燈泡貫流式機組水導軸承異常振動原因分析

孟凡輝

中廣核漢江水電開發(fā)有限公司 陜西安康 725000

燈泡貫流式機組是一種適用于開發(fā)3-25m水頭的水輪發(fā)電機組。燈泡貫流式機組的振動一般由水力、機械及電氣等多方面因素引起，此外，由于制造、安裝等原因，可能造成機組轉動部分重量不平衡、離心力不平衡或協(xié)聯(lián)關系不匹配等因素，也有可能引起機組的異常振動。水電機組的振動、擺度幅值超標，將嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行，因此，分析機組振動的原因，幵采取措施減輕機組振動，對于保證機組安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機組具有適應中低水頭、水頭變化大的特點，與其他類型機組相比，在相同的性能參數條件下，貫流式機組可適應更低的水頭，同時土建工程量少，施工簡單。燈泡貫流式機組最明顯的特征就是大型薄殼外壓容器，機組主要承重部件是管型座，一般在定子外殼還設置有兩個水平輔助支撐對定子外殼進行支撐固定；，該結構造成燈泡貫流式機組水平徑向支撐普遍較弱，并導致大部分燈泡貫流式機組水導軸承水平振動偏大，甚至出現超標情況[1]。

水導軸承振動超標，可能造成水導軸承疲勞失效。疲勞失效是各種機械設備的主要失效形式。研究表明超過一半的機械事故都是由疲勞失效引起的。在實際應用中，因各模型等效應力幅計算方法的不同，都有各自適用的材料種類和壽命預測范圍。比如，Gerber模型適用于塑性材料；Goodman模型適用于金屬材料，同時該模型計算快捷簡單，目前廣泛應用于各種金屬材料疲勞計算分析。

1 電站概況

漢江白河（夾河）水電站工程位于漢江上游干流湖北省十堰市鄖西縣、陜西省安康市白河縣境內。該水電站項目是漢江上游干流七級開發(fā)方案的最末一級，集發(fā)電、航運及促進地方社會經濟發(fā)展于一體，一方面為湖北省輸送清潔可再生能源，帶動陜西、湖北兩省的經濟發(fā)展，另一方面改善庫區(qū)航道，加強陜鄂地區(qū)的經濟聯(lián)系，為漢江水系航運網建設奠定了基礎。

電站工程水庫為日調節(jié)，正常蓄水位193．73m，水庫總庫容2．67億m3，設計死水位191．73m，相應調節(jié)庫容2142萬m3。電站采用河床式廠房，裝有4臺燈泡貫流式機組，單機容量45MW，總裝機容量180MW。年利用小時數3093/3357h（考慮孤山頂托/不考慮），多年平均發(fā)電量5．5672/6．0425億kW·h（考慮孤山頂托/不考慮）。

白河（夾河）水電站一期主體工程于2015年11月正式開工，工程采用分期導流方式，一期先圍右岸，進行廠房、3孔泄洪閘、右非壩段、魚道及生態(tài)放水孔的施工；二期圍左岸，進行6孔泄洪閘、船閘壩段、左非壩段的施工。2019年11月19日上游二期圍堰順利通過截流驗收并成功截流。當年12月30日首臺機組具備發(fā)電條件，但受二期圍堰蓄水高度限制，此時電站可利用水頭低于水輪發(fā)電機組設計最小水頭6．65m，最小約為5．8m[2]。

2 現場檢查及原因分析

2.1 轉輪室頻繁卡異物原因

該機組存在水導軸承頻繁異常振動情況，汛期尤為頻繁，通過統(tǒng)計該機組份運行數據，僅一個月內出現異常振動情況達20余次。通過分析可知，轉輪室卡異物是引起水導軸承異常振動的原因，即該機組存在頻繁的轉輪室卡異物情況。

為分析轉輪室頻繁卡異物原因，無水工況下，對轉輪室及槳葉進行檢查。檢查機組槳葉開關情況發(fā)現，槳葉全關時，槳葉裙邊與轉輪室間隙僅有3-5mm間隙，但槳葉全開時，槳葉裙邊與轉輪室間隙超過10cm，槳葉開關過程出現槳葉裙邊與轉輪室卡塞異物。通常燈泡貫流式機組轉輪室球面段設計應確保槳葉動作范圍內槳葉裙邊均應在球面段內，即全關至全開過程槳葉裙邊與轉輪室間隙基本為一固定值，但該機組轉輪室球面段設計面積過小，造成槳葉全開時槳葉裙邊超出球面范圍，并引起槳葉裙邊與轉輪室出現較大間隙。

電廠未設置攔污排，大量污渣堆積于攔污柵前，極易通過攔污柵進入流道。若正好出現負荷調整情況，容易出現槳葉裙邊與轉輪室卡塞異物，槳葉開度越小，槳葉裙邊與轉輪室之間的間隙越小，異物也就卡的越緊，轉輪室碰磨特征也更加明顯。這正好能夠說明水導軸承異常振動時，水導軸承振動隨負荷減小呈現增大趨勢的現象。

2.2 卡門渦列引發(fā)機組振動

除了較為常見一些因素，在液體流動過程中也會出現卡門渦列現象，一般都會出現了非線性障礙物的周圍，主要表現為相關變態(tài)渦輪。卡門渦列之中的漩渦就會交替進行順時針或者是進行逆時針的旋轉，同時處在循環(huán)出現以及破壞的過程之中，所以就會對機組造成持續(xù)性的沖擊，旋轉的水流就會構成對于物體垂直交變振動力，并且在燈泡貫流式機組之中體現為葉片尾部受到的交變力，同時因為交變頻率同漩渦頻率一致，就會可能出現交變力頻率同葉片固有頻率相同情況，那么就會造成機組葉片出現共振，也會破壞掉內部轉輪設備前的連接強度。

3 處理措施

3.1 優(yōu)化異常振動處理措施

①當機組水導軸承出現異常振動時，電廠通常采用降低負荷、調小開度措施，但該處理方法可能造成卡塞的異物越夾越緊，同時水導軸承水平振動越來越大，惡化機組運行狀態(tài)。建議機組出現異常振動時，盡量將槳葉開度增大，增大槳葉裙邊與轉輪室間隙，將異物盡可能沖走，必要時停機清理異物。②電廠汛期經常動水清渣，清渣時可能將異物擠壓進入流道，進而造成機組異常振動。建議電廠盡量在停機時開展清渣作業(yè)，采取動水清渣作業(yè)時，應避免調整負荷操作[3]。

3.2 開展技術改造

可考慮開展水輪機改造，增大轉輪室球面段面積，確保槳葉動作范圍內槳葉裙邊均在球面段內,同時還可提升水輪機效率和出力。