葉之間的開(kāi)口數(shù)據(jù)，16號(hào)測(cè)點(diǎn)代表16號(hào)導(dǎo)葉與1號(hào)導(dǎo)葉之間的開(kāi)口數(shù)據(jù)，A、B、C分別為內(nèi)、中、外三個(gè)位置。

圖1 導(dǎo)葉測(cè)量位置示意圖

測(cè)量結(jié)果表明，4號(hào)機(jī)的導(dǎo)葉最小僅有2個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)平均值的±1%，導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉出口和導(dǎo)葉對(duì)角距離均無(wú)超標(biāo)現(xiàn)象。8號(hào)機(jī)的導(dǎo)葉進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)平均值的±2%，13個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)平均值的±1.5%，49個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)平均值的±1%。不同導(dǎo)葉開(kāi)度下8號(hào)機(jī)導(dǎo)葉最小間距與其平均值的相對(duì)偏差（單位mm）如圖2所示，可見(jiàn)8號(hào)機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)口在不同開(kāi)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(kāi)度偏差分布示意圖

3 導(dǎo)葉開(kāi)口偏差問(wèn)題核算

為判斷導(dǎo)葉開(kāi)口偏差對(duì)水導(dǎo)軸承振動(dòng)的影響，該文采用CFD仿真技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行核算。活動(dòng)導(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(wàn)（節(jié)點(diǎn)數(shù)約42萬(wàn)）。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(wàn)（節(jié)點(diǎn)數(shù)約65萬(wàn)）。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(jìn)口為計(jì)算進(jìn)口，按計(jì)算工況給定相應(yīng)流量，來(lái)流方向垂直于進(jìn)口邊界曲面。轉(zhuǎn)輪為旋轉(zhuǎn)域，按計(jì)算工況相應(yīng)轉(zhuǎn)速設(shè)置，轉(zhuǎn)輪出口為計(jì)算出口，給定平均靜壓為0。導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間設(shè)置動(dòng)靜接觸面，按frozen rotor方式連接。仿真計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 仿真計(jì)算模型示意圖

計(jì)算的模擬工況為水頭9m時(shí)100%、70%、35%額定出力共3種情況。為了驗(yàn)證導(dǎo)葉偏差對(duì)水導(dǎo)振動(dòng)的影響，該文分別計(jì)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(hào)導(dǎo)葉按正常轉(zhuǎn)角增大1%造型，將11～16號(hào)導(dǎo)葉按正常轉(zhuǎn)角縮小1%造型，模擬導(dǎo)葉開(kāi)度不同步的狀態(tài)。

核算結(jié)果表明，從受力來(lái)看，當(dāng)導(dǎo)葉不同步時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)輪的徑向力遠(yuǎn)大于同步狀態(tài)，且在導(dǎo)葉開(kāi)度大于70%后出現(xiàn)激增的現(xiàn)象，與電廠8號(hào)機(jī)水導(dǎo)水平振動(dòng)的增加趨勢(shì)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(shí)轉(zhuǎn)輪徑向力方向示意圖

此外，從流態(tài)上來(lái)看，在同步導(dǎo)葉開(kāi)度條件下，各個(gè)方向的流量分布相對(duì)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(kāi)口不均為導(dǎo)致電廠8號(hào)機(jī)水導(dǎo)水平振動(dòng)異常的主要原因。

4 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)某電廠8號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)偏大的問(wèn)題進(jìn)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(yàn)和檢查策略，利用停機(jī)試驗(yàn)和機(jī)組小修逐步排除了管型座支撐系統(tǒng)問(wèn)題等可能導(dǎo)致水導(dǎo)軸承振動(dòng)異常的因素，最終確定水導(dǎo)振動(dòng)異常的主要原因?yàn)閷?dǎo)葉開(kāi)口不均，并通過(guò)水力仿真對(duì)判斷結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。下一步，電廠將對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)口調(diào)整并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，徹底消除水導(dǎo)水平振動(dòng)異常的安全隱患。