立式水轮发电机组垂直振动的分析及处理

陈晓明，彭祖贤，张 华

(国电恩施水电开发有限公司，湖北 恩施 445000)

水轮发电机组振动是机组运行中一种非常有害的现象，它严重威胁着机组的供电质量、机组的使用寿命和安全经济运行。引起机组振动的因素很多，主要包括机械振动、水力振动和电磁振动三类。我国现行的水轮发电机允许振动值见表1。

表1 水轮发电机组各部位振动允许值表 mm

立式机组振动常见表现为水平振动超标，水平振动通过转速试验、动平衡试验、励磁试验、负荷试验，确定振动原因，进行有针对性处理可以解决水平振动问题。在高水头立式混流水轮发电机组中，因水力因素更加复杂，导致水轮发电机组发生垂直振动超标现象，这类垂直振动分析处理更加复杂。

1 机组垂直振动分析处理实例

1.1 基本情况

某水电站2台立式混流水轮发电机组，结构型式为悬吊型，额定水头238 m，单机额定容量25 000 kW，转速600 r/min。自2012年投运以来，1号机组垂直振动值长期超出规范要求，2号机组垂直振动值在规范允许值附近。自2014年初至2018年底，电站对1号机组进行了3次A修，重点针对发电机及推力轴承检查分析，针对检查发现的问题，先后复核调整了机组高程，发电机定子、转子相对高程，对上机架底部进行加固增加刚性，处理更换推力轴承支柱螺栓配合间隙偏大的缺陷[1]，完成机组配重试验并增加配重块，开展了转速试验、励磁试验、负荷试验等分析，每次检修后，水平、垂直振动能够降低至规范附近，但垂直振动源未彻底消除，随着运行时间延长，垂直振动值又逐步增大超出规范要求。

1.2 振动原因分析

2019年，为彻底解决1号机组振动问题，电站组织对1号机组进行了全面系统分析，再次开展了负荷试验、配重试验，新增了顶盖排水试验。

1.2.1 机组配重及负荷试验情况

表2和表3为1号机组2019年检修后配重及负荷试验实测数据。

表2 配重前振动值实测数据表 μm

表3 配重后振动值实测数据表 μm

从以上数据分析，通过机组动平衡配重试验，水平振动值明显降低，但垂直振动值无明显改善。

1.2.2 水力因素分析

机组振动主要是机械振动、水力振动和电磁振动三类，综合前几次A修对发现问题的处理分析，排除了机械和电磁因素导致垂直振动大的影响，重点针对水力因素分析。

1)机组结构分析。图1为机组导水机构、转轮装配局部结构图。

图1 机组导水机构、转轮装配局部结构图

从结构图中可见，为减少水轮机容积损失，转轮上冠、下环均设计有梳齿式止漏环结构，其中，转轮直径1.63 m，转轮上冠、下环止漏环单边间隙设计为1～1.2 mm，上下梳齿单边间隙设计值为0.85～1 mm，在上下梳齿至转轮上冠、下环止漏环之间，分别有A、B两腔，机组运行过程中，受上下梳齿止水的影响，A、B两腔均会产生水压，B腔水压对转轮形成向上顶托力，抵消部分轴向水推力，同时产生1个水平径向分力，该结构常应用于较高水头混流式机组结构中。在上梳齿后，设有6根顶盖排水管，通过转轮上冠上部设置的泵板，排除上梳齿漏水[2]。

2)水力分析及验证。该结构中，A、B两腔压力值受上下梳齿间隙值及同心度影响，其中B腔若存在压力不均匀，就可能产生不均匀的向上顶托力，引发水力自激振动，导致机组垂直振动[3]。因A、B两腔均未设计测压管，现场难以新增。为验证垂直振动可能来源于B腔压力脉动，研究确定在6根排水管上增加阀门，通过减少顶盖排水管泄流量，调整上梳齿后部压力值，改变轴向水推力，测量机组在不同工况下的振动值进行综合分析。不同工况对比如表4。

表4 不同阶段振动、摆度测量表 μm

第一阶段：关闭顶盖2根排水管,负荷10 MW工况数据。

第二阶段：关闭顶盖4根排水管，负荷25 MW工况数据。

第三阶段：最后两根排水管阀门关闭1/2，负荷25 MW工况数据。

第四阶段：最后两根排水管阀门关闭3/4，负荷25 MW工况数据。

通过4个阶段分析，随着顶盖排水管过流面减少，压力上升，增大了转轮向下的轴向水推力，导致振动、摆度略微下降。

图2为水导摆度变化趋势图。

图2 水导摆度变化趋势图(第二、第三、第四阶段)

从图2分析，每次阀门操作后，机组振动、摆度值迅速下降，在此工况下运行3～4 min，振动、摆度值又恢复到以前数据，第四阶段工况，机组振动、摆度值下降明显。通过以上数据分析，减少顶盖排水泄流量、增加转轮上部水压，可改善机组运行工况，初步确认了垂直振动源来自于A、B腔压力脉动，通过增大转轮上部水压，可抵消部分压力脉动，降低垂直振动值。

3)压力脉动产生来源。从图1的机组结构中可看出，机组实施A级检修时，现场只能测量、控制转轮上冠、下环止漏环间隙，对于上下梳齿间隙值，安装就位后现场不能测量。上梳齿的间隙值及同心度需要顶盖加工确保，下梳齿的间隙值需要加工确保，而同心度需要现场安装调整确保[4]。也就是该结构型式，在机组安装时，除需保证顶盖、底环两处止漏环部位同心度外，还需保证下固定梳齿、顶盖梳齿、顶盖止漏环、底环止漏环4部位同心度，在前3次A修过程中，均未检查复核下固定梳齿同心度。因上下固定梳齿均可能存在同心度超标，导致上下梳齿间隙不均匀，A、B腔内形成压力振荡，引发水力自激振动。

1.3 处理及试运行

2019年底，再次对1号机组A修检查处理。拆卸过程中，发现顶盖梳齿、转轮下环梳齿及下固定梳齿对称侧有明显磨损痕迹，进一步证实了我们的分析。将顶盖、转轮、下固定梳齿、底环等过水部件修复加工，实测各梳齿配合间隙尺寸，参考《水轮机设计手册》[5]设计值，将转轮上冠、下环止漏环单边间隙增大至1.9 mm左右，梳齿单边间隙值增大至1.5 mm左右。顶盖与上梳齿在厂内固定后，同镗加工，整体运输，现场不再拆卸，转轮复测叶片节距、开口值，消除叶片之间水力不平衡的影响，对转轮作静平衡试验。因下固定梳齿就位后无法调整，优化现场回装工序，以下固定梳齿为基准，重新复核调整顶盖止漏环、底环止漏环同心度在规程范围内，检修完成后，机组运行振动测试数据表5。

表5 检修后振动值实测数据表 μm

通过调整上下梳齿、上下止漏环间隙值及同心度，机组各类工况下振动值均较以前降低，进一步明确了机组垂直振动根源。相对于中低水头混流式机组，该机组垂直振动值虽然在规程范围内，但仍然偏大，分析主要原因为上下梳齿间隙难以完全均匀，A、B两腔压力脉动始终存在难以彻底消除，只是振动量值及对机组运行稳定性影响有所减小。该机组经过半年多时间运行，振动值无明显变化，运行情况良好。

2 结 语

高水头混流式机组，为减小轴向水推力，在机组局部结构上，往往和中低水头机组存在细微差别，通过本次机组垂直振动的处理，在同类型机组结构设计及安装阶段，可以进行以下优化：

1)设计阶段增加A、B腔测压管及压力监测，其中B腔可考虑增设外围环管，起到B腔周边联通均压作用[5]，在上梳齿后增加压力监测。

2)规范高水头混流式机组梳齿间隙取值，适当降低A、B两腔运行期间压力值，降低压力脉动幅值。

3)顶盖上部梳齿在制造厂内同镗加工后，整体运输，不再拆卸。

4)导水机构预装阶段，应以下固定梳齿为基准，定位底环和顶盖，严格控制预装阶段同心度偏差值，该类型机组，偏差值应较中低水头混流式水轮机安装标准更小，尽量降低梳齿间隙不均匀值。