灯泡贯流式机组水导轴承异常振动原因分析

孟凡辉

中广核汉江水电开发有限公司 陕西安康 725000

灯泡贯流式机组是一种适用于开发3-25m水头的水轮发电机组。灯泡贯流式机组的振动一般由水力、机械及电气等多方面因素引起，此外，由于制造、安装等原因，可能造成机组转动部分重量不平衡、离心力不平衡或协联关系不匹配等因素，也有可能引起机组的异常振动。水电机组的振动、摆度幅值超标，将严重影响机组的安全稳定运行，因此，分析机组振动的原因，幵采取措施减轻机组振动，对于保证机组安全稳定运行具有重要意义。

灯泡贯流式水轮发电机组具有适应中低水头、水头变化大的特点，与其他类型机组相比，在相同的性能参数条件下，贯流式机组可适应更低的水头，同时土建工程量少，施工简单。灯泡贯流式机组最明显的特征就是大型薄壳外压容器，机组主要承重部件是管型座，一般在定子外壳还设置有两个水平辅助支撑对定子外壳进行支撑固定；，该结构造成灯泡贯流式机组水平径向支撑普遍较弱，并导致大部分灯泡贯流式机组水导轴承水平振动偏大，甚至出现超标情况[1]。

水导轴承振动超标，可能造成水导轴承疲劳失效。疲劳失效是各种机械设备的主要失效形式。研究表明超过一半的机械事故都是由疲劳失效引起的。在实际应用中，因各模型等效应力幅计算方法的不同，都有各自适用的材料种类和寿命预测范围。比如，Gerber模型适用于塑性材料；Goodman模型适用于金属材料，同时该模型计算快捷简单，目前广泛应用于各种金属材料疲劳计算分析。

1 电站概况

汉江白河（夹河）水电站工程位于汉江上游干流湖北省十堰市郧西县、陕西省安康市白河县境内。该水电站项目是汉江上游干流七级开发方案的最末一级，集发电、航运及促进地方社会经济发展于一体，一方面为湖北省输送清洁可再生能源，带动陕西、湖北两省的经济发展，另一方面改善库区航道，加强陕鄂地区的经济联系，为汉江水系航运网建设奠定了基础。

电站工程水库为日调节，正常蓄水位193．73m，水库总库容2．67亿m3，设计死水位191．73m，相应调节库容2142万m3。电站采用河床式厂房，装有4台灯泡贯流式机组，单机容量45MW，总装机容量180MW。年利用小时数3093/3357h（考虑孤山顶托/不考虑），多年平均发电量5．5672/6．0425亿kW·h（考虑孤山顶托/不考虑）。

白河（夹河）水电站一期主体工程于2015年11月正式开工，工程采用分期导流方式，一期先围右岸，进行厂房、3孔泄洪闸、右非坝段、鱼道及生态放水孔的施工；二期围左岸，进行6孔泄洪闸、船闸坝段、左非坝段的施工。2019年11月19日上游二期围堰顺利通过截流验收并成功截流。当年12月30日首台机组具备发电条件，但受二期围堰蓄水高度限制，此时电站可利用水头低于水轮发电机组设计最小水头6．65m，最小约为5．8m[2]。

2 现场检查及原因分析

2.1 转轮室频繁卡异物原因

该机组存在水导轴承频繁异常振动情况，汛期尤为频繁，通过统计该机组份运行数据，仅一个月内出现异常振动情况达20余次。通过分析可知，转轮室卡异物是引起水导轴承异常振动的原因，即该机组存在频繁的转轮室卡异物情况。

为分析转轮室频繁卡异物原因，无水工况下，对转轮室及桨叶进行检查。检查机组桨叶开关情况发现，桨叶全关时，桨叶裙边与转轮室间隙仅有3-5mm间隙，但桨叶全开时，桨叶裙边与转轮室间隙超过10cm，桨叶开关过程出现桨叶裙边与转轮室卡塞异物。通常灯泡贯流式机组转轮室球面段设计应确保桨叶动作范围内桨叶裙边均应在球面段内，即全关至全开过程桨叶裙边与转轮室间隙基本为一固定值，但该机组转轮室球面段设计面积过小，造成桨叶全开时桨叶裙边超出球面范围，并引起桨叶裙边与转轮室出现较大间隙。

电厂未设置拦污排，大量污渣堆积于拦污栅前，极易通过拦污栅进入流道。若正好出现负荷调整情况，容易出现桨叶裙边与转轮室卡塞异物，桨叶开度越小，桨叶裙边与转轮室之间的间隙越小，异物也就卡的越紧，转轮室碰磨特征也更加明显。这正好能够说明水导轴承异常振动时，水导轴承振动随负荷减小呈现增大趋势的现象。

2.2 卡门涡列引发机组振动

除了较为常见一些因素，在液体流动过程中也会出现卡门涡列现象，一般都会出现了非线性障碍物的周围，主要表现为相关变态涡轮。卡门涡列之中的漩涡就会交替进行顺时针或者是进行逆时针的旋转，同时处在循环出现以及破坏的过程之中，所以就会对机组造成持续性的冲击，旋转的水流就会构成对于物体垂直交变振动力，并且在灯泡贯流式机组之中体现为叶片尾部受到的交变力，同时因为交变频率同漩涡频率一致，就会可能出现交变力频率同叶片固有频率相同情况，那么就会造成机组叶片出现共振，也会破坏掉内部转轮设备前的连接强度。

3 处理措施

3.1 优化异常振动处理措施

①当机组水导轴承出现异常振动时，电厂通常采用降低负荷、调小开度措施，但该处理方法可能造成卡塞的异物越夹越紧，同时水导轴承水平振动越来越大，恶化机组运行状态。建议机组出现异常振动时，尽量将桨叶开度增大，增大桨叶裙边与转轮室间隙，将异物尽可能冲走，必要时停机清理异物。②电厂汛期经常动水清渣，清渣时可能将异物挤压进入流道，进而造成机组异常振动。建议电厂尽量在停机时开展清渣作业，采取动水清渣作业时，应避免调整负荷操作[3]。

3.2 开展技术改造

可考虑开展水轮机改造，增大转轮室球面段面积，确保桨叶动作范围内桨叶裙边均在球面段内,同时还可提升水轮机效率和出力。