某水电机组上机架刚度不足分析与处理

王健

(五凌电力有限公司托口水电厂，湖南 怀化418200)

0 引言

某水电厂3号机组为立轴半伞混流式机组，2个导轴承、推力轴承位于转子下方采用弹性油箱支撑。某次检修后发现3号机组上机架水平振动、上导摆度都超标。3号机组投产时和检修后进行了动平衡试验，通过两次动平衡试验报告分析发现:

1)投产时动平衡试验时，空载工况下，转子配重质量为292 kg，上机架水平振动转频分量下降120 μm，转频影响系数为2·43 kg/μm。而本次试验的配重质量为43 kg，空载工况下，上机架水平振动转频分量下降约100 μm，转频影响系数为0·43 kg/μm。通过转频影响系数分析发现3号机组上机架水平方向的刚度较投产时有明显变化。

2)投产时的动平衡试验中，上机架水平振动、上导摆度等部位测点波形正常，转频分量占比大；本次检修后的动平衡试验中，上机架水平振动、上导摆度等部位测点波形杂乱，转频分量占比很小。

3)投产机组空载时上机架水平振动为56 μm；检修后空载时上机架水平振动为230 μm，严重超出国家相关标准要求的110 μm。

4)本次检修后的动平衡试验中，在变转速、变励磁和变负荷情况下，上导转频分量基本稳定在250 μm左右。

综合两次动平衡试验可以看出，3号机组上机架刚度较投产时有明显的变化，同时动平衡试验中上导转频分量异常，需要对该原因进行分析。

1 原因分析

1.1 水力因素

1)尾水管涡带。水轮机在非最优工况时，在转轮出口处的水流具有不同方向的环量，从而在转轮出口与尾水管产生涡带[1－3]。涡带以某一频率做偏心转动，导致尾水管内压力场和速度场周期性变化，从而产生了压力脉动。这种压力脉动会引起机组各部位振动。

2)卡门涡列。水流在转轮叶片尾部左右两侧产生成对的、交替排列的、旋转方向相反的旋涡[4－5]。卡门涡列的形成与流体速度和叶片尾部断面的形状、尺寸有关，该振动特征为振幅随过机流量增加而明显增大。

3)止漏环间隙不均匀。止漏环间隙不均匀导致转轮水压力不均匀，引起机组振动，机组的振动、摆度及压力脉动值均随机组负荷和过流量的增加而增大[6－7]。

1.2 电气因素

1)空气间隙不均匀。定、转子空气间隙不均匀容易引起转子磁拉力不平衡，从而引起机组振动[8－10]。这种情况下，上机架的振动会比较明显，该振动随励磁电流增大而增大。

2)定子绕组内的谐波。发电机定子绕组内部形成的谐波会产生磁拉力，部分的磁拉力很容易使定子振动。这种现象会让上机架振动比较明显，且振幅与定子电流成正比例。

3)定子铁芯松动。定子铁芯松动会使机组产生振动现象，机组的转速对振动的影响较为明显。通常情况下，机组振动频率一般为电流频率的双倍[11－12]。

1.3 机械因素

1)转子质量不平衡。由于转子质量不平衡，机组振动容易随转速增大而增大，与转速的平方成正比[13]。

2)机组轴线不正。机组轴线与镜板不垂直或者轴线在法兰结合面弯曲时，导致机组振摆值偏大[14]。

3)轴承间隙不合理。轴承轴瓦间隙过大或不均匀所引起的机组振动，通常表现为机组瓦温异常[15]。

4)支撑系统刚度不足。机组的结构件出现裂纹或者受力不足会降低机组的固有频率，在不平衡力或力矩作用下机组会产生较大的振动。

综合以上三个因素的分析，同时结合本次检修对止漏环间隙、空气间隙、机组轴线、轴承间隙和机组结构件裂纹等情况的检查都未发现异常情况。为了准确地判断上机架水平振动和上导摆度超标的原因，对3号机组进行了动平衡试验。

2 动平衡试验

2.1 变转速试验

将机组的转速分别稳定在50%、75%和100%额定转速Nr时，测量机组各部位振动值的变化，试验结果见表1，表中A为通频幅值，A1为转频幅值。

表1 变转速试验机组的振摆值 μm

通过表1可以看出，上导、水导摆度随着转速增大而增大，上机架水平振动随着转速增大而增大。上导摆度值和上机架水平振动转频幅值占通频值的比重较大，说明转子不平衡质量大，需要进行配重处理。

2.2 变励磁试验

将机组的励磁电压分别稳定在50%、75%和100%额定电压Ur时，测量机组各部位振动值的变化，试验结果见表2，表中A为通频幅值，A1为转频幅值。

表2 变励磁试验机组的振摆值 μm

通过表2可以看出，上导、水导摆度随着励磁电流增大而基本保持不变，上机架水平振动值随着励磁电流增大而增大，说明机组有一定的电磁不平衡力，但影响不大。

2.3 配重后动平衡试验

3号机组在6号转子支臂配重43 kg(以励磁引线支臂为1号，俯视逆时针)。配重前、后空载和带200 MW负荷时上导、水导摆度值和上机架、下机架水平振动值见表3，表中A为通频幅1值，A1为转频幅值。

表3 配重前、后空载和带负荷的振摆值 μm

通过表3可以看出，上导摆度在配重前、后空载和带负荷情况下变化很小，水导摆度值和上机架振动值配重后空载变小了，水导摆度值和上机架振动值在带负荷情况下较配重前、后空载减少很多。

分析动平衡试验数据发现:

1)上导摆度转频分量偏大。在变转速、变励磁和带负荷情况下，上导摆度转频分量基本稳定在250 μm左右，并未随转速、励磁电压的增大而增大。该现象产生的原因可能不在于机械不平衡和电磁不平衡。

2)带200 MW负荷时上机架水平振动下降明显。其原因可能是机组处于非振动区水力工况较好，同时机组带负荷后有强大的电磁拉力作用。

3)上机架通频值偏大。在100%Nr空转和100%Ur空载工况下，上导摆度和上机架水平振动存在大量的低频分量，这是上机架振动通频量较大，而转频量较小的原因，一方面是水力因素对机组振摆的扰动，另一方面可能是上机架支撑松动。由于电厂其他3台相同的机组运行情况都正常，3号机组出现该状况初步判断是由于上机架支撑力不足，需要对上机架支撑进行检查。

3 处理过程

3号机组上机架采用碟型弹簧式支撑，如图1所示。其主要作用是在正常运行工况下提供足够的支撑力，且在半数磁极短路等异常工况下避免破坏基础。发电机厂家对上机架千斤顶的设计要求为6片碟型弹簧的冷态初始压缩量0·3 mm，碟型弹簧并联叠放且开口朝向套筒底部，如图2所示。12个千斤顶内都应有6片碟型弹簧串联叠放，如图3所示。上机架千斤顶内碟型弹簧数量缺少和错误的安装方式将极大影响上机架的振动情况。假设每个碟型弹簧的刚度为K，每个上机架千斤顶受力为F；则6个碟簧并联时总刚度为6K，串联情况下总刚度为K/6。上机架现振动值与原设计振动值之比:

图1 上机架千斤顶结构

图2 并联叠放

上机架千斤顶内碟型弹簧错误的安装方式将使上机架振动值增大到原设计的36倍。

图3 串联叠放

上机架刚度不足检查处理步骤如下:

1)检查定子机座与上机架连接螺栓的扭力值符合设计要求，检查定子机座与上机架定位销无异常。检查上机架各连接部位无松动、焊接部位无裂纹。

2)清理上机架千斤顶球头螺杆处油漆和上机架千斤顶球头螺杆锁锭螺母止动焊缝。

3)在上导轴承、水导轴承和每个上机架千斤顶处安装百分表，用来测量大轴、上机架的位移。

4)以对称方向上两个上机架支臂千斤顶为一组，共安装6个32 t机械千斤顶。安装时应注意千斤顶需同时受力，且受力大小应保持基本一致。

5)先对称松开上机架支臂千斤顶球头螺杆锁锭螺母，再对称松开球头螺杆。在松动过程中记录每个百分表读数，确保上机架支臂无移动；同时检查碟型弹簧数量、叠放方式是否与设计一致，如图4所示。

图4 千斤顶碟型弹簧

6)对称的两个上机架千斤顶检查完后进行装复，缓慢对称拧紧球头螺杆，碟型弹簧压紧总深度为0·3 mm。压紧分4次进行，每次压紧深度为总深度的25%、50%、75%和100%，确保对称一组的上机架千斤顶碟型弹簧的压紧量合格。

7)对称松开32 t机械千斤顶，松开过程中检查上导、水导、上机架百分表读数情况。

8)调整完一组后将该组上机架千斤顶球头螺杆锁锭螺母拧紧，然后采用步骤2)—7)检查处理将其余上机架千斤顶，最后将锁锭螺母止焊固定。

3号机组上机架支臂的千斤顶全部检查处理完后，再进行开机带200 MW负荷试验。上机架千斤顶检查处理前、后机组各部位的振摆值见表4，表中A为通频幅值，A1为转频幅值。可以看出，上机架千斤顶处理完后，上导摆度值明显下降，上机架水平振动值也相应下降，说明上机架千斤顶检查处理后上机架的刚度明显增强。

表4 处理前、后机组各部位振摆值 μm

4 结论

影响机组振摆超标的原因很多，需要通过水力因素、电气因素、机械因素和动平衡试验综合分析，最终找出机组振摆的根本原因。

上机架支臂千斤顶碟型弹簧错误的安装方法导致上机架支撑刚度不足。处理后上机架刚度明显加强，同时上导摆度值、上机架水平振动值优于规程规范要求，彻底解决了上机架刚度不足的问题。