紅花電站2號(hào)機(jī)組水導(dǎo)振動(dòng)分析及處理

任紹成，蔣光斌，姜明利，李啟章，鐘自祿（.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 00048；.中廣核紅花水電有限公司，廣西 柳河 545000）

紅花電站2號(hào)機(jī)組水導(dǎo)振動(dòng)分析及處理

任紹成1，蔣光斌2，姜明利1，李啟章1，鐘自祿2
（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.中廣核紅花水電有限公司，廣西 柳河 545000）

摘要：紅花水電站2號(hào)機(jī)組水導(dǎo)振動(dòng)隨負(fù)荷增加而增大并且超標(biāo)。分析判斷為水輪機(jī)水力不平衡所致，檢修時(shí)測(cè)量確認(rèn)，槳葉外緣傾角（葉片安放角）不一致。通過計(jì)算調(diào)整轉(zhuǎn)輪接力器缸體與轉(zhuǎn)臂連接板的銷孔中心距，槳葉外緣傾角不一致的問題得到改善，水導(dǎo)振動(dòng)問題得到解決。此外對(duì)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉外緣傾角的控制標(biāo)準(zhǔn)提出了建議。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)；水導(dǎo)軸承振動(dòng)；水力不平衡

1　機(jī)組及機(jī)組振動(dòng)情況

廣西柳州紅花水電站為貫流式水電站，2號(hào)機(jī)組水輪機(jī)型號(hào)為GZK4/0.38-WP-590，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFWG38-56/6400，于2006年投入運(yùn)行發(fā)電。機(jī)組主要參數(shù)如下：

水輪機(jī)額定出力：38780kW

最大水頭：16.74m

額定水頭：13.2m

最小水頭：10.42m

額定轉(zhuǎn)速：107.1r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：協(xié)聯(lián)工況203r/min，非協(xié)聯(lián)工況315r/min

額定流量：317.5m3/s

導(dǎo)葉數(shù)：16

轉(zhuǎn)輪直徑：5800mm

輪轂比：0.38

2號(hào)機(jī)組自2006年投產(chǎn)至2012年3月共進(jìn)行了9次檢修，其中B級(jí)檢修4次，C級(jí)檢修2次，其他檢修3次。2011年6月，發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪與大軸連接螺栓被剪斷4根，搶修處理后的運(yùn)行中，又發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承振動(dòng)大，并隨機(jī)組負(fù)荷的變大而增大。當(dāng)水頭為11m，機(jī)組為額定負(fù)荷38MW時(shí)，水導(dǎo)振動(dòng)為0.30mm，超出允許值一倍以上，機(jī)組被迫限負(fù)荷運(yùn)行。

2012年2月開始的2號(hào)機(jī)組B級(jí)檢修中，對(duì)水導(dǎo)軸承、組合軸承進(jìn)行檢查處理，調(diào)整軸瓦間隙，對(duì)定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪及流道進(jìn)行檢查，但檢修前后水導(dǎo)軸承振動(dòng)無明顯改善。為此，于2012年9月在水頭15.3m下對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，并組織專家對(duì)機(jī)組故障進(jìn)行會(huì)診。

2　試驗(yàn)結(jié)果

變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁電流和變負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果分別示于圖1、圖2和圖3。

從圖中可以看出：

1）變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，水導(dǎo)+X方向振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速升高明顯增大，但并不與轉(zhuǎn)速平方成比例，其他部位振動(dòng)基本沒有增加；

2）變勵(lì)磁試驗(yàn)，各部位振動(dòng)、擺度基本沒有變化；

3）變負(fù)荷試驗(yàn)，水導(dǎo)+X方向振動(dòng)、水導(dǎo)+Y方向擺度明顯隨負(fù)荷增加而加大，其中大負(fù)荷段水導(dǎo)+X向振動(dòng)超過300μm，其他部位振動(dòng)、擺度隨負(fù)荷的變化不大或者略有波動(dòng)。

圖1水導(dǎo)擺度及振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化

圖2水導(dǎo)擺度及振動(dòng)隨勵(lì)磁電流的變化

圖3水導(dǎo)擺度及振動(dòng)隨負(fù)荷的變化

三項(xiàng)試驗(yàn)得到的共同結(jié)果是：水導(dǎo)軸承X向振動(dòng)幅值比較大，而且隨負(fù)荷的增大而增大，主頻為轉(zhuǎn)速頻率，如圖4所示。

圖4 38MW工況水導(dǎo)振動(dòng)+X時(shí)域圖及頻譜圖

電站此前的觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，在同樣負(fù)荷情況下，低水頭時(shí)的水導(dǎo)軸承振動(dòng)比高水頭時(shí)大，即隨水頭升高，振動(dòng)降低，反之亦然，如圖5所示，圖上的數(shù)據(jù)不是同一次試驗(yàn)所得，但變化趨勢(shì)是很明顯的。

圖5水導(dǎo)軸承振動(dòng)+X隨水頭的升高而減小

3　振動(dòng)原因分析

3.1水導(dǎo)軸承振動(dòng)原因分析

首先，根據(jù)水導(dǎo)軸承振動(dòng)隨負(fù)荷變化的特征判斷，它是由水力原因所引起。

其次，根據(jù)水導(dǎo)軸承振動(dòng)的主頻為轉(zhuǎn)速頻率、同一水頭下振動(dòng)幅值隨負(fù)荷的增大而增大、相同負(fù)荷下振動(dòng)幅值隨水頭的升高而減小等特征判斷，水導(dǎo)軸承振動(dòng)幅值隨負(fù)荷的變化規(guī)律及大負(fù)荷時(shí)幅值最大是水力不平衡引起的結(jié)果。

根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，除轉(zhuǎn)速頻率外，水力不平衡力的特征就是隨流量的增大而增大。水導(dǎo)軸承的增大完全符合振型規(guī)律。

3.2水力不平衡產(chǎn)生的可能原因

對(duì)于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，產(chǎn)生水力不平衡的可能原因有：

（1）轉(zhuǎn)輪葉片開口不一致（葉片外緣傾角不一致或葉片的初始安放角不一致）；

（2）轉(zhuǎn)輪葉片葉型不一致，葉片為進(jìn)口數(shù)控加工葉片，葉型不一致的可能性不大；

（3）葉片操作機(jī)構(gòu)尺寸、行程不一致；

（4）轉(zhuǎn)輪室間隙不一致；理論上存在轉(zhuǎn)輪室間隙不一致的情況。

原因只可能有一個(gè)，具體原因則需要進(jìn)一步檢測(cè)確定。

3.3現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果

在2013年2號(hào)機(jī)A修中，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的開口及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果及根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算葉片外緣傾角如下頁(yè)表1。

從表1可以看出，葉片全開、全關(guān)、中間位置，3號(hào)葉片外緣型線傾角均偏大，4號(hào)葉片外緣型線傾角偏小，最大最小相差1°左右，超出《水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)要求，這正是引起水導(dǎo)軸承振動(dòng)情況異常的原因所在。

表1修理前葉片外緣傾角　單位：°

4　缺陷處理情況

進(jìn)一步的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)輪接力器缸體與轉(zhuǎn)臂4個(gè)連接板的銷孔中心距均為460.2mm，偏差很小，葉片外緣傾角不一致可能由其它部件尺寸差異所致，但為解決葉片外緣傾角偏差，最佳處理方案為調(diào)整連接板的銷孔中心距，各方對(duì)此意見一致。經(jīng)計(jì)算，確定將3號(hào)葉片連接板銷孔距減小約3.9mm，4號(hào)葉片連接板孔距增加約3.4mm，以使4個(gè)葉片外緣傾角在全部開度范圍盡可能保持一致。

處理后，葉片外緣型線傾角檢測(cè)結(jié)果如表2。

表2修理后葉片外緣傾角　　單位：°

更換連接板后，葉片外緣傾角一致性良好，葉片全開時(shí)偏差只有0.03°，全開度范圍均滿足規(guī)范要求。

檢修后的水導(dǎo)振動(dòng)如表3所示?？梢钥闯?，檢修后水導(dǎo)振動(dòng)大幅降低。證明當(dāng)初的原因判斷和后來的處理措施都是正確的。

表3修理后水導(dǎo)振動(dòng)隨流量變化情況

水導(dǎo)軸承振動(dòng)隨槳葉開度的增大而減小的情況，可能與檢修后各葉片開口偏差隨槳葉開度增大而減小有關(guān)（表2），此外，空轉(zhuǎn)/空載時(shí)小開度存在相對(duì)較大的隨機(jī)壓力脈動(dòng)。

5　結(jié)論及建議

紅花電站2號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承的不正常振動(dòng)是由水力不平衡引起的，通過調(diào)整轉(zhuǎn)輪接力器缸體與轉(zhuǎn)臂連接板的銷孔中心距使問題得到了解決。

對(duì)葉片數(shù)較少的軸流轉(zhuǎn)槳式及貫流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，水力不平衡引起的機(jī)組振動(dòng)及擺度偏大的情況是比較常見的，紅花電站2號(hào)機(jī)組的情況是一個(gè)典型的范例，也有其他電站出現(xiàn)過類似的情況。

為減少或避免水力不平衡對(duì)機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性的不利影響，建議：

（1）檢修時(shí)，進(jìn)行槳葉動(dòng)作試驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)轉(zhuǎn)輪葉片外緣傾角/葉片安放角、葉片型線的一致性；

（2）轉(zhuǎn)槳機(jī)組出廠驗(yàn)收時(shí)，同樣建議重點(diǎn)對(duì)葉片外緣傾角/葉片安放角進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)；

（3）《水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》（GB/T10969-2008）放寬了對(duì)葉片外緣傾角的要求（與GB/T10969-1996版標(biāo)準(zhǔn)相比），從電站安全穩(wěn)定運(yùn)行需要來看，恢復(fù)1996版標(biāo)準(zhǔn)比較好，即在槳葉整個(gè)開度范圍內(nèi)，葉片外緣傾角最高和最低之差均應(yīng)不大于0.25°；

（4）通常直接測(cè)量葉片安放角的精度不一定能夠滿足要求，通過水準(zhǔn)儀測(cè)量各開度情況下，用葉片進(jìn)水邊和出水邊的外緣端點(diǎn)或外緣臨近標(biāo)記點(diǎn)的高程差來計(jì)算葉片外緣傾角精度是可靠的，本次紅花電站的檢測(cè)也充分證明這一點(diǎn)。

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中圖分類號(hào)：TK730.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）03-0049-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.015

收稿日期：2014-12-23

作者簡(jiǎn)介：任紹成（1977-），男，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電設(shè)備咨詢，成套和監(jiān)管工作。