再谈草林冲电站1#机组摆度增大原因

曾游生

（江西遂川草林冲水电有限责任公司，江西 遂川 343900）

0 概述

草林冲水电站位于江西省遂川县境内，是遂川江左溪河径流式日调节电站。设计水头21 m，每台机组过水能力8.1 m3/s，装有4台立轴混流式水轮发电机组，水轮机型号 HL240-LJ-120，发电型号TSL260/40-24，总装机为5000 kW。电站建成于1985年。电站1#机组于1987年2月至1990年6月，经反复多次安装，基本符合《电力建设施工及验收技术规范》（SDJ81-79）的要求和设计规定，通过了验收、并入电网发电。

笔者在“草林冲电站1#机组摆度增大原因初步分析”（《水力机械技术》1991年第1期）一文中，对该机组安装过程中存在的一些问题作了初步分析，并指出该机组摆度增大的主要原因之一是磁拉力不平衡，同时也指出该机组带负荷试验时各部摆度均偏大且接近调整间隙值。

1 机组运行中存在的问题

1990年11月下旬，投入运行仅3个多月的1#机组因主轴摆度增大和巴氏合金瓦温度升高超过允许值而提前进行扩大性大修。机组解体拆卸时，电站检修人员和工程技术人员对上导、下导、水导，上、下迷宫间隙，机组中心，各部圆度、水平度，推力瓦、导轴瓦磨损状况等进行了详尽测量和记录。出现异常：上导双面间隙由设计调整的0.16 mm增大至0.23 mm，下导双面间隙由设计调整的 0.20 mm 增大至 0.30 mm，且上、下导双面间隙均是X-X方向较大，尤以X-X方向稍偏Ⅰ-Ⅲ象限为最大；水导间隙变化较小，但-X侧稍偏-Y方向筒式瓦面磨损较严重。

为便于分析，对“草林冲电站1#机组摆度增大原因初步分析”一文作一回顾，将1990年1月（更换14个磁极前）和1990年7月（最后一次安装更换14个磁极后）所做的升速试验、额定转速下的升压试验、分阶段带负荷试验时的摆度曲线绘于图1、图2、图3。其中实线1、2、3为1990年1月上导、下导、水导试验摆度曲线，虚线 1'、2'、3'为 1990 年 7 月上导、下导、水导试验摆度曲线。

从图1可知，机组各部轴承处摆度基本与转速的平方值成正比，其增长速度以下导为大、水导次之，且不论是14个被打磨过磁极掌（靴）面的磁极在更换前，还是在更换后。

从图2可知，更换磁极前，机组各部摆度随励磁电流（或机端电压）的增大而增大，尤以下导为最。更换磁极后，这一变化规律已不完全适应，但下导X方向大致符合，且X方向的摆度比Y方向大一倍以上而接近调整间隙值。

从图3可知，随着负荷的增加，上导、下导摆度变化不大，且较平稳，但下导X方向与Y方向差异很大（摆度值成倍数关系）；水导摆度则随负荷增加而增大，在负荷为900～1100 kW时摆度最大且接近调整间隙值。

图1 1#机组升速试验摆度曲线

综上所述，更换14个被打磨过磁极掌（靴）面的转子磁极前，影响机组摆度增大的原因主要有磁拉力、机组转动部分重量、水力等不平衡。而更换磁极后的原因主要为机组转动部分重量不平衡，水力不平衡。

2 摆度增大和瓦温升高的原因分析

1#机组扩大性大修解体拆卸时，整体盘车测得的回转轴全摆数值与安装规范允许值相比较，下导轴颈处超过达60%，水导轴颈处超过达40%以上。上、下迷宫原安装调整间隙及解体拆卸时测得的数据，绘于图4、图5，推力头与分半卡环的端面间隙测量数据绘于图6。

1#机组设计及制造参数：水轮机型号HL240-LJ-120，D1＝1200 mm，n＝250 r/min，H＝21 m，Q＝8.1 m3/s，Nr＝1250 kW；转轮上环直径 1038 mm，高度 50 mm，2沟槽；下环直径1380 mm，高度70 mm，3沟槽；加工精度▽4，迷宫单边设计间隙 1.0～1.2 mm。

根据文献[1］、[2］之理论分析和计算方法，及HL240-LJ-120水轮机的设计、制造参数等，依据实测上、下迷宫的间隙值（计算过程从略），可求得：上迷宫间隙内、侧向水推力为93 N，φ＝+182°；下迷宫间隙内、侧向水推力为 383 N，φ＝+183°。

上述二力对水导中心取矩分别为：

因迷宫间隙的大小差异而产生的侧向水推力的方向由小间隙侧指向大间隙侧，所以1#机组上、下迷宫内的侧向水推力的合力为+X侧指向-X侧稍偏向-Y侧2°～3°。因此，作用在水导轴瓦-X侧的附加不平衡力达476 N，轴弯矩543 Nm。受此二不平衡力的作用，转轮轴端向-X方向弯曲变形、挠度约0.02 mm，水导与下导之间的回转轴向+X方向弯曲变形，发电机转子向-X方向弯曲变形，且由于不平衡力的方向不变，所以转动部分回转轴在铅直平面内始终保持这一弓状，主轴内应力交替变化，其频率 f＝n/60。

图3 1#机组分阶段带负荷试验摆度曲线

水导、下导、上导轴瓦在X轴方向受到横向干扰力作用，引起振摆增大。侧向水推力的作用还使主轴盘根密封磨损加剧，引发漏水，乃至喷水射入转动油盆内，破坏了水导的润滑油质量，造成机组故障停机。

主轴内应力的交替变化，作用在水法兰联接处，其效应：一是连轴螺栓内拉应力交替变化；二是盘车处理摆度时在水、法兰面之间加入的紫銅片内压应力交替变化。由于紫銅的抗压强度较主轴低，当压缩变形后，可引起机组摆度增大。主轴的弯曲变形还使得推力头镜板与推力瓦面不再平行而形成一微小的楔角，导致各推力瓦受力不均匀。另外，因推力头与卡环处端面的一侧连续超过1/4环周长存在间隙（已超过安装规范规定允许值）的影响，也使推力瓦受力发生周期性变化。前述二力的共同作用可引起支持螺钉因受外干扰力作用而诱发振动，瓦温升高、振摆增大。

图4 上迷宫实测间隙

图5 下迷宫实测间隙

根据以上计算、分析可知：

（1）转轮迷宫环间隙内产生一指向-X方向的侧向不平衡水推力F＝476 N，弯矩M＝543 Nm。

（2）水力不平衡仍有一定影响。

（3）推力头与卡环接触端面存在间隙使推力瓦受力发生周期性变化。

受上述3个方面振源力的共同作用，机组振摆增大，瓦温升高。侧向不平衡水推力使机组在X方向铅垂面内使回转轴形成一弓状，造成X方向的振摆大于Y方向的振摆，这一不正常运行工况可从下导各种工况下的摆度测试数值X方向较Y方向大一倍，及水导-X方向筒式瓦面磨损较严重现象得到印证。

图6 推力头与分半卡环端面实测间隙

3 迷宫间隙增大及偏差过大的原因分析

导致下迷宫间隙实际值误差大的主要因素：施测时只能从尾水管内向上绕过转轮叶片，再径向穿过底环与下环的空隙再旋转180°后，使用弯制成倒“L”形塞尺插入后划动估测（实际上只能测得最小间隙值），而当时仅用了0.75 mm、1.00 mm两种规格的塞尺测量间隙值，测量精度较差。

形成上、下固定迷宫环中心偏心过大的原因主要：金属蜗壳分节与座环运输至工地现场后再拼装，施工安装单位对组装、施焊工艺控制不严，造成座环变形所致。

4 大修处理

大修处理过程中，使用特制中心架、钢丝线测量机组中心。

（1）对上、下固定迷宫环内圆周环立面进行多次堆焊、打磨等细致处理，使上、下固定迷宫环的圆度不大于5%转轮迷宫环设计间隙，同心度不大于0.15 mm。

（2）调整发电机定子、上、下机架的中心符合安装规范规定要求。

（3）通过预装，使转轮上、下迷宫环间隙控制在实际平均间隙值的±20%以内，并沿圆周向轴对称。

（4）更换不符合要求的分半卡环。

（5）处理转轴摆度，并控制在规范允许范围内。

（6）调整转动部分中心线使其与水轮发电机组中心线重合。

图7 1#机组分阶段带负荷试验摆度曲线（扩大性大修后）

1991年1月，经过大修后的1#机组投入正常发电运行。大修后，1#机组分阶段带负荷试验曲线绘于图7，其中实线1、2、3分别表示上导、下导、水导摆度曲线。从运行过程中测试的瓦温、振动、摆度、水压力波动、机组负荷稳定性等各项参数分析，该机组的运行参数符合部颁规范和设计规定要求，且至今已安全、可靠、稳定地运行近20年。

5 结语

本文经过草林冲电站1#机组摆度增大、瓦温升高的各个因素分析，得出如下结论：

（1）造成该机组运行摆度持续增大及瓦温升高的主要原因是磁极靴面被打磨后改变了气隙磁场正弦分布规律而产生的磁拉力不平衡。

（2）转轮上、下迷宫间隙值偏差过大产生的侧向水推力作用。

（3）推力头卡环处端面一侧存在过大间隙也具有一定影响，而转动部分重量不平衡及水力不平衡虽具有一定的影响，但作用较小。

[1］曾游生.草林冲电站1#机组摆度增大原因初步分析[J］.水力机械技术，1991（1）.

[2］王珂崙.水力机组振动[M］.北京：水利电力出版社，1986.10.

[3］华东水利学院.水轮机[M］.北京：水利电力出版社，1984.6.

[4］陈造奎.水力机组安装与检修[M］.北京：水利电力出版社，1987.11.

[5］李华文，姜德年，程官华.小水电技术问答[M］.北京：水利电力出版社 1987.9.