某燈泡貫流式機(jī)組水導(dǎo)軸承異常振動原因分析

肖啟志，黃波，劉暢堯，付亮，謝捷敏

(1.馬跡塘水電廠，湖南益陽413405；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

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組具有適應(yīng)中低水頭,水頭變化大的特點(diǎn),與其他類型機(jī)組相比,在相同的性能參數(shù)條件下,貫流式機(jī)組可適應(yīng)更低的水頭,同時土建工程量少,施工簡單[1-6]。近年來,燈泡貫流式水輪機(jī)在水電的開發(fā)和利用上運(yùn)用得越來越廣泛,并向大容量、高比轉(zhuǎn)速、高效率的方向發(fā)展[7-8],但同時該類型水輪機(jī)在穩(wěn)定性方面的問題出現(xiàn)的也越來越多,其中水導(dǎo)軸承水平振動超標(biāo)問題尤為突出。

引起水輪發(fā)電機(jī)組振動的原因主要包括三個方面[9-13],即機(jī)械因素、電氣因素和水力因素。機(jī)械因素一般包括機(jī)組軸線不正或?qū)χ胁涣肌⑥D(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡、導(dǎo)軸承缺陷或間隙調(diào)整不當(dāng)?shù)?；電氣因素一般包括轉(zhuǎn)子不圓、定子鐵芯壓緊不夠或松動、轉(zhuǎn)子匝間短路等；水力因素一般包括動靜干涉、尾水管渦帶、卡門渦街等。目前對于水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性研究一般有四種方法[14-15],即理論分析、模型試驗、真機(jī)試驗及仿真計算等方法。

1 缺陷簡介

某水電廠裝有3臺18 MW燈泡貫流式機(jī)組,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速75 r/min,額定水頭6.55 m,額定流量312 m/s,該機(jī)組水導(dǎo)軸承通過扇形板固定于內(nèi)配水環(huán)上,扇形板角度為127°。電廠運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)3臺機(jī)組均存在水導(dǎo)軸承水平振動間歇性異常增大情況,即水導(dǎo)軸承水平振動存在突然上升情況,維持一段時間后,又恢復(fù)正常,異常振動與運(yùn)行工況無明顯關(guān)系。

2 故障分析

電廠3號機(jī)組水導(dǎo)軸承間歇性異常振動問題最為突出,因此選擇3號機(jī)組開展研究分析。

2.1 隨負(fù)荷變化趨勢分析

相同水頭下,水導(dǎo)軸承正常運(yùn)行工況及異常振動工況的振動位移隨負(fù)荷變化趨勢如圖1所示,兩種工況趨勢相反。水導(dǎo)軸承發(fā)生異常振動時,振動幅值明顯大于正常運(yùn)行工況的振動幅值。水導(dǎo)軸承正常運(yùn)行時,振動位移隨負(fù)荷增大而增大；水導(dǎo)軸承發(fā)生異常振動時,振動位移隨負(fù)荷增大而減小。

2.2 波形及頻率分析

對比正常工況及異常工況水導(dǎo)軸承波形頻譜圖(圖2、圖3),分析結(jié)果表明:正常運(yùn)行工況,水導(dǎo)軸承振動主頻為轉(zhuǎn)頻,1.25 Hz；異常振動工況,水導(dǎo)軸承振動轉(zhuǎn)頻分量增幅明顯,且出現(xiàn)2倍頻、3倍頻、4倍頻等分量。

圖2 正常工況水導(dǎo)軸承水平振動波形頻譜圖

圖3 異常工況水導(dǎo)軸承水平振動波形頻譜圖

通過高通濾波方式提取了水導(dǎo)軸承正常振動時及異常振動時水導(dǎo)軸承振動、轉(zhuǎn)輪室振動高頻信號分量 (大于10倍頻即12.5 Hz信號),結(jié)果表明,水導(dǎo)軸承正常振動工況時,高濾波處理后的轉(zhuǎn)輪室振動特征表現(xiàn)為白噪音波形特征。但水導(dǎo)軸承異常振動工況時,高通濾波處理后的轉(zhuǎn)輪室振動存在明顯的脈沖波形特征 (如圖4—5所示)。高通濾波可以濾除由于機(jī)械、電氣、水力等因素引起的常規(guī)振動分量,轉(zhuǎn)輪室振動出現(xiàn)脈沖特征波形通常是由轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室發(fā)生碰磨引起,即由轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室直接發(fā)生碰磨或葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙卡有異物引起。

圖4 正常工況高通濾波后波形

圖5 異常工況高通濾波后波形

轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室直接發(fā)生碰磨常發(fā)生于機(jī)組存在槳葉軸套磨損嚴(yán)重、轉(zhuǎn)輪室間隙偏小時,若存在上述情況,將出現(xiàn)機(jī)組帶特定負(fù)荷時發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室碰磨情況。該現(xiàn)象與該機(jī)組水導(dǎo)軸承間隙性異常振動特征不相符合,因此葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙卡有異物是引起水導(dǎo)軸承異常振動的主要原因。

為了進(jìn)一步分析異常工況的發(fā)生規(guī)律,統(tǒng)計了該機(jī)組某個月內(nèi)水導(dǎo)軸承連續(xù)7次出現(xiàn)異常振動的情況,統(tǒng)計內(nèi)容包括:異常振動前轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形,異常振動發(fā)生時轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形,異常振動消失后轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形。統(tǒng)計結(jié)果表明:所有水導(dǎo)軸承異常振動過程基本一致,異常振動前轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形呈現(xiàn)白噪聲特征；異常振動發(fā)生時轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形出現(xiàn)明顯脈沖特征,機(jī)組存在碰磨特征；異常振動消失后轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形恢復(fù)白噪聲特征。

3 現(xiàn)場檢查及原因分析

3.1 現(xiàn)場檢查

2018年7月30日,該機(jī)組再度出現(xiàn)水導(dǎo)軸承水平振動異常增大情況,電廠采取調(diào)整負(fù)荷及重新開停機(jī)措施,水導(dǎo)軸承水平振動情況仍未改善,電廠臨時停機(jī)排水進(jìn)入流道檢查。檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室與槳葉間夾有拖鞋、塑料等異物,清除后開機(jī)運(yùn)行正常。分析此次水導(dǎo)軸承異常振動時機(jī)組的振動波形,和前文所描述的現(xiàn)象一致,異常振動發(fā)生時轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形出現(xiàn)明顯脈沖特征,機(jī)組存在碰磨特征；異物處理后,水導(dǎo)軸承水平振動恢復(fù)正常,轉(zhuǎn)輪室振動高通濾波波形也恢復(fù)白噪聲特征。該現(xiàn)象也進(jìn)一步說明引起水導(dǎo)軸承間歇性異常振動的主要原因是葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙卡有異物。

3.2 轉(zhuǎn)輪室頻繁卡異物原因

該機(jī)組存在水導(dǎo)軸承頻繁異常振動情況,汛期尤為頻繁,通過統(tǒng)計該機(jī)組2016年4月份運(yùn)行數(shù)據(jù),僅一個月內(nèi)出現(xiàn)異常振動情況達(dá)20余次。通過分析可知,轉(zhuǎn)輪室卡異物是引起水導(dǎo)軸承異常振動的原因,即該機(jī)組存在頻繁的轉(zhuǎn)輪室卡異物情況。

為分析轉(zhuǎn)輪室頻繁卡異物原因,無水工況下,對轉(zhuǎn)輪室及槳葉進(jìn)行檢查。檢查機(jī)組槳葉開關(guān)情況發(fā)現(xiàn),槳葉全關(guān)時,槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙僅有3～5 mm間隙,但槳葉全開時,槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙超過10 cm,槳葉開關(guān)過程出現(xiàn)槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室卡塞異物。通常燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室球面段設(shè)計應(yīng)確保槳葉動作范圍內(nèi)槳葉裙邊均應(yīng)在球面段內(nèi),即全關(guān)至全開過程槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙基本為一固定值,但該機(jī)組轉(zhuǎn)輪室球面段設(shè)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(zhuǎn)輪室出現(xiàn)較大間隙。

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

3.3 水導(dǎo)軸承間歇性異常振動原因

水導(dǎo)軸承間歇性異常振動的主要原因是由于葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙卡有異物引起。機(jī)組轉(zhuǎn)輪室球面段設(shè)計面積過小,造成槳葉全開時槳葉裙邊超出球面范圍,槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)較大間隙,并引起槳葉開關(guān)過程存將導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室與槳葉間頻繁卡塞異物,水導(dǎo)軸承頻繁出現(xiàn)異常振動情況。

4 處理措施

1)提升清渣能力。增設(shè)攔污排,減少污渣進(jìn)入流道的風(fēng)險；提升攔污柵前清渣能力,增大清渣頻次或增設(shè)自動動水清渣功能；針對部分機(jī)組柵口間距偏大情況,應(yīng)結(jié)合檢修機(jī)會,加密柵條,減小柵口間距。

2)優(yōu)化異常振動處理措施。①當(dāng)機(jī)組水導(dǎo)軸承出現(xiàn)異常振動時,電廠通常采用降低負(fù)荷、調(diào)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(dǎo)軸承水平振動越來越大,惡化機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。建議機(jī)組出現(xiàn)異常振動時,盡量將槳葉開度增大,增大槳葉裙邊與轉(zhuǎn)輪室間隙,將異物盡可能沖走,必要時停機(jī)清理異物。②電廠汛期經(jīng)常動水清渣,清渣時可能將異物擠壓進(jìn)入流道,進(jìn)而造成機(jī)組異常振動。建議電廠盡量在停機(jī)時開展清渣作業(yè),采取動水清渣作業(yè)時,應(yīng)避免調(diào)整負(fù)荷操作。

3)開展技術(shù)改造。可考慮開展水輪機(jī)改造,增大轉(zhuǎn)輪室球面段面積,確保槳葉動作范圍內(nèi)槳葉裙邊均在球面段內(nèi),同時還可提升水輪機(jī)效率和出力。