深圳抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)下機(jī)架18倍頻振動(dòng)分析

陳泓宇，黃萌智，陳弘昊，鐘 蘇，張興旺，雷 徐

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640；2.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853；3.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市 518115；4.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；5.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司，北京市 100041）

0 引言

目前抽水蓄能機(jī)組正向高水頭、大容量發(fā)展，運(yùn)行穩(wěn)定性日益受到重視。水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)因素主要分為機(jī)械、電磁、水力等三方面，常見(jiàn)振動(dòng)原因包括轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、軸線不正、磁極線圈短路、轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉、尾水管渦帶等[1～4]。本文針對(duì)深圳抽水蓄能電站（簡(jiǎn)稱深蓄電站）1、2號(hào)機(jī)組調(diào)試過(guò)程中下機(jī)架18倍頻振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)該問(wèn)題的可能原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并針對(duì)該問(wèn)題提供了相應(yīng)的處理建議。

1 深蓄電站下機(jī)架振動(dòng)情況

深蓄電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠有限公司設(shè)計(jì)制造，為立軸半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承與下導(dǎo)軸承共用一個(gè)油槽，下導(dǎo)瓦數(shù)為16，單機(jī)容量為300MW。機(jī)組調(diào)試過(guò)程中，下機(jī)架振動(dòng)幅值通頻不足10um，但振動(dòng)速度卻較大，其中18倍頻是導(dǎo)致下機(jī)架振速增大的主要原因。為對(duì)比不同工況時(shí)下機(jī)架的振動(dòng)情況，分別選取了2號(hào)機(jī)組空載工況、發(fā)電工況、抽水工況、調(diào)相工況等4個(gè)工況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 2號(hào)機(jī)組空載、發(fā)電、抽水、調(diào)相4個(gè)工況振動(dòng)Tab.1 The vibration condition of Unit 2 mm/s

1.1 空載工況

1.2 發(fā)電工況

圖1 空載工況下機(jī)架及頂蓋振動(dòng)頻譜圖Fig.1 The vibration of lower bracket and head cover in no-load operating condition

2號(hào)機(jī)組300MW滿負(fù)荷工況下，下機(jī)架水平振動(dòng)（X向）通頻1.73mm/s，其中18X達(dá)到1.71mm/s；下機(jī)架水平振動(dòng)（Y向）通頻2.10mm/s，其中18X達(dá)到2.12mm/s；Z向垂直振動(dòng)通頻0.72mm/s，其中18X達(dá)到0.67mm/s；頂蓋Z向垂直振動(dòng)通頻1.81mm/s，其中18X達(dá)到1.73mm/s，其具體頻譜圖如圖2所示。

1.3 抽水工況

2號(hào)機(jī)組抽水工況下，下機(jī)架水平振動(dòng)（X向）通頻2.04mm/s，其中18X達(dá)到1.60mm/s；下機(jī)架水平振動(dòng)（-Y向）通頻1.65mm/s，其中18X達(dá)到1.60mm/s；Z向垂直振動(dòng)通頻0.98mm/s，其中18X達(dá)到0.92mm/s；頂蓋Z向垂直振動(dòng)通頻2.31mm/s，其中18X達(dá)到2.24mm/s，其具體頻譜圖如圖3所示。

1.4 調(diào)相工況

2號(hào)機(jī)組調(diào)相工況下，下機(jī)架水平振動(dòng)（X向）通頻2.13mm/s，其中18X達(dá)到2.12mm/s；下機(jī)架水平振動(dòng)（Y向）通頻1.75mm/s，其中18X達(dá)到1.75mm/s；Z向垂直振動(dòng)通頻0.71mm/s，其中18X達(dá)到0.69mm/s；頂蓋Z向垂直振動(dòng)通頻0.11mm/s，其中18X達(dá)到0.02mm/s，其具體頻譜圖如圖4所示。

從圖1至圖4，可以發(fā)現(xiàn)：機(jī)組下機(jī)架X、Y、Z方向在上述四個(gè)工況均存在18倍頻，且下機(jī)架振動(dòng)通頻值中18倍頻占主要成分；頂蓋Z方向在空載、發(fā)電、抽水工況時(shí)，存在18倍頻，亦在通頻值中占主要成分，而在調(diào)相工況時(shí)，頂蓋基本無(wú)振動(dòng)。

圖2 300MW滿負(fù)荷工況下機(jī)架及頂蓋振動(dòng)頻譜圖Fig.2 The vibration of lower bracket and head cover in generating operating condition

圖3 抽水工況下機(jī)架及頂蓋振動(dòng)頻譜圖Fig.3 The vibration of lower bracket and head cover in pumping operating condition

圖4 調(diào)相工況下機(jī)架及頂蓋振動(dòng)頻譜圖Fig.4 The vibration of lower bracket and head cover in phase modulation condition

此外，升速過(guò)程中發(fā)現(xiàn)下機(jī)架18倍頻振動(dòng)在轉(zhuǎn)速增大到300r/min才開(kāi)始出現(xiàn)，在機(jī)組甩負(fù)荷升速時(shí)，18倍頻振動(dòng)進(jìn)一步增大。

2 下機(jī)架18倍頻振動(dòng)原因分析

2.1 振動(dòng)源分析

深蓄電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為9葉片，導(dǎo)葉為20個(gè)，根據(jù)動(dòng)靜干涉理論，存在產(chǎn)生18倍頻振動(dòng)的可能性，但機(jī)組在調(diào)相工況下，轉(zhuǎn)輪處于空氣中，下機(jī)架仍然存在18倍頻振動(dòng)，因此可以排除18倍頻振動(dòng)是由水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪所引起的[5]。

蓄水?dāng)r河閘分設(shè)主河槽攔河閘和灘地?cái)r河閘，根據(jù)兩岸臺(tái)地高程，閘頂高程取1 008.2 m，工程總蓄水面積85.06萬(wàn)m2，蓄水量90.8萬(wàn)m3，水域平均蓄水深度1.1 m。主槽攔河閘長(zhǎng)度取40 m，攔河閘高3 m，底板高程1 004 m，左岸灘地?cái)r河閘長(zhǎng)度取120 m，右岸灘地?cái)r河閘長(zhǎng)度取120m，灘地?cái)r河閘高2m，底板高程1005m。為防止風(fēng)浪淘刷，洪水沖刷，結(jié)合地形條件，對(duì)攔河閘上下游近閘的主槽岸坡和灘地岸坡進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸。在蓄水區(qū)內(nèi)根據(jù)蓄水深度不同，搭配種植濕地植物和水生植物，以達(dá)到凈化水質(zhì)，改善水生態(tài)環(huán)境，提升景觀效果的作用。

深蓄電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為14個(gè)磁極，理論上也不會(huì)造成18倍頻振動(dòng)，因此可以排除電磁引起振動(dòng)的可能性。

深蓄電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)下導(dǎo)瓦數(shù)為16，推力軸承瓦數(shù)為12，亦不會(huì)產(chǎn)生18倍頻振動(dòng)。

根據(jù)廠家對(duì)下機(jī)架剛強(qiáng)度及固有頻率的計(jì)算，下機(jī)架自身剛強(qiáng)度和固有頻率在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可以避開(kāi)水輪機(jī)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生的共振頻率帶，且滿足剛強(qiáng)度使用要求。同時(shí)，與下機(jī)架接觸的混凝土基礎(chǔ)、機(jī)坑里襯、外循環(huán)進(jìn)出油管路也可能將振動(dòng)傳遞給下機(jī)架，但理論上不會(huì)產(chǎn)生18倍頻的影響。

與轉(zhuǎn)動(dòng)部件相關(guān)的發(fā)電機(jī)推力頭圓周均布的6個(gè)泵油孔，存在產(chǎn)生18倍頻振動(dòng)的可能，下面將進(jìn)一步分析。

2.2 下導(dǎo)推力軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

深蓄電站是半傘式抽水蓄能機(jī)組，推力軸承與下導(dǎo)軸承共用一個(gè)油槽，冷卻方式為外循環(huán)冷卻，并同時(shí)有外循環(huán)泵和自身泵。其自身泵是在推力頭上加工有6個(gè)泵油孔，通過(guò)運(yùn)行時(shí)大軸的旋轉(zhuǎn)，形成穩(wěn)定的壓頭，使冷油從內(nèi)側(cè)射向下導(dǎo)瓦瓦面，對(duì)下導(dǎo)瓦進(jìn)行冷卻，經(jīng)外側(cè)集油管進(jìn)入推力外循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，自身泵油循環(huán)示意如圖5所示，泵油孔位置如圖6所示。

圖5 下導(dǎo)瓦自身泵油路示意Fig.5 The oil circulation of lower guide bearing

圖6 下導(dǎo)瓦泵油孔位置Fig.6 The detail of oil outlet

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，下導(dǎo)瓦與泵油孔可視同兩組相對(duì)運(yùn)動(dòng)的環(huán)列葉柵。當(dāng)泵油孔滑穿過(guò)下導(dǎo)瓦時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生壓力擾動(dòng)，泵油孔相繼掠過(guò)導(dǎo)軸瓦尾部，就在該處產(chǎn)生周期性的壓力波動(dòng)。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，大軸周向均會(huì)受到激勵(lì)，下導(dǎo)瓦與泵油孔布置示意如圖7所示。

圖7 下導(dǎo)瓦與泵油孔布置示意Fig.7 The sketch map of lower guide bearing and oil outlet

從圖7可知，泵油孔1和4首先在同相位被激振，然后是2和5同相位被激振，也就是意味著引發(fā)了具有兩個(gè)直徑節(jié)線型式的振動(dòng)。因此，導(dǎo)軸瓦和泵油孔可視同兩組相對(duì)運(yùn)動(dòng)的環(huán)列葉柵組合，同樣適用于動(dòng)靜干涉理論[5]，即：

式中，n、m為任意整數(shù)（一般n=1）；k為動(dòng)靜干涉所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)模態(tài)的直徑節(jié)線數(shù)；Zr為泵油孔數(shù)；Zg為導(dǎo)軸瓦數(shù)。

當(dāng)Zr=6，Zg=16時(shí)，激發(fā)振動(dòng)模態(tài)的條件為k=2（m=3）或k=4（m=2）。即：

則，下機(jī)架振頻為f=m·Zr·N，N代表轉(zhuǎn)頻，即18X或12X。從理論計(jì)算可知，無(wú)論在何種工況下，泵油孔始終會(huì)對(duì)下導(dǎo)瓦產(chǎn)生周期性擾動(dòng)，其振頻也與下機(jī)架實(shí)測(cè)振動(dòng)18倍頻相符，這也證明了下機(jī)架產(chǎn)生18倍頻振動(dòng)原因就在于泵油孔與下導(dǎo)瓦的動(dòng)靜干涉（泵油孔油流沖擊下導(dǎo)瓦）。

2.3 影響下機(jī)架18倍頻的因素

動(dòng)靜干涉主要是指旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片與靜止的導(dǎo)葉之間的無(wú)葉區(qū)中所發(fā)生的干涉現(xiàn)象。影響動(dòng)靜干涉的主要因素有幾何參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)[6]。幾何參數(shù)有轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)與靜止活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)的匹配、兩者之間徑向間隙。流動(dòng)參數(shù)為轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度、無(wú)葉區(qū)的流速和壓力水平。因此，下機(jī)架18倍頻振動(dòng)除了與泵油孔、導(dǎo)瓦布置位置有關(guān)，還受到機(jī)組轉(zhuǎn)速、兩者徑向間隙（壓力水平）的影響。對(duì)于同一電站機(jī)組，泵油孔、導(dǎo)瓦布置位置已經(jīng)固定，下面將對(duì)轉(zhuǎn)速、兩者徑向間隙對(duì)下機(jī)架18倍頻影響進(jìn)行分析。

低速時(shí)，幾何參數(shù)條件具備，但流動(dòng)參數(shù)不具備條件，因而動(dòng)靜干涉難以形成。以調(diào)相工況為例進(jìn)行分析，下機(jī)架振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖8所示。由于下機(jī)架振動(dòng)通頻值中18倍頻占主要成分，結(jié)合對(duì)比圖8，還可以發(fā)現(xiàn)：在低轉(zhuǎn)速時(shí)（300r/min以下），下機(jī)架振動(dòng)不明顯，也說(shuō)明18倍頻不明顯，即未發(fā)生泵油孔與導(dǎo)瓦的動(dòng)靜干涉；在高轉(zhuǎn)速時(shí)（400r/min以上），下機(jī)架振動(dòng)增大，也說(shuō)明18倍頻振動(dòng)增大，即發(fā)生了動(dòng)靜干涉。據(jù)相關(guān)計(jì)算：油孔的壓差在額定轉(zhuǎn)速時(shí)為0.9MPa，在300r/min時(shí)約為0.45Mpa，因此在低轉(zhuǎn)速時(shí)，壓力水平也不足以引起動(dòng)靜干涉。同時(shí)，對(duì)比深蓄水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)靜干涉也于300r/min時(shí)出現(xiàn)，在400r/min時(shí)振動(dòng)增加較快。因此，對(duì)于同一臺(tái)機(jī)組，轉(zhuǎn)速對(duì)于不同位置（下機(jī)架、轉(zhuǎn)輪）動(dòng)靜干涉的影響趨勢(shì)是相近的。

深蓄電站1號(hào)機(jī)組下導(dǎo)瓦安裝間隙為0.406mm；2號(hào)機(jī)組在考慮改善軸系振動(dòng)情況下，下導(dǎo)瓦間隙調(diào)整為0.356mm。下導(dǎo)瓦間隙不同，也將會(huì)引起在相同轉(zhuǎn)速下泵油孔出口壓力也不同，從而導(dǎo)致下機(jī)架振動(dòng)情況也發(fā)生變化，額定轉(zhuǎn)速時(shí)不同瓦間隙下機(jī)架振動(dòng)對(duì)比如表2所示。

表2 調(diào)相工況下機(jī)架振動(dòng)對(duì)比Tab.2 The vibration of lower bracket with different lower guide bearing clearance

從表2可以發(fā)現(xiàn)，下導(dǎo)瓦間隙越小，下機(jī)架振動(dòng)越明顯，18倍頻振動(dòng)值也越大，這是由于泵油孔與下導(dǎo)瓦間隙減小，從而導(dǎo)致泵油孔出口壓力增大，進(jìn)一步加劇了動(dòng)靜干涉的效應(yīng)。

3 下機(jī)架18倍頻振動(dòng)處理措施

3.1 封堵泵油孔

泵油孔將壓力油擠入瓦間隙射向下導(dǎo)瓦瓦面是造成18X激振的根源，所以直接封堵泵油孔，則可消除泵油孔與下導(dǎo)瓦間的動(dòng)靜干涉。但是，原設(shè)計(jì)是將冷油噴向下導(dǎo)瓦瓦面，以進(jìn)行冷卻，油路如圖5所示。因此，若將6個(gè)泵油孔全部進(jìn)行封堵，則有悖于原設(shè)計(jì)意圖，減少了下導(dǎo)瓦的冷卻油來(lái)源，可能進(jìn)一步造成下導(dǎo)瓦瓦溫升高。

圖8 下機(jī)架振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.8 The vibration of lower bracket with different speed

如若采用緊定螺釘M24×30將推力頭上的泵油孔對(duì)稱封堵2個(gè)，使得泵油孔掃過(guò)導(dǎo)瓦時(shí)的時(shí)間間隔發(fā)生改變，但這種不對(duì)稱的泵油孔布置仍有可能產(chǎn)生動(dòng)靜干涉。

當(dāng)Zr=4，Zg=16時(shí)，激發(fā)振動(dòng)模態(tài)的條件為k=0（m=4），k=2（m=3）或k=4（m=4）。即：

則，下機(jī)架的振頻就會(huì)改變?yōu)閒=m·Zr·N，即12X，16X或20X。也就是說(shuō)激振頻始終是存在的，振動(dòng)根源是泵油孔與導(dǎo)瓦的動(dòng)靜干涉。目前，深蓄電站3號(hào)機(jī)組處于安裝階段，將采用對(duì)稱封堵2個(gè)泵油孔的處理方法，以期適當(dāng)減小下機(jī)架振動(dòng)。

3.2 修改泵油孔結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)泵油孔封堵可能性探討，可以確定，取消直接噴向?qū)лS瓦的后傾泵孔，或者改變孔的位置，才是解決下機(jī)架18倍頻的治本之策。如某抽水蓄能電站泵油孔出口設(shè)置為通向油槽，不直接沖擊下導(dǎo)瓦，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 某抽水蓄能電站Z泵油孔結(jié)構(gòu)Fig.9 The structure of oil outlet in Z power station

4 結(jié)束語(yǔ)

本文借助于動(dòng)靜干涉理論，合理解釋了深蓄電站下機(jī)架18倍頻振動(dòng)產(chǎn)生的根源在于下導(dǎo)瓦與泵油孔發(fā)生的動(dòng)靜干涉。

在確定振動(dòng)源的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了機(jī)組轉(zhuǎn)速、徑向間隙等對(duì)下機(jī)架振動(dòng)影響，即：一是，對(duì)于同一臺(tái)機(jī)組，轉(zhuǎn)速對(duì)于不同位置（下機(jī)架、轉(zhuǎn)輪）動(dòng)靜干涉的影響趨勢(shì)相近的。二是，下導(dǎo)瓦與泵油孔間隙（徑向間隙）越近，下機(jī)架振動(dòng)越劇烈。

對(duì)于設(shè)置有泵油孔發(fā)電機(jī)組，建議調(diào)整孔的位置，以避免與導(dǎo)瓦發(fā)生動(dòng)靜干涉現(xiàn)象。

為進(jìn)一步研究下機(jī)架內(nèi)下導(dǎo)瓦與泵油孔動(dòng)靜干涉現(xiàn)象，建議對(duì)下機(jī)架內(nèi)油流進(jìn)行CFD仿真模擬，以更好地為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。