再談草林沖電站1#機(jī)組擺度增大原因

曾游生

（江西遂川草林沖水電有限責(zé)任公司，江西 遂川 343900）

0 概述

草林沖水電站位于江西省遂川縣境內(nèi)，是遂川江左溪河徑流式日調(diào)節(jié)電站。設(shè)計(jì)水頭21 m，每臺(tái)機(jī)組過(guò)水能力8.1 m3/s，裝有4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào) HL240-LJ-120，發(fā)電型號(hào)TSL260/40-24，總裝機(jī)為5000 kW。電站建成于1985年。電站1#機(jī)組于1987年2月至1990年6月，經(jīng)反復(fù)多次安裝，基本符合《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》（SDJ81-79）的要求和設(shè)計(jì)規(guī)定，通過(guò)了驗(yàn)收、并入電網(wǎng)發(fā)電。

筆者在“草林沖電站1#機(jī)組擺度增大原因初步分析”（《水力機(jī)械技術(shù)》1991年第1期）一文中，對(duì)該機(jī)組安裝過(guò)程中存在的一些問(wèn)題作了初步分析，并指出該機(jī)組擺度增大的主要原因之一是磁拉力不平衡，同時(shí)也指出該機(jī)組帶負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)各部擺度均偏大且接近調(diào)整間隙值。

1 機(jī)組運(yùn)行中存在的問(wèn)題

1990年11月下旬，投入運(yùn)行僅3個(gè)多月的1#機(jī)組因主軸擺度增大和巴氏合金瓦溫度升高超過(guò)允許值而提前進(jìn)行擴(kuò)大性大修。機(jī)組解體拆卸時(shí)，電站檢修人員和工程技術(shù)人員對(duì)上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)，上、下迷宮間隙，機(jī)組中心，各部圓度、水平度，推力瓦、導(dǎo)軸瓦磨損狀況等進(jìn)行了詳盡測(cè)量和記錄。出現(xiàn)異常：上導(dǎo)雙面間隙由設(shè)計(jì)調(diào)整的0.16 mm增大至0.23 mm，下導(dǎo)雙面間隙由設(shè)計(jì)調(diào)整的 0.20 mm 增大至 0.30 mm，且上、下導(dǎo)雙面間隙均是X-X方向較大，尤以X-X方向稍偏Ⅰ-Ⅲ象限為最大；水導(dǎo)間隙變化較小，但-X側(cè)稍偏-Y方向筒式瓦面磨損較嚴(yán)重。

為便于分析，對(duì)“草林沖電站1#機(jī)組擺度增大原因初步分析”一文作一回顧，將1990年1月（更換14個(gè)磁極前）和1990年7月（最后一次安裝更換14個(gè)磁極后）所做的升速試驗(yàn)、額定轉(zhuǎn)速下的升壓試驗(yàn)、分階段帶負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的擺度曲線(xiàn)繪于圖1、圖2、圖3。其中實(shí)線(xiàn)1、2、3為1990年1月上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)試驗(yàn)擺度曲線(xiàn)，虛線(xiàn) 1'、2'、3'為 1990 年 7 月上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)試驗(yàn)擺度曲線(xiàn)。

從圖1可知，機(jī)組各部軸承處擺度基本與轉(zhuǎn)速的平方值成正比，其增長(zhǎng)速度以下導(dǎo)為大、水導(dǎo)次之，且不論是14個(gè)被打磨過(guò)磁極掌（靴）面的磁極在更換前，還是在更換后。

從圖2可知，更換磁極前，機(jī)組各部擺度隨勵(lì)磁電流（或機(jī)端電壓）的增大而增大，尤以下導(dǎo)為最。更換磁極后，這一變化規(guī)律已不完全適應(yīng)，但下導(dǎo)X方向大致符合，且X方向的擺度比Y方向大一倍以上而接近調(diào)整間隙值。

從圖3可知，隨著負(fù)荷的增加，上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度變化不大，且較平穩(wěn)，但下導(dǎo)X方向與Y方向差異很大（擺度值成倍數(shù)關(guān)系）；水導(dǎo)擺度則隨負(fù)荷增加而增大，在負(fù)荷為900～1100 kW時(shí)擺度最大且接近調(diào)整間隙值。

圖1 1#機(jī)組升速試驗(yàn)擺度曲線(xiàn)

綜上所述，更換14個(gè)被打磨過(guò)磁極掌（靴）面的轉(zhuǎn)子磁極前，影響機(jī)組擺度增大的原因主要有磁拉力、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量、水力等不平衡。而更換磁極后的原因主要為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量不平衡，水力不平衡。

2 擺度增大和瓦溫升高的原因分析

1#機(jī)組擴(kuò)大性大修解體拆卸時(shí)，整體盤(pán)車(chē)測(cè)得的回轉(zhuǎn)軸全擺數(shù)值與安裝規(guī)范允許值相比較，下導(dǎo)軸頸處超過(guò)達(dá)60%，水導(dǎo)軸頸處超過(guò)達(dá)40%以上。上、下迷宮原安裝調(diào)整間隙及解體拆卸時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，繪于圖4、圖5，推力頭與分半卡環(huán)的端面間隙測(cè)量數(shù)據(jù)繪于圖6。

1#機(jī)組設(shè)計(jì)及制造參數(shù)：水輪機(jī)型號(hào)HL240-LJ-120，D1＝1200 mm，n＝250 r/min，H＝21 m，Q＝8.1 m3/s，Nr＝1250 kW；轉(zhuǎn)輪上環(huán)直徑 1038 mm，高度 50 mm，2溝槽；下環(huán)直徑1380 mm，高度70 mm，3溝槽；加工精度▽4，迷宮單邊設(shè)計(jì)間隙 1.0～1.2 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[1］、[2］之理論分析和計(jì)算方法，及HL240-LJ-120水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、制造參數(shù)等，依據(jù)實(shí)測(cè)上、下迷宮的間隙值（計(jì)算過(guò)程從略），可求得：上迷宮間隙內(nèi)、側(cè)向水推力為93 N，φ＝+182°；下迷宮間隙內(nèi)、側(cè)向水推力為 383 N，φ＝+183°。

上述二力對(duì)水導(dǎo)中心取矩分別為：

因迷宮間隙的大小差異而產(chǎn)生的側(cè)向水推力的方向由小間隙側(cè)指向大間隙側(cè)，所以1#機(jī)組上、下迷宮內(nèi)的側(cè)向水推力的合力為+X側(cè)指向-X側(cè)稍偏向-Y側(cè)2°～3°。因此，作用在水導(dǎo)軸瓦-X側(cè)的附加不平衡力達(dá)476 N，軸彎矩543 Nm。受此二不平衡力的作用，轉(zhuǎn)輪軸端向-X方向彎曲變形、撓度約0.02 mm，水導(dǎo)與下導(dǎo)之間的回轉(zhuǎn)軸向+X方向彎曲變形，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子向-X方向彎曲變形，且由于不平衡力的方向不變，所以轉(zhuǎn)動(dòng)部分回轉(zhuǎn)軸在鉛直平面內(nèi)始終保持這一弓狀，主軸內(nèi)應(yīng)力交替變化，其頻率 f＝n/60。

圖3 1#機(jī)組分階段帶負(fù)荷試驗(yàn)擺度曲線(xiàn)

水導(dǎo)、下導(dǎo)、上導(dǎo)軸瓦在X軸方向受到橫向干擾力作用，引起振擺增大。側(cè)向水推力的作用還使主軸盤(pán)根密封磨損加劇，引發(fā)漏水，乃至噴水射入轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi)，破壞了水導(dǎo)的潤(rùn)滑油質(zhì)量，造成機(jī)組故障停機(jī)。

主軸內(nèi)應(yīng)力的交替變化，作用在水法蘭聯(lián)接處，其效應(yīng)：一是連軸螺栓內(nèi)拉應(yīng)力交替變化；二是盤(pán)車(chē)處理擺度時(shí)在水、法蘭面之間加入的紫銅片內(nèi)壓應(yīng)力交替變化。由于紫銅的抗壓強(qiáng)度較主軸低，當(dāng)壓縮變形后，可引起機(jī)組擺度增大。主軸的彎曲變形還使得推力頭鏡板與推力瓦面不再平行而形成一微小的楔角，導(dǎo)致各推力瓦受力不均勻。另外，因推力頭與卡環(huán)處端面的一側(cè)連續(xù)超過(guò)1/4環(huán)周長(zhǎng)存在間隙（已超過(guò)安裝規(guī)范規(guī)定允許值）的影響，也使推力瓦受力發(fā)生周期性變化。前述二力的共同作用可引起支持螺釘因受外干擾力作用而誘發(fā)振動(dòng)，瓦溫升高、振擺增大。

圖4 上迷宮實(shí)測(cè)間隙

圖5 下迷宮實(shí)測(cè)間隙

根據(jù)以上計(jì)算、分析可知：

（1）轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙內(nèi)產(chǎn)生一指向-X方向的側(cè)向不平衡水推力F＝476 N，彎矩M＝543 Nm。

（2）水力不平衡仍有一定影響。

（3）推力頭與卡環(huán)接觸端面存在間隙使推力瓦受力發(fā)生周期性變化。

受上述3個(gè)方面振源力的共同作用，機(jī)組振擺增大，瓦溫升高。側(cè)向不平衡水推力使機(jī)組在X方向鉛垂面內(nèi)使回轉(zhuǎn)軸形成一弓狀，造成X方向的振擺大于Y方向的振擺，這一不正常運(yùn)行工況可從下導(dǎo)各種工況下的擺度測(cè)試數(shù)值X方向較Y方向大一倍，及水導(dǎo)-X方向筒式瓦面磨損較嚴(yán)重現(xiàn)象得到印證。

圖6 推力頭與分半卡環(huán)端面實(shí)測(cè)間隙

3 迷宮間隙增大及偏差過(guò)大的原因分析

導(dǎo)致下迷宮間隙實(shí)際值誤差大的主要因素：施測(cè)時(shí)只能從尾水管內(nèi)向上繞過(guò)轉(zhuǎn)輪葉片，再?gòu)较虼┻^(guò)底環(huán)與下環(huán)的空隙再旋轉(zhuǎn)180°后，使用彎制成倒“L”形塞尺插入后劃動(dòng)估測(cè)（實(shí)際上只能測(cè)得最小間隙值），而當(dāng)時(shí)僅用了0.75 mm、1.00 mm兩種規(guī)格的塞尺測(cè)量間隙值，測(cè)量精度較差。

形成上、下固定迷宮環(huán)中心偏心過(guò)大的原因主要：金屬蝸殼分節(jié)與座環(huán)運(yùn)輸至工地現(xiàn)場(chǎng)后再拼裝，施工安裝單位對(duì)組裝、施焊工藝控制不嚴(yán)，造成座環(huán)變形所致。

4 大修處理

大修處理過(guò)程中，使用特制中心架、鋼絲線(xiàn)測(cè)量機(jī)組中心。

（1）對(duì)上、下固定迷宮環(huán)內(nèi)圓周環(huán)立面進(jìn)行多次堆焊、打磨等細(xì)致處理，使上、下固定迷宮環(huán)的圓度不大于5%轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)設(shè)計(jì)間隙，同心度不大于0.15 mm。

（2）調(diào)整發(fā)電機(jī)定子、上、下機(jī)架的中心符合安裝規(guī)范規(guī)定要求。

（3）通過(guò)預(yù)裝，使轉(zhuǎn)輪上、下迷宮環(huán)間隙控制在實(shí)際平均間隙值的±20%以?xún)?nèi)，并沿圓周向軸對(duì)稱(chēng)。

（4）更換不符合要求的分半卡環(huán)。

（5）處理轉(zhuǎn)軸擺度，并控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

（6）調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)部分中心線(xiàn)使其與水輪發(fā)電機(jī)組中心線(xiàn)重合。

圖7 1#機(jī)組分階段帶負(fù)荷試驗(yàn)擺度曲線(xiàn)（擴(kuò)大性大修后）

1991年1月，經(jīng)過(guò)大修后的1#機(jī)組投入正常發(fā)電運(yùn)行。大修后，1#機(jī)組分階段帶負(fù)荷試驗(yàn)曲線(xiàn)繪于圖7，其中實(shí)線(xiàn)1、2、3分別表示上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度曲線(xiàn)。從運(yùn)行過(guò)程中測(cè)試的瓦溫、振動(dòng)、擺度、水壓力波動(dòng)、機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定性等各項(xiàng)參數(shù)分析，該機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)符合部頒規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)定要求，且至今已安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行近20年。

5 結(jié)語(yǔ)

本文經(jīng)過(guò)草林沖電站1#機(jī)組擺度增大、瓦溫升高的各個(gè)因素分析，得出如下結(jié)論：

（1）造成該機(jī)組運(yùn)行擺度持續(xù)增大及瓦溫升高的主要原因是磁極靴面被打磨后改變了氣隙磁場(chǎng)正弦分布規(guī)律而產(chǎn)生的磁拉力不平衡。

（2）轉(zhuǎn)輪上、下迷宮間隙值偏差過(guò)大產(chǎn)生的側(cè)向水推力作用。

（3）推力頭卡環(huán)處端面一側(cè)存在過(guò)大間隙也具有一定影響，而轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量不平衡及水力不平衡雖具有一定的影響，但作用較小。

[1］曾游生.草林沖電站1#機(jī)組擺度增大原因初步分析[J］.水力機(jī)械技術(shù)，1991（1）.

[2］王珂崙.水力機(jī)組振動(dòng)[M］.北京：水利電力出版社，1986.10.

[3］華東水利學(xué)院.水輪機(jī)[M］.北京：水利電力出版社，1984.6.

[4］陳造奎.水力機(jī)組安裝與檢修[M］.北京：水利電力出版社，1987.11.

[5］李華文，姜德年，程官華.小水電技術(shù)問(wèn)答[M］.北京：水利電力出版社 1987.9.