燈泡貫流式機(jī)組水導(dǎo)軸承穩(wěn)態(tài)振動超標(biāo)原因分析與運(yùn)行建議

李崇仕，何葵東，王衛(wèi)玉，畢智偉

(1.國家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南長沙 410004；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙 410007)

0 引言

某電廠3臺18.5 MW燈泡貫流式機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速75 r/min，額定水頭6.55 m，運(yùn)行時間三十余年，近年來機(jī)組關(guān)鍵部件振動超標(biāo)，其中最為突出的是水導(dǎo)軸承徑向振動。水導(dǎo)軸承徑向振動超標(biāo)是機(jī)組運(yùn)行異常的體現(xiàn)，由于存在異常振源，將會導(dǎo)致機(jī)組薄弱部件出現(xiàn)裂紋、疲勞斷裂等現(xiàn)象[1－4]。水導(dǎo)徑向振動超標(biāo)分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況振動超標(biāo)，本文主要分析穩(wěn)態(tài)工況(排除振動區(qū)、過渡過程等暫態(tài))振動超標(biāo)的情況，穩(wěn)態(tài)工況振動超標(biāo)最明顯的特征是隨著導(dǎo)葉開度的增加，水導(dǎo)軸承水平X向振動趨勢上升，遠(yuǎn)大于GB/T 15468—2020?水輪機(jī)基本技術(shù)條件》中針對水導(dǎo)軸承水平振動的規(guī)定。

1 水導(dǎo)軸承異常振動數(shù)值及波形頻譜特征

國標(biāo)規(guī)定當(dāng)n≤100 r/min時，水導(dǎo)軸承徑向振動允許值為120μm，該電廠水導(dǎo)軸承徑向振動超標(biāo)表現(xiàn)為X向振動超標(biāo)，Y向振動不超標(biāo)，且不同機(jī)組呈現(xiàn)不同的表現(xiàn)。利用在線監(jiān)測設(shè)備對3臺機(jī)組一個季度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到水導(dǎo)軸承在不同運(yùn)行工況參數(shù)下的特征，3臺機(jī)組水導(dǎo)軸承X向振動均存在超標(biāo)。由于每臺機(jī)組流態(tài)或者每臺機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定特性導(dǎo)致了各個機(jī)組呈現(xiàn)不同的超標(biāo)狀態(tài)，但其中3號機(jī)組水導(dǎo)軸承X向振動均值最大，達(dá)到200μm以上。圖1、圖2為3號機(jī)組水導(dǎo)軸承X向振動隨有功、水頭趨勢變化情況，圖3為3號機(jī)組水導(dǎo)軸承X向振動波形和典型工況的頻譜特征，圖4為水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室X向振動，有功功率大于10 MW以上趨勢變化圖。

圖1 水導(dǎo)軸承X向振動隨有功功率趨勢變化

圖2 水導(dǎo)軸承X向振動隨水頭趨勢變化

圖3 水導(dǎo)軸承X向振動波形頻譜

圖4 水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室X向振動隨有功趨勢變化

振動異常主要集中在中低水頭、高負(fù)荷工況，頻率成分主要為1X和4X頻率，也就是轉(zhuǎn)頻和槳葉倍頻的特征，同時發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)軸承徑向振動和轉(zhuǎn)輪室振動隨有功都呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。頻繁的振動超標(biāo)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行條件惡化，電廠針對機(jī)組運(yùn)行，如水導(dǎo)軸承X向振動超過180μm必須現(xiàn)場檢查，超過280μm則需要現(xiàn)場干預(yù)，采取調(diào)整負(fù)荷、清污、開停機(jī)等手段。由于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差，極大降低了電廠的發(fā)電效益。

2 燈泡貫流式機(jī)組和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量小、過機(jī)流量大，當(dāng)機(jī)組處于過渡過程水力慣性系數(shù)較大、穩(wěn)定性較差。機(jī)組殼體為燈泡形狀，在流道里通過垂直和水平支撐固定機(jī)組殼體。通常水輪發(fā)電機(jī)組在流道中以管型座上、下豎井為主要支撐，全部受力通過上、下豎井傳到混凝土基礎(chǔ)上，為增加發(fā)電機(jī)燈泡殼體的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)采用三支撐結(jié)構(gòu)形式，即下部設(shè)垂直支撐，左右兩側(cè)各設(shè)有水平側(cè)向支撐。

水導(dǎo)軸承為機(jī)組軸系的支撐點(diǎn)，與組合軸承一道構(gòu)成兩點(diǎn)支撐，承受機(jī)組整個軸系的質(zhì)量和限制機(jī)組旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的徑向位移。圖5為水導(dǎo)軸承現(xiàn)場裝配圖，水導(dǎo)軸承采用筒式結(jié)構(gòu)，分上下兩瓣，扇形支撐板為127°，以－Y方向?qū)ΨQ布置，固定在導(dǎo)流錐上。

圖5 水導(dǎo)軸承現(xiàn)場裝配圖

3 原因分析

水導(dǎo)軸承所承受的徑向力，主要為轉(zhuǎn)動部分的不平衡力、水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水力不平衡、尾水管水壓脈動、導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間水壓脈動、燈泡體結(jié)構(gòu)振動作用，以及從發(fā)電機(jī)側(cè)傳導(dǎo)的電磁力作用。因此貫流式機(jī)組水導(dǎo)軸承徑向振動超標(biāo)，不外乎從機(jī)械、電氣、水力三個方面及互相耦合導(dǎo)致[5－11]。

1)機(jī)械原因。主軸彎曲或撓曲，推力軸承調(diào)整不良，軸承間隙過大，主軸法蘭連接不緊，機(jī)組對中心不準(zhǔn)；轉(zhuǎn)輪等旋轉(zhuǎn)部件與靜止件相碰；旋轉(zhuǎn)體不平衡；軸承間隙過大，主軸過細(xì)，機(jī)組轉(zhuǎn)速與軸系臨界轉(zhuǎn)速重合；傳感器故障、安裝位置問題；機(jī)組支撐和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)。

2)電氣原因。周期性的磁拉力分量；轉(zhuǎn)子和定子之間有不均勻的氣隙時所引起的作用力；轉(zhuǎn)子線圈短路時引起的力；發(fā)電機(jī)在不對稱工況下運(yùn)行時產(chǎn)生的力。

3)水力因素。尾水渦帶、卡門渦、間隙射流；導(dǎo)槳葉不協(xié)聯(lián)；空蝕振動；反水錘引起機(jī)組的振動；引水系統(tǒng)的共振；導(dǎo)葉開口不一致、不同步；槳葉開口不一致、不同步；運(yùn)行水頭變化。

電廠主要開展穩(wěn)定性試驗(yàn)(變轉(zhuǎn)速、變勵磁、變負(fù)荷)、協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)、更換測量傳感器、導(dǎo)槳葉同步性處理、槳葉安放角一致性檢查、導(dǎo)葉開度均勻性測量、利用機(jī)組檢修對水導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查等相關(guān)專項(xiàng)處理，對上述各項(xiàng)原因，進(jìn)行一一排查分析。最后確定振動超標(biāo)的直接原因是機(jī)組運(yùn)行水頭變化，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行水頭偏離設(shè)計水頭；間接原因是機(jī)組支撐和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)問題。

3.1 直接原因

查詢機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線見圖6所示，機(jī)組高效率對應(yīng)的水頭段為6～9 m，但目前機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭范圍4～7 m。由于該電廠套用機(jī)組的設(shè)計水頭高于電站的實(shí)際水頭，且受上游電站擴(kuò)機(jī)和下游電站蓄水頂托的影響，機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行水頭與設(shè)計水頭嚴(yán)重不符，導(dǎo)致機(jī)組在該區(qū)間穩(wěn)定性差，是造成水導(dǎo)軸承徑向振動超標(biāo)的主要原因。同時由于所處河道在雨季期，樹木等大尺寸的異物在攔污柵前堆積，造成水頭的損失，使得機(jī)組的穩(wěn)定性進(jìn)一步劣化。

圖6 電廠真機(jī)轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

3.2 間接原因

機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)分析:貫流式機(jī)組燈泡殼體支撐分為垂直支撐和水平支撐。垂直支撐為燈泡頭上豎井管型座、燈泡頭下方球面支撐以及燈泡體上下豎井管型座，水平方向?yàn)樽笥覂筛勒袂蛎嬷?。球面支撐允許燈泡體有軸向和徑向的微量位移。其中垂直支撐為主支撐，水平支撐為輔助支撐。

水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)分析:該廠水導(dǎo)軸承采取通用的筒式軸瓦結(jié)構(gòu)，有別于混流式機(jī)組水導(dǎo)軸承分瓣的形式，使得貫流式機(jī)組水導(dǎo)軸承振動，不會由于運(yùn)行一段時間出現(xiàn)某塊瓦松動導(dǎo)致振動值上升的趨勢[12]。水導(dǎo)軸承支撐為扇形支撐板固定在燈泡殼體上。

綜上分析，豎井管型座為機(jī)組燈泡殼體的支撐，燈泡殼體為水導(dǎo)軸承的基礎(chǔ)。軸對軸承的沖擊，通過力的傳導(dǎo)最終到達(dá)管型座基礎(chǔ)上。水導(dǎo)軸承X向振動傳感器的安裝位置結(jié)構(gòu)最終通過扇形板固定螺栓與導(dǎo)流錐聯(lián)接為整體結(jié)構(gòu)，實(shí)際傳感器測量的是導(dǎo)流錐和水導(dǎo)軸承支撐的疊加振動。由于垂直支撐相較于水平支撐剛度更大，抵抗激振能量也越強(qiáng)，造成水導(dǎo)軸承Y向振動幅值較X向振動小。因此可判斷貫流式機(jī)組水平支撐弱是造成水導(dǎo)軸承徑向振動超標(biāo)的部分原因，同時傳感器測量振動為疊加振動也是造成振動偏大的間接原因。

4 建議

4.1 開展安全性評估

針對目前的情況，在水導(dǎo)軸承徑向振動平均幅值狀態(tài)下，測量水導(dǎo)軸承表面以及水導(dǎo)扇形支撐的動態(tài)交變應(yīng)力，利用Goodman公式計算出水導(dǎo)軸承允許的疲勞許用交變應(yīng)力值，兩者比較就可以對水導(dǎo)軸承進(jìn)行安全性評價。由于水導(dǎo)軸承在機(jī)組運(yùn)行時，主要承受的是環(huán)向的應(yīng)力，因此在殼體布置6個環(huán)向的單向應(yīng)變片。在水導(dǎo)軸承扇形支撐板上，對稱布置2個指向軸線的徑向應(yīng)變片，監(jiān)測機(jī)組處于不同運(yùn)行水頭、有功功率下的動態(tài)應(yīng)力。

1)水導(dǎo)軸承本體交變應(yīng)力水平隨負(fù)荷增大略有增大，本體交變應(yīng)力水平均處于較低水平(低于6 MPa)。

2)扇形板交變應(yīng)力水平隨負(fù)荷的增大有增大趨勢。

由于結(jié)構(gòu)疲勞失效主要受結(jié)構(gòu)所受平均應(yīng)力σm及交變應(yīng)力σa影響。根據(jù)Goodman公式:

該廠水導(dǎo)軸承材料采用Q235A，式中:σm為平均應(yīng)力；σb為極限強(qiáng)度，428 MPa(參考?材料工程基礎(chǔ)要覽》)；σ－1為許用應(yīng)力疲勞值，120 MPa(參考GB/T 3811—2008?起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》)；σa為當(dāng)前平均應(yīng)力σm對應(yīng)的疲勞許用交變應(yīng)力值[13－15]。

水導(dǎo)軸承平均應(yīng)力可以通過數(shù)值模擬仿真，模擬機(jī)組在額定有功功率工況運(yùn)行時，機(jī)組軸線整個受力加載情況。貫流式機(jī)組主要是通過兩點(diǎn)支撐、水導(dǎo)軸承和組合軸承承受著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、組合軸承、機(jī)組主軸、水導(dǎo)軸承、水輪機(jī)的重力作用及水輪機(jī)所受浮力。通過模擬計算可知水導(dǎo)軸承環(huán)向平均應(yīng)力最大值為12.6 MPa。根據(jù)式(2)可以計算出當(dāng)前疲勞許用交變應(yīng)力值σa＝116.5 MPa。

水導(dǎo)軸承交變應(yīng)力正常工況最大測量值為5.5 MPa，遠(yuǎn)小于當(dāng)前疲勞許用交變應(yīng)力值σa＝116.5 MPa的要求；正常工況，扇形板最大交變應(yīng)力值為8.7 MPa，也遠(yuǎn)小于當(dāng)前疲勞許用交變應(yīng)力值。運(yùn)行情況表明，水導(dǎo)軸承異常振動時，軸承瓦溫并未出現(xiàn)增大情況，因此當(dāng)前水導(dǎo)軸承異常振動不會對機(jī)組水導(dǎo)軸承及扇形板構(gòu)成嚴(yán)重安全風(fēng)險。后續(xù)可以對水導(dǎo)軸承進(jìn)行疲勞壽命評估，通過組合不同運(yùn)行負(fù)荷的幅值情況，根據(jù)S/N曲線和疲勞損失累積MINER原則，精確計算水導(dǎo)軸承的疲勞壽命。

4.2 扇形支撐板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

該廠水導(dǎo)軸承支撐扇形板目前為127°，相比于國內(nèi)其他一些機(jī)組其角度存在偏小情況，可能引起水導(dǎo)軸承徑向支撐剛度偏小。通過在水導(dǎo)軸承模型上施加水平方向2 MPa的載荷，固定約束扇形板端部，進(jìn)行剛強(qiáng)度仿真分析。并將扇形板支撐面積調(diào)整到150°和180°進(jìn)行計算，得出水導(dǎo)軸承同一節(jié)點(diǎn)的振動變形值對比情況見表1。

表1 不同扇形板角度水導(dǎo)軸承水平位移輸出

增大扇形板角度，可以有效提高水導(dǎo)軸承剛度，減少水導(dǎo)軸承水平位移變形，進(jìn)而起到改善水導(dǎo)軸承水平振動作用，其中150°扇形板方案可降低水導(dǎo)軸承水平位移變形45%，180°扇形板方案可降低水導(dǎo)軸承水平位移變形84%。

4.3 運(yùn)行和技改建議

考慮3號機(jī)組水導(dǎo)軸承徑向振動超標(biāo)問題，在開機(jī)順序可以優(yōu)先調(diào)整1、2號機(jī)組最先開機(jī)，停機(jī)則相反。當(dāng)來水較好的情況下，負(fù)荷分配則采取1、2號機(jī)組優(yōu)先帶滿負(fù)荷。運(yùn)行時，重點(diǎn)關(guān)注水導(dǎo)瓦溫變化情況，同時關(guān)注攔污柵差壓，加強(qiáng)進(jìn)水口攔污柵浮渣的清理。針對機(jī)組嚴(yán)重偏離設(shè)計工況，實(shí)際水頭降低，可考慮開展轉(zhuǎn)輪改造工作，提升機(jī)組發(fā)電能力，改善機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文旨在研究某水電廠機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況水導(dǎo)軸承徑向振動X向振動超標(biāo)的現(xiàn)象，通過研究查找出原因和機(jī)組的優(yōu)化和運(yùn)行建議，主要結(jié)論如下:

1)燈泡貫流式機(jī)組中低水頭、高負(fù)荷工況下，水導(dǎo)軸承徑向振動超標(biāo)頻繁。

2)機(jī)組的設(shè)計水頭高于實(shí)際水頭，又由于上游電廠的棄水、下游電廠的頂托影響導(dǎo)致實(shí)際水頭進(jìn)一步降低，導(dǎo)致機(jī)組嚴(yán)重偏離機(jī)組高效率運(yùn)行工況，機(jī)組穩(wěn)定性差。

3)貫流式機(jī)組水平支撐弱造成水導(dǎo)軸承水平X向振動超標(biāo)，同時傳感器測量的振動不是絕對振動，為導(dǎo)流錐與水導(dǎo)軸承支撐的疊加振動，也是造成振動偏大的間接原因。

4)為提高電廠機(jī)組穩(wěn)定性，可從水導(dǎo)軸承扇形板結(jié)構(gòu)優(yōu)化、機(jī)組運(yùn)行和技改方面、水導(dǎo)軸承疲勞壽命計算提高等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化考慮。