沙坪二级水电站机组水导轴承振动超标原因分析

张华垒，李 昂

(国电大渡河检修安装有限公司，四川 乐山 614900)

沙坪二级水电站安装有6台单机出力58 MW的灯泡贯流式机组，为目前国内单机容量最大的灯泡贯流式机组。工程于2011年1月动工筹建，2012年5月开始建设，首台机组于2017年7月底投产发电，末台机组于2019年5月投入商业运行。机组额定转速88.2 r/min，额定水头14.3 m，最大水头24.6 m，最小水头5.9 m，额定流量457.66 m3/s。随着机组投入运行时间的增加，逐渐出现了1号、6号机组在汛期低水头运行时水导轴承振动长期超标的现象。

1 设备运行情况

1.1 振摆系统介绍

沙坪二级水电站机组振动摆度监测系统采用北京华科同安公司开发的TN8000水轮发电机组振动摆度监测分析系统。

水导轴承和组合轴承的振动传感器都选择北京豪瑞斯MLS-9低频速度传感器，在相应轴承-X，+Y向位置焊接一个水平和一个垂直安装板, 安装板上各安装1个振动传感器。

水导轴承和组合轴承的摆度传感器都选用德国申克公司的IN-081一体化涡流传感器，安装在相应轴承油槽盖上端面铅垂方向±45°位置，通过焊接支架固定对准轴表面。6台机组安装位置相同，能准确反应实际振动值和摆度值。

1.2 各部轴承振动情况

同立式机组相同，灯泡贯流式机组运行时的振动不可避免，但相对较大的振动会对机组的安全运行和使用寿命造成影响，如紧固件松动，受力筋疲劳断裂等。我国现行有关灯泡贯流式机组振动允许振动值如表1所示。

表1 灯泡贯流式机组各部位振动允许值表[1]

2019年入汛以来，沙坪二级水电站6台机组在14、16 m水头局部负荷运行时，出现了1、6号机组水导轴承X向径向振动长期超标的现象，见表2，且呈现出机组运行水头越低，导叶开度越大，机组振动越大的情况。

表2 TN8000振摆监测分析系统测量的振动值表 μm

选取6号机组14 m水头下水导振动进行频谱分析，水导轴承振动通频值137.5 μm，各分频中以转频为主，测值达84.8 μm，其余各倍频还包括0.5倍频、0.75倍频、2倍频、4倍频和5倍频，其测值较小，见图1。

图1 水导振动频谱图

2 原因分析

2.1 轴承支架支撑刚度不足

水导轴承的传感器支架安装于导水机构的内配水环上，导水机构内配水环并非基础受力部件，是通过把合螺栓固定在管型座上，在机组运行时本身就有一定振动，所以水导轴承所测得的振动值实际是内配水环与水导轴承振动值的叠加，当两个振动发生正向叠加时，就会造成机组水导轴承振动偏大[2]。

2.2 拦污栅淤堵造成水头损失

沙坪二级水电站大坝有机组段和泄洪坝段，左岸为机组段，右岸为泄洪坝段，中间采用隔墙隔开，机组段进水设置有挡沙坎、拦污漂以阻止树木、大量泥沙进入机组。这种布置方式造成了布置在机组坝段两侧的机组进水口(1、6号)会形成回流，杂物易在该处淤积，实际运行中也发现1、6号机组进水口拦污栅压差同比其它机组更大。

2019年汛期，处于沙坪二级水电站上游的金口河地区发生了泥石流，大量的生活垃圾、树木等进入河道，使机组拦污栅压差明显高于往年同期，加大了机组的水头损失。

由于灯泡贯流式机组的特点是水头越低，其水头损失对机组运行越敏感，机组的出力明显减小，振动、摆度增大[3]。而沙坪二级水电站1、6号机组拦污栅更容易淤堵加大水头损失，造成在相对较低的水头下运行时，机组的水力不平衡越明显，最终造成水导轴承长期超标运行。

2.3 机组空蚀引起振动偏大

水轮发电机组中，影响机组振动的类型很多，通常有间隙空化和空蚀、空腔空蚀、局部空化和空蚀，以及卡门漩涡等，这些空蚀会直接加剧水轮机振动。尤其在含沙量较大的河流中，泥沙对机组导叶、桨叶的磨损程度加大。机组的空蚀现象严重，更容易形成卡门漩涡，更会加剧水轮机振动，从振摆监测系统反应出来就是水导摆度偏大，水导轴承振动偏大[4]。

沙坪二级水电站在近两年检修过程中，对过流部件进行全面检查，没有发现明显的空蚀现象。

2.4 协联关系参数不准确引起机组振动

灯泡贯流式机组同轴流转浆式机组相同，采用导叶、桨叶双重调节，导叶、桨叶协联关系的正确设置，能使机组在各个水头都处于最优工况。沙坪二级水电站6台灯泡贯流式机组使用的是投运之初安装单位设定的协联关系曲线，没有根据机组实际运行工况进行试验调整，使部分机组没有在最优工况下运行，桨叶不再具有无撞击进口，水流对叶片产生冲击，在转轮转动过程中，由于桨叶冲角不断变化，作用在叶片上的力及产生的叶片扭矩相应变化，导致机组振动加剧[5]。

2.5 异物卡塞在固定部件与转动部件之间造成机组振动

沙坪二级水电站水库途径乐山市金口河区，沿途多条小河汇流进大渡河，主河道和小河流周边为主要聚集居住地，人口多，造成河道生活垃圾多。这些垃圾会穿过拦污栅进入机组流道，其中的塑料垃圾、橡胶制品偶尔会卡在转轮桨叶与转轮室之间，造成机组各部振动突然大幅增加。若机组长期在异物卡塞状态下运行，也会造成水导轴承振动超标。

沙坪二级水电站机组在实际运行过程中，曾多次发生过各部轴承振动突然大幅加剧的情况，虽然其中绝大多数通过多次调节负荷、开停机操作，能让各部轴承振动恢复正常。但也曾两次出现无论怎么调节负荷或开停机都无法使其振动恢复至正常的状况，随后经停机打开流道检查，发现桨叶与转轮室之间卡塞了橡胶制品，转轮室球面也有明显的摩擦痕迹，清理卡塞物后重新开机，各部轴承振动恢复正常。

2.6 其它原因

桨叶安装角不同或桨叶接力器行程不同导致的叶道不一致、叶片生产加工产生的叶型不同，桨叶与转轮间隙不均匀，导叶接力器行程不同或拐臂长度不同等等原因导致的水力不平衡等都会导致机组振动加剧。

沙坪二级水电在检修过程中已经对桨叶安装角、导叶开度值、内外环向心球段开档尺寸、桨叶与转轮室间隙进行了检查，其中存在主要问题为多台机组桨叶与转轮室间隙比图纸设计值偏小。但相同的状况下，只有1号和6号机组水导轴承振动长期超标，分析认为桨叶与转轮室间隙偏小不是导致机组水导轴承振动长期超标的主要原因。

3 结 语

沙坪二级水电站安装的灯泡贯流式机组是目前国内单机最大的灯泡贯流式机组，其振动超标具有一定的代表性，笔者简要介绍了设备运行状况及分析超标的原因，希望对灯泡贯流式机组运维人员判断设备状况、分析设备振动原因有一定借鉴意义。