灯泡贯流式水轮发电机组稳定性测试与分析

周斌，万天虎，李华

（1.大唐定边风电厂，陕西定边718600；2.陕西电力科学研究院，陕西西安710054）

灯泡贯流式水轮机[1-4]具有适用水头低、过机流量大以及效率高等特点，一般用于开发低水头、大流量的水力资源，水头适应范围为5～25m。机组结构与常规的混流式和轴流转桨式机组存在较大的区别，整个机组为卧式布置，发电机组横向布置在流道中，典型结构如图1所示。灯泡贯流式流道顺直，流场分布较均匀，水力效率较高，在相同的容量下尺寸比立式机组小得多，机组重量轻，土建工程量小，节省投资。近年来机组单机容量越来越大，目前已投产广西桥巩电站机组单机容量为57 MW，是国内最大的灯泡贯流式机组。

灯泡机组整体均在流道中，其中灯泡体是灯泡贯流式机组的核心部分，它外部作为过水流道的一部分内部布置机组大轴、轴承、发电机定子、转子等部件。灯泡体是大型的薄壳外压容体结构，承受水压力、转动以及固定部分重量。由于机组转动惯量小，使得Tw（水流惯性时间常数）/Ta（机组惯性时间常数）值较大，水轮机水力振动对机组振动的影响也比较大，因此，灯泡贯流式机组的水力振动是影响机组运行稳定性的重要原因。另外由于制造、安装等原因可能造成机组转动部分重量不平衡，离心力不平衡以及协联关系不匹配都是引起机组运行不稳定的常见原因。通过测试，可全面分析出机组的运行状况，为机组的检修、运行提供可靠依据[5-6]。

1 机组运行稳定性要求

1）《GB/T8564—2003水轮发电机组安装技术规范》第15.3条第15.3.1-d)款规定：测量机组运行摆度（双振幅），其值应不大于75%的轴承总间隙。

2）GB/T8564—2003第15.3条第15.3.1-e） 款规定：对转速小于250~375 r/min的机组测量机组振动，水导、发导轴承振动不能超过80μm，发导轴承轴向振动不能超过80μm；灯泡头水平振动不超过100μm；以上振动限定值为除过速运行以外的各种稳定运行工况下的双振幅值。

3）《水轮发电机基本技术条件GB/T7894-2001》第4.3.10条规定：在水轮发电机出口处上方垂直距离1m处测量的噪声水平，应不超过85dB（A）。

4）《水轮机基本技术条件GB/T 15468—2006》第5.8条规定：水轮机正常运行时，在转轮室周围1m处所测得的噪声不应大于90 dB。

2 测试内容及测点布置

2.1 测试项目

2.1.1 变转速试验

试验时把机组转速分别调整至60%、80%、100%、110%的额定转速，每工况下要稳定运行5min，观测分析机械因素（转子质量不平衡）对机组振动的影响。试验过程中发电机转子不加励磁，机组在上述不同转速运行稳定后，测量机组各部位的振动、大轴摆度。

2.1.2 变励磁试验

机组以额定转速运行，试验时励磁电流分别调整至发电机空载额定电压对应的励磁电流的0%、50%、100%，实测试验中励磁电压变化，每工况要稳定运行5min，观测分析电气因素（磁拉力不平衡）对机组振动的影响。

2.1.3 变负荷试验

机组从并网后空载运行开始，负荷一般以10%额定负荷为步长，从空载逐步增加至额定负荷。每个工况稳定运行5min。在额定转速和额定励磁工况下机组运行试验，主要分析机组带负荷情况下运行情况，确定振区范围。

2.2 测点布置

2.2.1 大轴摆度测点

1）受油器处摆度测点（X、Y方向各一个）：传感器支架固定在受油器外罩处。

2）发电机轴承摆度测点（X、Y方向各一个）：传感器支架固定在轴承外壳上。

3）水轮机轴承摆度测点（X、Y方向各一个）：传感器支架固定在轴承外壳上。

4）大轴摆度键相测点：传感器支架固定在水导轴承外壳上，与水导摆度测点位置一致。

2.2.2 振动测点

1）灯泡头轴向振动，灯泡头+X方向（水平传感器）。

2）灯泡头径向振动，灯泡头+X方向（垂直传感器）。

图1 灯泡贯流式机组典型结构图Fig.1 The structure diagram of bulb turbine generating unit

3）发电机导轴承径向振动，+Y方向（垂直传感器）。

4）发电机导轴承（组合轴承）轴向振动，+X方向（水平传感器）。

5）水轮机导轴承径向振动，+Y方向（垂直传感器）。

6）水轮机导轴承径向振动，+X方向（水平传感器）。

7）转轮室径向振动，+Y方向（垂直传感器）。

8）转轮室径向振动，+X方向（水平传感器）。

2.2.3 压力测点

1）导叶进口前：压力传感器安装在水压测量盘上；

2）尾水进口：压力传感器安装在水压测量盘上。

2.2.4 噪音测点

1）灯泡头；

2）发电机出口1m处；3）发电机层；

4）转轮室上方1m处。

3 测试实例分析

3.1 机组基本参数

机组基本参数见表1。

表1 机组基本参数Tab.1 Basic parameters of the unit

3.2 变转速试验

提取机组在空转状态60%、80%、100%以及110%转速下大轴摆度、水导轴承支架振动转频分量，得到转频分量与转速平方关系图2。

根据转速平方变化趋势，总体上不随着转速的升高呈线性上升，动平衡问题对机组稳定运行影响很小，基本上不存在明显的动平衡问题。

图2 振动、摆度转频分量与转速平方关系图Fig.2 The relational graph between the rotating frequency components of the vibration,throw and square of rotating speed

3.3 变励磁试验

图3 为励磁电压与振动摆度关系曲线。从曲线中可以看出：随着励磁电压的变化机组大轴摆度以及灯泡头、轴承支架振动变化不明显，不存在明显的磁拉力不平稳问题。

图3 励磁与振动摆度关系曲线Fig.3 Relationship curve between excitation w ith vibration

3.4 变负荷试验

图4 为大轴摆度随负荷变化曲线，在75%（35MW）以下负荷机组大轴摆度随着负荷的变化基本没有变化，当机组负荷超过75%时水导处两个方向大轴摆度增大，而在离转轮最远的受油器部位的大轴摆度无明显变化。根据图5的振动情况来看，同样在75%以下各部位振动基本无明显变化，负荷超过75%以后轴承振动、转轮室振动随着负荷的增大逐步增大，灯泡头水平振动、发导（推力）轴向振动在所有负荷工况下基本没有变化。带负荷工况下灯泡头、导轴承以及转轮室径向振动均存在频率为10.3Hz（5倍转频）的振动分量，其中灯泡头、转轮室径向振动以10.3Hz为主，振幅变化趋势与尾水进口压力脉动变化趋势一致。

图4 大轴摆度幅值随负荷变化曲线图Fig.4 Curve graph of the axis throw w ith the loads

图5 机组振动幅值随负荷变化曲线图Fig.5 Curve graph of the vibration amp litude of unitsw ith the loads

图6 为压力脉动随负荷变化过程曲线，在负荷超过65%（30 MW）时尾水压力脉动逐步增加，活动导叶进口处压力脉动无明显变化，尾水压力脉动变化过程与振动变化趋势基本一致。

图6 机组压力脉动幅值随负荷变化曲线图Fig.6 Curve graph of pressure fluctuation am plitude of unitsw ith the loads

图7 转轮室振动与尾水进口压力脉动Fig.7 The vibration at runner chamber and pressure fluctuation at entrance of the draft tube

根据图7所示的转轮室振动与尾水进口压力脉动的原始波形分析，振动的波形与频率与尾水压力脉动基本一致，说明尾水压力脉动是引起机组转轮室、水导轴承振动的原因，这与常规混流式机组、轴流式机组一样，但是对于混流、轴流式机组一般尾水压力脉动较大的工况应该在部分工况下（30%~50%负荷），而试验对象机组负荷越大尾水压力脉动越大，与常规的混流式、轴流转桨式机组有明显区别。

3.5 噪音测试结果

根据空载工况、20 MW、44MW负荷的噪音测量结果（表2），在20 MW、44 MW负荷下转轮室噪音超过标准，在44 MW发电机出口噪音超标。

表2 噪音测试结果Tab.2 Test results of noise dB

4 结语

从试验机组实测结果分析，尾水压力脉动随着机组负荷的增大而增大，与混流式机组在部分负荷工况下尾水压力脉动较大不同，尾水进口压力脉动会直接引起转轮室振动。

根据噪音测量结果，存在噪音超标的情况，特别是在灯泡头噪音较大超过100 dB，在日常工作中工作人员配备相应的劳保用品，做好噪音的防护工作。

对于转轮室振动幅值目前无明确的国家和行业标准，为确保机组安全，在对机组转轮室结构、材料、应力综合分析以及测试的基础上，制定机组转轮室振动的运行标准，以及制定相应的技术措施。

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