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水輪發電機組維修

簡介:水輪發電機組振動原因分析與處理方法

1 概況
   某水庫電站于2004年9月建成投產,裝有兩臺軸流定漿式水輪發電機組。水輪機型號為ZDJP502-LH-100,設計水頭18.2m,設計流量6.62m3/s,額定出力1064KW,額定轉速600r/min;發電機型號為SF1250-10/1730,出力1000KW。
   投產初期兩臺機組較長一段時間內均在50%額定負荷以上運行,機組振動和擺動值都在允許范圍內。但在50%額定負荷以下運行一段時間后,2#機組振動逐漸變大,最終因振動過大而不能運行。
當機組并網后,只有選擇合適的工況運行,機組振動才趨于穩定。且要隨著水頭的下降作適當的開度調整。當水頭下降至只能帶50%額定負荷以下時,整個上機架及發電機定子產生明顯的振動,同時尾水平臺也有振動感覺,水機層伴有異音。
    在14m水頭時,分別以開機轉速468r/min和額定轉速600r/min,用百分表測量機組各部位振動值見表1。
表1 機組各部位振動檢測值
序號 測量項目(雙振幅) 468r/min 600r/min
1 發電機集電環端蓋頂部 0.025-0.05 0.05
2 發電機集電環端蓋徑向各點 0.01-0.03 0.08-0.1
3 發電機四周蓋板板面 無、輕微振動狀 0.02、振動加大
4 發電機上導軸承面 無 0.03
5 發電機下導軸承 無 無
6 發電機下導軸承主軸處 0.3 0.4
7 發電機與水輪機聯軸法蘭 0.4 0.5
8 水導軸承上端 0.5 0.5
9 水導軸承下端 0.7 1以上
10 水導軸承座 無、手觸摸有撞擊感 無、手觸摸有撞擊感
11 水導軸承軸向端面 1以上 振動值過大無法測量
2 振動原因分析
    從表1的檢測數值及平時的運行情況得出,2#水輪機振動是有規律的,這種規律表現在振幅和頻率的變化上。2#機組的振動值跟機組的轉速、水頭、運行工況有關。而與此有關的振動原因有:1)、轉子不平衡或軸線不正而引起的機械振動,其振幅與頻率隨轉速的增加而增加。2)、由尾水管壓力脈動或汽蝕所引起的水力振動與運行區有關,振動時伴有噪音。
   由轉子不平衡或軸線不正而引起的機械振動。投產初期2#機組較長一段時間內均在50%額定負荷以上運行,且機組振動和擺動值都在允許范圍內。而轉子不平衡屬機組制造和出廠安裝質量問題,如果轉子存在不平衡,機組在試運行時就反映出來,因此轉子不平衡問題可排除;由于機組是在安全運行一段時間后才出現振動問題的,有可能是推力頭與軸配合松、卡環不均勻壓縮、推力頭與鏡板間墊變形或破壞等,引起的機組振動。因此需進行機組整體盤車,檢查機組軸線。機組整體盤車記錄見表2。
表2  機組擺度記錄 (單位:mm)
測點 1 2 3 4 5 6 7 8
讀數 上導 +0.01 0.00 0.00 0.00 +0.01 0.00 +0.01 +0.01
下導 -0.01 0.00 +0.01 +0.02 0.00 -0.01 -0.06 -0.04
水導 0.00 -0.03 0.00 +0.05 -0.01 +0.03 -0.06 -0.05
相對點 1—5 2—6 3—7 4—8
全擺度 上導 0.00 0.00 -0.01 -0.01
下導 -0.01 +0.01 +0.07 +0.06
水導 +0.01 -0.06 +0.06 +0.10
凈擺度 下導 -0.01 +0.01 +0.08 +0.07
水導 +0.01 -0.06 +0.07 +0.11
從表2可知,水輪機水導軸承凈擺度<0.12mm,凈擺度基本滿足要求,說明機組軸線垂直的。
   由尾水管壓力脈動或汽蝕所引起的水力振動。由于機組的振動隨工況變化有較大的變動,在機組選型時:比轉速 ,機組轉速  查額定工況空化系數與比轉速關系線可得空化系數 。無論從動能還是經濟的觀點,提高水輪機的比轉速都是有益的。但水輪機提高應用比轉速,會受空化條件與強度條件的約束,汽蝕系數大的水輪機,在同樣的使用水頭條件下,其產生的動力真空也大,因而發生汽蝕的可能性也大。尾水管中水力不穩定現象,主要指尾水管中水壓周期性的變化,壓力脈動作用于機組和基礎上,引起振動、噪音和出力波動。特別是在低水頭下運行時,存在振動區域(在35%~75%額定負荷之間)。此振動區域隨著水頭的降低向導葉開度增大的方向推移,沿著水頭由低到高形成喇叭形的分布,振動強度由水頭低向水頭高逐漸減弱,振動頻率 。同時空腔氣蝕可引起機組的頂蓋和推力軸承出現劇烈的垂直振動,比橫向振動的危害性更大。據此特性判定,2#機組的振動現象是水機輪汽蝕系數過大而產生尾水管壓力脈動或汽蝕所引起的。
    通常對于由尾水管壓力脈動或汽蝕所引起的水力振動,取用尾水管內裝消振十字架補氣。但機組已裝有十字架補氣,仍出現振動現象,是因為低水頭運行時尾水位偏高,十字架補氣不足,不能徹底解決壓力脈動,導致機組在低水頭下運行一段時間后,受振動影響,機組的其他薄弱環節發生變化,加劇機組振動。
    進一步詳細檢查發現:a.發電機上導軸承軸座圈和水導軸承按圖紙配有定位銷,但機組漏裝。軸承安裝是必需打定位銷的,以保證機組在運轉中軸承不發生位移。b.發電機定子與混凝土基礎接觸面積少。對于這種懸式機組,推力軸承和上導軸承安裝在上機架上,而上機架是與發電機定子機座聯接的,這樣機組運轉中軸承所承受的徑向力和軸向力都由發電機定子機座承擔,易產生剛性振動。這些問題可造成機組振動加劇,核心部件(軸承)發生變位,引起機組共振。
3 處理的措施
    綜合上述分析可知,須然機組的振動現象是尾水管壓力脈動或汽蝕所直接引起的,但導致機組振動加劇擴散,最終不能運轉的本質原因是發電機上導軸承軸座圈和水導軸承沒有打定位銷及發電機定子(上機架)剛性不足。在實際操作采用以下處理措施:
    a.發電機上導軸承軸座圈補銷,用¢16×60 、1:50錐銷4支在軸承座圈上對稱補上。采取鉆鉸孔配銷。
    b.水輪機水導軸承座補銷,用¢14×60、1:50錐銷2 支在軸承座上對稱補上。采取鉆鉸孔配銷。
    c.加強發電機定子底座與混凝基礎接觸面,采用鐵板、斜墊鐵補墊,對稱墊托定子底座8處,增強發電機定子底座的穩定性。
    d.加強上機架支撐力(如圖1所示),用14#槽鋼撐在上機架端面和機坑墻壁之間,為了使墻壁能承受較大的壓力,在其受力部位預埋抗彎強度較大的型鋼。14#槽鋼接預埋型鋼端直接焊接,上機架端通過在機架端面焊接托板與14#槽鋼鉆鉸孔配¢14×60、1:50錐銷,用鏍栓鎖緊(裝配時要在發電機頂環+Y、+X方向打百分表保證上機架不偏位)。

圖1 上機架支撐裝配
1—上機架  2—定子  3—錐銷  4—托板  5—型鋼   6—槽鋼
   e.根據盤車記錄數據,重新調整好各軸瓦間隙。
   f.考慮到尾水管內的壓力脈動對轉輪的周期性沖擊以及引起機組振動,采用給轉輪配重(如圖2所示)。為便于操作和避免增加轉輪水力損失,制作配重支承座(50公斤)套在距轉輪最近(水導軸承頂蓋附近)的水輪機主軸上。在機組帶上負荷運行后,在水導軸承頂蓋軸頸處測量出不平衡點,然后反復調試配重(0.5公斤)。
  
圖2 主軸支承座
1—水輪機主軸  2—支承  3—配重塊  4—水導軸承頂蓋
經過以上多項處理后,開機并網運行(13m水頭),發電機集電環端蓋頂部測量0.01mm,發電機集電環端蓋徑向各點測量0.02mm發電機四周蓋板板面(上機架)0.03mm,水機主軸擺度0.05mm,各軸承無振動。基本解決了機組振動現象。
4 結論
   通過以上措施對該機組振動的處理,機組振動消除,確保機組的安全運行。今后在實際運行中,尚需經常觀測機組的振動情況,檢查已采取的技術措施是否有變位,并及時調整,以確保機組的安全運行。

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