某水電機(jī)組上機(jī)架剛度不足分析與處理

王健

(五凌電力有限公司托口水電廠，湖南 懷化418200)

0 引言

某水電廠3號(hào)機(jī)組為立軸半傘混流式機(jī)組，2個(gè)導(dǎo)軸承、推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方采用彈性油箱支撐。某次檢修后發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)、上導(dǎo)擺度都超標(biāo)。3號(hào)機(jī)組投產(chǎn)時(shí)和檢修后進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)，通過兩次動(dòng)平衡試驗(yàn)報(bào)告分析發(fā)現(xiàn):

1)投產(chǎn)時(shí)動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，空載工況下，轉(zhuǎn)子配重質(zhì)量為292 kg，上機(jī)架水平振動(dòng)轉(zhuǎn)頻分量下降120 μm，轉(zhuǎn)頻影響系數(shù)為2·43 kg/μm。而本次試驗(yàn)的配重質(zhì)量為43 kg，空載工況下，上機(jī)架水平振動(dòng)轉(zhuǎn)頻分量下降約100 μm，轉(zhuǎn)頻影響系數(shù)為0·43 kg/μm。通過轉(zhuǎn)頻影響系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)組上機(jī)架水平方向的剛度較投產(chǎn)時(shí)有明顯變化。

2)投產(chǎn)時(shí)的動(dòng)平衡試驗(yàn)中，上機(jī)架水平振動(dòng)、上導(dǎo)擺度等部位測(cè)點(diǎn)波形正常，轉(zhuǎn)頻分量占比大；本次檢修后的動(dòng)平衡試驗(yàn)中，上機(jī)架水平振動(dòng)、上導(dǎo)擺度等部位測(cè)點(diǎn)波形雜亂，轉(zhuǎn)頻分量占比很小。

3)投產(chǎn)機(jī)組空載時(shí)上機(jī)架水平振動(dòng)為56 μm；檢修后空載時(shí)上機(jī)架水平振動(dòng)為230 μm，嚴(yán)重超出國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的110 μm。

4)本次檢修后的動(dòng)平衡試驗(yàn)中，在變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁和變負(fù)荷情況下，上導(dǎo)轉(zhuǎn)頻分量基本穩(wěn)定在250 μm左右。

綜合兩次動(dòng)平衡試驗(yàn)可以看出，3號(hào)機(jī)組上機(jī)架剛度較投產(chǎn)時(shí)有明顯的變化，同時(shí)動(dòng)平衡試驗(yàn)中上導(dǎo)轉(zhuǎn)頻分量異常，需要對(duì)該原因進(jìn)行分析。

1 原因分析

1.1 水力因素

1)尾水管渦帶。水輪機(jī)在非最優(yōu)工況時(shí)，在轉(zhuǎn)輪出口處的水流具有不同方向的環(huán)量，從而在轉(zhuǎn)輪出口與尾水管產(chǎn)生渦帶[1－3]。渦帶以某一頻率做偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致尾水管內(nèi)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)周期性變化，從而產(chǎn)生了壓力脈動(dòng)。這種壓力脈動(dòng)會(huì)引起機(jī)組各部位振動(dòng)。

2)卡門渦列。水流在轉(zhuǎn)輪葉片尾部左右兩側(cè)產(chǎn)生成對(duì)的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦[4－5]?？ㄩT渦列的形成與流體速度和葉片尾部斷面的形狀、尺寸有關(guān)，該振動(dòng)特征為振幅隨過機(jī)流量增加而明顯增大。

3)止漏環(huán)間隙不均勻。止漏環(huán)間隙不均勻?qū)е罗D(zhuǎn)輪水壓力不均勻，引起機(jī)組振動(dòng)，機(jī)組的振動(dòng)、擺度及壓力脈動(dòng)值均隨機(jī)組負(fù)荷和過流量的增加而增大[6－7]。

1.2 電氣因素

1)空氣間隙不均勻。定、轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻容易引起轉(zhuǎn)子磁拉力不平衡，從而引起機(jī)組振動(dòng)[8－10]。這種情況下，上機(jī)架的振動(dòng)會(huì)比較明顯，該振動(dòng)隨勵(lì)磁電流增大而增大。

2)定子繞組內(nèi)的諧波。發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部形成的諧波會(huì)產(chǎn)生磁拉力，部分的磁拉力很容易使定子振動(dòng)。這種現(xiàn)象會(huì)讓上機(jī)架振動(dòng)比較明顯，且振幅與定子電流成正比例。

3)定子鐵芯松動(dòng)。定子鐵芯松動(dòng)會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，機(jī)組的轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)的影響較為明顯。通常情況下，機(jī)組振動(dòng)頻率一般為電流頻率的雙倍[11－12]。

1.3 機(jī)械因素

1)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，機(jī)組振動(dòng)容易隨轉(zhuǎn)速增大而增大，與轉(zhuǎn)速的平方成正比[13]。

2)機(jī)組軸線不正。機(jī)組軸線與鏡板不垂直或者軸線在法蘭結(jié)合面彎曲時(shí)，導(dǎo)致機(jī)組振擺值偏大[14]。

3)軸承間隙不合理。軸承軸瓦間隙過大或不均勻所引起的機(jī)組振動(dòng)，通常表現(xiàn)為機(jī)組瓦溫異常[15]。

4)支撐系統(tǒng)剛度不足。機(jī)組的結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋或者受力不足會(huì)降低機(jī)組的固有頻率，在不平衡力或力矩作用下機(jī)組會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

綜合以上三個(gè)因素的分析，同時(shí)結(jié)合本次檢修對(duì)止漏環(huán)間隙、空氣間隙、機(jī)組軸線、軸承間隙和機(jī)組結(jié)構(gòu)件裂紋等情況的檢查都未發(fā)現(xiàn)異常情況。為了準(zhǔn)確地判斷上機(jī)架水平振動(dòng)和上導(dǎo)擺度超標(biāo)的原因，對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)。

2 動(dòng)平衡試驗(yàn)

2.1 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

將機(jī)組的轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在50%、75%和100%額定轉(zhuǎn)速Nr時(shí)，測(cè)量機(jī)組各部位振動(dòng)值的變化，試驗(yàn)結(jié)果見表1，表中A為通頻幅值，A1為轉(zhuǎn)頻幅值。

表1 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)機(jī)組的振擺值 μm

通過表1可以看出，上導(dǎo)、水導(dǎo)擺度隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，上機(jī)架水平振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速增大而增大。上導(dǎo)擺度值和上機(jī)架水平振動(dòng)轉(zhuǎn)頻幅值占通頻值的比重較大，說明轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量大，需要進(jìn)行配重處理。

2.2 變勵(lì)磁試驗(yàn)

將機(jī)組的勵(lì)磁電壓分別穩(wěn)定在50%、75%和100%額定電壓Ur時(shí)，測(cè)量機(jī)組各部位振動(dòng)值的變化，試驗(yàn)結(jié)果見表2，表中A為通頻幅值，A1為轉(zhuǎn)頻幅值。

表2 變勵(lì)磁試驗(yàn)機(jī)組的振擺值 μm

通過表2可以看出，上導(dǎo)、水導(dǎo)擺度隨著勵(lì)磁電流增大而基本保持不變，上機(jī)架水平振動(dòng)值隨著勵(lì)磁電流增大而增大，說明機(jī)組有一定的電磁不平衡力，但影響不大。

2.3 配重后動(dòng)平衡試驗(yàn)

3號(hào)機(jī)組在6號(hào)轉(zhuǎn)子支臂配重43 kg(以勵(lì)磁引線支臂為1號(hào)，俯視逆時(shí)針)。配重前、后空載和帶200 MW負(fù)荷時(shí)上導(dǎo)、水導(dǎo)擺度值和上機(jī)架、下機(jī)架水平振動(dòng)值見表3，表中A為通頻幅1值，A1為轉(zhuǎn)頻幅值。

表3 配重前、后空載和帶負(fù)荷的振擺值 μm

通過表3可以看出，上導(dǎo)擺度在配重前、后空載和帶負(fù)荷情況下變化很小，水導(dǎo)擺度值和上機(jī)架振動(dòng)值配重后空載變小了，水導(dǎo)擺度值和上機(jī)架振動(dòng)值在帶負(fù)荷情況下較配重前、后空載減少很多。

分析動(dòng)平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):

1)上導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻分量偏大。在變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁和帶負(fù)荷情況下，上導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻分量基本穩(wěn)定在250 μm左右，并未隨轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電壓的增大而增大。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能不在于機(jī)械不平衡和電磁不平衡。

2)帶200 MW負(fù)荷時(shí)上機(jī)架水平振動(dòng)下降明顯。其原因可能是機(jī)組處于非振動(dòng)區(qū)水力工況較好，同時(shí)機(jī)組帶負(fù)荷后有強(qiáng)大的電磁拉力作用。

3)上機(jī)架通頻值偏大。在100%Nr空轉(zhuǎn)和100%Ur空載工況下，上導(dǎo)擺度和上機(jī)架水平振動(dòng)存在大量的低頻分量，這是上機(jī)架振動(dòng)通頻量較大，而轉(zhuǎn)頻量較小的原因，一方面是水力因素對(duì)機(jī)組振擺的擾動(dòng)，另一方面可能是上機(jī)架支撐松動(dòng)。由于電廠其他3臺(tái)相同的機(jī)組運(yùn)行情況都正常，3號(hào)機(jī)組出現(xiàn)該狀況初步判斷是由于上機(jī)架支撐力不足，需要對(duì)上機(jī)架支撐進(jìn)行檢查。

3 處理過程

3號(hào)機(jī)組上機(jī)架采用碟型彈簧式支撐，如圖1所示。其主要作用是在正常運(yùn)行工況下提供足夠的支撐力，且在半數(shù)磁極短路等異常工況下避免破壞基礎(chǔ)。發(fā)電機(jī)廠家對(duì)上機(jī)架千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)要求為6片碟型彈簧的冷態(tài)初始?jí)嚎s量0·3 mm，碟型彈簧并聯(lián)疊放且開口朝向套筒底部，如圖2所示。12個(gè)千斤頂內(nèi)都應(yīng)有6片碟型彈簧串聯(lián)疊放，如圖3所示。上機(jī)架千斤頂內(nèi)碟型彈簧數(shù)量缺少和錯(cuò)誤的安裝方式將極大影響上機(jī)架的振動(dòng)情況。假設(shè)每個(gè)碟型彈簧的剛度為K，每個(gè)上機(jī)架千斤頂受力為F；則6個(gè)碟簧并聯(lián)時(shí)總剛度為6K，串聯(lián)情況下總剛度為K/6。上機(jī)架現(xiàn)振動(dòng)值與原設(shè)計(jì)振動(dòng)值之比:

圖1 上機(jī)架千斤頂結(jié)構(gòu)

圖2 并聯(lián)疊放

上機(jī)架千斤頂內(nèi)碟型彈簧錯(cuò)誤的安裝方式將使上機(jī)架振動(dòng)值增大到原設(shè)計(jì)的36倍。

圖3 串聯(lián)疊放

上機(jī)架剛度不足檢查處理步驟如下:

1)檢查定子機(jī)座與上機(jī)架連接螺栓的扭力值符合設(shè)計(jì)要求，檢查定子機(jī)座與上機(jī)架定位銷無異常。檢查上機(jī)架各連接部位無松動(dòng)、焊接部位無裂紋。

2)清理上機(jī)架千斤頂球頭螺桿處油漆和上機(jī)架千斤頂球頭螺桿鎖錠螺母止動(dòng)焊縫。

3)在上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承和每個(gè)上機(jī)架千斤頂處安裝百分表，用來測(cè)量大軸、上機(jī)架的位移。

4)以對(duì)稱方向上兩個(gè)上機(jī)架支臂千斤頂為一組，共安裝6個(gè)32 t機(jī)械千斤頂。安裝時(shí)應(yīng)注意千斤頂需同時(shí)受力，且受力大小應(yīng)保持基本一致。

5)先對(duì)稱松開上機(jī)架支臂千斤頂球頭螺桿鎖錠螺母，再對(duì)稱松開球頭螺桿。在松動(dòng)過程中記錄每個(gè)百分表讀數(shù)，確保上機(jī)架支臂無移動(dòng)；同時(shí)檢查碟型彈簧數(shù)量、疊放方式是否與設(shè)計(jì)一致，如圖4所示。

圖4 千斤頂?shù)蛷椈?/p>

6)對(duì)稱的兩個(gè)上機(jī)架千斤頂檢查完后進(jìn)行裝復(fù)，緩慢對(duì)稱擰緊球頭螺桿，碟型彈簧壓緊總深度為0·3 mm。壓緊分4次進(jìn)行，每次壓緊深度為總深度的25%、50%、75%和100%，確保對(duì)稱一組的上機(jī)架千斤頂?shù)蛷椈傻膲壕o量合格。

7)對(duì)稱松開32 t機(jī)械千斤頂，松開過程中檢查上導(dǎo)、水導(dǎo)、上機(jī)架百分表讀數(shù)情況。

8)調(diào)整完一組后將該組上機(jī)架千斤頂球頭螺桿鎖錠螺母擰緊，然后采用步驟2)—7)檢查處理將其余上機(jī)架千斤頂，最后將鎖錠螺母止焊固定。

3號(hào)機(jī)組上機(jī)架支臂的千斤頂全部檢查處理完后，再進(jìn)行開機(jī)帶200 MW負(fù)荷試驗(yàn)。上機(jī)架千斤頂檢查處理前、后機(jī)組各部位的振擺值見表4，表中A為通頻幅值，A1為轉(zhuǎn)頻幅值?？梢钥闯觯蠙C(jī)架千斤頂處理完后，上導(dǎo)擺度值明顯下降，上機(jī)架水平振動(dòng)值也相應(yīng)下降，說明上機(jī)架千斤頂檢查處理后上機(jī)架的剛度明顯增強(qiáng)。

表4 處理前、后機(jī)組各部位振擺值 μm

4 結(jié)論

影響機(jī)組振擺超標(biāo)的原因很多，需要通過水力因素、電氣因素、機(jī)械因素和動(dòng)平衡試驗(yàn)綜合分析，最終找出機(jī)組振擺的根本原因。

上機(jī)架支臂千斤頂?shù)蛷椈慑e(cuò)誤的安裝方法導(dǎo)致上機(jī)架支撐剛度不足。處理后上機(jī)架剛度明顯加強(qiáng)，同時(shí)上導(dǎo)擺度值、上機(jī)架水平振動(dòng)值優(yōu)于規(guī)程規(guī)范要求，徹底解決了上機(jī)架剛度不足的問題。