虢 強

(新疆電力設計院，新疆 烏魯木齊 830000)

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黨上三級水電站機組頂蓋振動分析

虢 強

(新疆電力設計院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

黨上三級水電站位于甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣境內(nèi)黨河上游干流上，是黨河上游規(guī)劃的第三級水電站，距縣城東南約37～41 km，至敦煌市150 km。電站為引水式電站，其永久建筑物包括引水渠首、引水暗渠、壓力前池、壓力管道、發(fā)電廠房、尾水渠、泄水陡坡、GIS等。電站工程等別為IV等，工程規(guī)模為小(1)型，主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級。電站采用單機單管布置形式，裝設2臺10 MW水輪發(fā)電機組，總裝機容量20 MW，多年平均發(fā)電量8 600萬kW·h；設計水頭117.7 m，最大水頭119 m，最小水頭117 m(見表1)。

表1 水輪發(fā)電機組主要參數(shù)

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 振動現(xiàn)象

機組在運行約2個月后，運行人員發(fā)現(xiàn)2臺機組都有頂蓋劇烈振動的現(xiàn)象。當機組出力大于50%額定出力，頂蓋振動開始明顯，出力越大振動越劇烈，在廠房下游側的座環(huán)排水管檢修閥門處也有較強的噪聲和金屬共鳴聲。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，頂蓋處的振動值已遠遠超出規(guī)范對500 r/min立式機組要求的0.03 mm，嚴重影響到機組的正常發(fā)電(見表2)。

表2 不同出力情況下頂蓋振動測量值

2.2 振動原因初步分析

水輪機振動的原因一般是由機械、水力、電磁三方面的原因引起的。本電站機組振動隨出力的不斷增大而變大，即隨流量的增大而變大，所以初步判斷是由水力原因引起的?，F(xiàn)場測量活動導葉的開度曲線、水輪機各止漏環(huán)的配合間隙,尾水位高程,各項數(shù)據(jù)都滿足設計要求,尾水補氣管都能正常工作；檢查中也未發(fā)現(xiàn)設備損壞或裂紋。從機組安裝方面看,也沒有能造成機組明顯水力不均衡的地方。最后將機組座環(huán)排水管出口局部封堵減小排水管出口面積后振動明顯減小。經(jīng)以上檢查、試驗結果分析確定頂蓋及座環(huán)排水管的振動主要是由于水力原因造成，產(chǎn)生了旋轉脫流振動。

2.3 泵板密封水輪機結構特點

水輪機轉輪頂部設有泵板裝置，由于泵板(相當于水泵)的吸出作用，保持主軸法蘭一直處于大氣之中，主軸與主軸密封間不接觸且只有一層空氣，這樣可以保證密封有極長的壽命。此密封不需要檢修，在水輪機正常運行時也不需冷卻或潤滑。主軸密封為間隙密封(不接觸迷宮型)，由緊靠著軸上的轉動套、密封箱和主軸密封排水管組成(見圖1)。

(1)水輪機正常運行

在額定轉速運行下，因為存在泵板裝置，全負荷范圍內(nèi)密封盒上均無水壓，密封轉動應是完全干燥的。轉輪上的泵板裝置隨轉輪一起旋轉可防止水及泥沙等進入主軸密封，同時泵板排水管不但可防止泥沙或固體物質積在水機頂蓋下部，還可將透過上止漏環(huán)的少量漏水通過泵板及座環(huán)排水管排至尾水。

圖1 主軸密封剖面

(2)低于額定轉速運行

在起動和關閉時，轉速降低的情況下，水壓可能達到主軸密封，此時由于迷宮環(huán)狀主軸密封箱的擴散作用使漏水壓力大幅降低，同時位于各個迷宮環(huán)之間的主軸密封排水管也可有效預防封密箱的漏水，滲漏水通過管路排至電站集水井。

(3)停機狀態(tài)下

在停機狀態(tài)下，檢修空氣圍帶可防止水漏過密封箱，即使密封失效，迷宮環(huán)狀的主軸密封和排水管密封箱也會大大減少滲漏水量，確保電站的安全。

2.4 旋轉脫流分析

當頂蓋與轉輪中間的流量減小到一定程度時,排水流道內(nèi)會就會形成若干個失速水流團, 這些失速的水流團以相同方向、較低角速度繞軸旋轉， 這種現(xiàn)象就是旋轉失速。當排水流量減小或發(fā)生流道堵塞時，進入頂蓋與轉輪中間的液流流態(tài)就會發(fā)生變化, 水流向著泵板壓力面沖擊, 而在吸力面發(fā)生脫流；當流量減小到某一極限流量以下時，由于實際水流流入流道的不均勻性, 在各流道內(nèi)產(chǎn)生的脫流水流會形成若干個失速水流團。由于失速水流團占據(jù)了部分流道，使得流道截面積變小，其他水流就擠向相鄰的流道，改變了相鄰流道內(nèi)的流態(tài)；失速水流團在葉輪各流道內(nèi)不斷循環(huán)出現(xiàn)， 這就在頂蓋與轉輪中間形成旋轉失速，其在頂蓋與轉輪中間內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動是激發(fā)頂蓋發(fā)生劇烈振動的激振力，即產(chǎn)生頂蓋振動的原因。這種激振力擴散至整個座環(huán)排水管路系統(tǒng)，從而引起水力共振，所以在廠房下游混凝土外部的座環(huán)排水管檢修閥門處同樣有較強的噪聲和金屬共鳴聲。

3 處理方法

消除頂蓋與轉輪中間內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動及激勵頂蓋發(fā)生異常振動的激振力是消除頂蓋振動的根本途徑。

(1)拆卸水輪機軸承、主軸密封轉環(huán)、導葉臂、可調(diào)連桿等，并將控制環(huán)、軸承支架吊起到適當高度。

(2)現(xiàn)場利用磁力鉆在靠近主軸密封座的區(qū)域(φ890)鉆制新的排水孔(20個φ30)均布，以排除通過梳齒密封后的漏水，進一步降低主軸密封前的壓力。

(3)將頂蓋吊起到適當高度，用氧割刀在頂蓋內(nèi)側立板上割制4個排水窗口，大小為60 mm×60 mm，以此排泄頂蓋壓力水。

(4)現(xiàn)場用鋼制塞子(φ40×30)縫焊頂蓋上原來的排水孔。利用上冠泵輪的排水壓力在此處形成相對較高的水壓區(qū)域，以減小上冠直縫處的漏水量。

(5)仔細清除頂蓋內(nèi)的鐵屑、熔渣等雜物，用δ=12的鋼板在密封座部位進行縫焊，形成完整的密封排水通道。

(6)落下頂蓋，復裝導葉臂、可調(diào)連桿等，并將控制環(huán)、軸承支架、主軸密封轉環(huán)、水輪機軸承復裝，然后復測水導瓦間隙。

4 結 語

頂蓋處理后再次進行開機試運行，振動明顯降低，且已在允許范圍之內(nèi)，說明處理措施是有效的。通過本次對甘肅黨上三級水電站頂蓋排水通道的改進，使得轉輪上部泵板與頂蓋間形成了完整的密封排水通道，消除了失速脫流現(xiàn)象，而且消除了機組頂蓋振動現(xiàn)象。

[1] GB/T 8564—2003，水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范[S].

[2] 王玲花.水輪發(fā)電機組振動及分析[M] .河南：黃河水利出版社，2011.

[3] 孫定茂.水輪機密封裝置的一些問題及改進措施[J].云南水力發(fā)電,2002(1)：78_81.

[4] 史宏超,李意民.離心泵進口回流及其控制的研究[J].水泵技術,2000(3)：27_29.

[5] 劉大凱. 水輪機(第三版)[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

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責任編輯 吳 昊

2014-12-16

虢 強(1982-)，男，工程師，主要從事水電站水力機械設計工作。E_mail：38030616@qq.com