杜 永，滕陸楊，李 言

（國網(wǎng)新源豐滿電廠，吉林省吉林市 132108）

0 引言

水力機(jī)組在運(yùn)行中，由于受到機(jī)械、水利、電器和氣蝕等各方面因素的影響，產(chǎn)生一定量的振動和擺度是不可避免的[1]。振動和擺度的參量是反映水力機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，同時(shí)，異常的振動和擺度也是影響機(jī)組壽命的重要原因之一。因此，對水力機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)異常的擺度和振動進(jìn)行研究和處理有著重要意義。

1 概述

豐滿電廠始建于1937年，是我國第一座大型水電廠，位于吉林市東南24km處的第二松花江上，1988年三期擴(kuò)建工程完成。三期電站水輪發(fā)電機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠制造，型號為SF140-56/11950，為不完全半傘式三相交流同步發(fā)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速107.1r/min。水輪發(fā)電機(jī)組軸系由上端軸、轉(zhuǎn)子中心體（軸）、水輪機(jī)軸3段軸組成。機(jī)組設(shè)有上導(dǎo)軸承、推力軸承和水導(dǎo)軸承3部軸承，其中推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方，介于上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承之間。上導(dǎo)軸承安裝于上機(jī)架內(nèi)部，由12塊上導(dǎo)軸瓦、上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子、頂軸、冷卻器及附件等組成，軸瓦間隙為墊片調(diào)整方式。推力軸承由推力頭、鏡板、尼龍塑料瓦、自平衡彈性油箱、推力支架、冷卻器及附件組成。自平衡彈性油箱為整體硬連接，單個(gè)彈性油箱不可調(diào)，盤車形式為彈性盤車[2～4]。水導(dǎo)軸承由10塊水導(dǎo)瓦、冷卻器、水導(dǎo)軸承滑轉(zhuǎn)子及附件組成。

2 機(jī)組振動和擺度超標(biāo)分析[5，6]

2.1 機(jī)組振動和擺度情況簡介

11號機(jī)組1998年7月21日并網(wǎng)發(fā)電，2000年2月首次擴(kuò)大性大修，大修后上機(jī)架的垂直和水平方向振動增大，上導(dǎo)軸承擺度增大，水導(dǎo)軸承擺度減小。為了解決2000年擴(kuò)大性大修后上導(dǎo)軸承擺度偏大問題，2001年5月8日11號機(jī)組開始中修，通過平移上端軸的方法處理軸線，修后上導(dǎo)軸承擺度由0.70mm降至0.42mm，上機(jī)架振動幅值未變，水導(dǎo)軸承擺度幅值未變。2012年12月開始11號機(jī)組擴(kuò)大性大修，修后上導(dǎo)軸承擺度由修前0.72mm降至0.57mm，上機(jī)架振動幅值未變；水導(dǎo)軸承擺度由修前0.52mm降至0.40mm。歷次大修振動擺度比較如圖1所示。

圖1 歷次大修振動擺度比較圖Fig.1 Comparison of previous overhaul vibration

2014年，三期電站開始獨(dú)立運(yùn)行，11號機(jī)組振動和擺度隨著運(yùn)行小時(shí)數(shù)增加不斷增加，12月上導(dǎo)擺度幅值約為0.803～0.91mm，水導(dǎo)擺度幅值約為0.49mm，且呈繼續(xù)增長趨勢。2016年春檢和秋檢中，上機(jī)架固定螺栓都發(fā)生不同數(shù)量的松動，機(jī)組存在較大的安全事故隱患。

2.2 機(jī)組振動、擺度超標(biāo)分析

為了查明機(jī)組振動、擺度超標(biāo)的原因，查閱了機(jī)組自1998～2014年安裝、檢修及試驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)如下問題：

2000年開始上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承擺度呈遞增趨勢，雖經(jīng)歷次檢修，但未能徹底根治；1998年安裝報(bào)告和2012年檢修報(bào)告有彈性油箱水平和壓縮量記錄（見圖2），其余檢修報(bào)告未見相關(guān)記錄。2012年壓縮量最大偏差0.32mm大于規(guī)范要求的不大于0.2mm的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且兩次記錄數(shù)值偏差較大，表明彈性油箱受力不均。

圖2 彈性油箱壓縮量比較圖Fig.2 Flexible mailbox compression comparison chart

根據(jù)1998年上機(jī)架水平振動頻域FFT[7，8]分析圖（見圖3）可知，空轉(zhuǎn)工況上機(jī)架水平振動主要頻率分為1倍轉(zhuǎn)頻與4倍轉(zhuǎn)頻[5，9，10]；2012年檢修測量了鏡板徑向擺度（見表1），經(jīng)計(jì)算可知最大全擺度為0.62mm，最大擺度方位為軸號1。綜上所述，表明機(jī)組軸線不正。

圖3 上機(jī)架水平振動頻域FFT分析圖Fig.3 FFT analysis of horizontal vibration frequency in upper frame

經(jīng)分析1998年安裝報(bào)告和2014年試驗(yàn)報(bào)告得知，上機(jī)架水平振動幅值與轉(zhuǎn)速平方大致呈線性關(guān)系，尤其是轉(zhuǎn)頻分量，表明機(jī)組存在動不平衡現(xiàn)象。如圖4和圖5所示。

表1 2012年大修鏡板徑向擺度值Tab.1 2012 Radial pendulum value of overhaul mirror board

圖4 1998年上機(jī)架水平振動關(guān)系曲線Fig.4 The horizontal vibration relation curve of the rack in 1998

圖5 2014年上機(jī)架水平振動關(guān)系曲線Fig.5 The horizontal vibration relation curve of the rack in 2014

3 處理過程與效果測試

為了全面了解軸線，將水輪發(fā)電機(jī)組這類動力機(jī)械的旋轉(zhuǎn)部分幾何中心連線（以下簡稱機(jī)組軸線）的段數(shù)有限放大，通過盤車了解段與段間的傾斜度和同心度，掌握機(jī)組軸線運(yùn)行情況，通過對盤車情況和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，確定振動和擺度超標(biāo)的根源，從而采取行之有效的方法消除振動和擺度超標(biāo)隱患，保證水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。詳細(xì)過程如下：

3.1 工期

為了不影響下游供水和豐滿電廠重建工程，避免棄水，豐滿電廠計(jì)劃2月21日到3月23日汛期來臨前，結(jié)合11號機(jī)組春檢D修進(jìn)行機(jī)組盤車、軸線處理等振動和擺度超標(biāo)隱患治理工作，計(jì)劃工期30天。后由于上端軸返廠處理，工期延期至6月30日，由D修轉(zhuǎn)至A修，實(shí)際完成日期為5月30日。

3.2 機(jī)組盤車

將轉(zhuǎn)動部分移至機(jī)組中心后，安裝電盤車專用工具和測量擺度用的百分表。擺度測量增加了上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子和滑環(huán)間（上導(dǎo)上）、轉(zhuǎn)子上法蘭、 推力頭、水導(dǎo)軸承和主軸間（水導(dǎo)上）4層8塊百分表，即共計(jì)7層14 塊百分表將軸線分為6段；由于是彈性盤車，所以盤車時(shí)分單抱上導(dǎo)、單抱水導(dǎo)及抱上導(dǎo)和水導(dǎo)3種狀態(tài)。3種狀態(tài)盤車數(shù)據(jù)如表2～表4所示。

表2 抱上導(dǎo)盤車數(shù)據(jù)Tab.2 Hold the guide bearing drive data X：軸號4，Y：軸號2調(diào)零 0.01mm

表3 抱水導(dǎo)盤車數(shù)據(jù)Tab.3 Hold water guide bearing drive data X：軸號4，Y：軸號2調(diào)零 0.01mm

根據(jù)3種狀態(tài)6組數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：

（1）上導(dǎo)擺度異常；

（2）彈性油箱水平可能不合格；

（3）上端軸偏心。

3.2.1 上導(dǎo)擺度異常分析與處理

初始盤車時(shí)，上導(dǎo)用4塊瓦將軸抱緊，調(diào)整軸瓦間隙不大于0.05mm，盤車時(shí)發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)擺度都大于0.10mm，立即停止了盤車；為了消除擺度偏大，改為用12塊上導(dǎo)瓦抱瓦方式重新盤車。從表2上導(dǎo)擺度值可知，上導(dǎo)擺度異?，F(xiàn)象仍然存在。從盤車擺度數(shù)值無法分析出上導(dǎo)擺度異常的原因，后查閱上導(dǎo)軸承裝配圖及零件圖知，上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子和上端軸為熱套結(jié)構(gòu)，中間為191號不飽和聚酯樹脂絕緣墊層。用塞尺檢查上端軸、絕緣墊層和滑轉(zhuǎn)子三者間隙，絕緣墊層和滑環(huán)子間0間隙，絕緣墊層與上端軸間局部有間隙，間隙范圍為0.05～0.15mm，間隙長度20～300mm，即上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子與主軸的過盈配合失效，二者間存在間隙?？赡墚a(chǎn)生間隙的原因有以下4種：

（1）加工問題：滑轉(zhuǎn)子和絕緣墊層為過盈配合，需要加工出過盈量來保證緊度，加工和測量的誤差導(dǎo)致過盈量不足，最終導(dǎo)致松動；

（2）設(shè)計(jì)的過盈量不足：設(shè)計(jì)時(shí)本身過盈量不足，導(dǎo)致最終運(yùn)行過程中墊層松動；

（3）絕緣墊層老化：當(dāng)絕緣墊層老化后，絕緣墊層可能變得松散，最后導(dǎo)墊層致剝落，緊量不足；

（4）檢修方法不合理：檢修時(shí)，用千斤頂頂上導(dǎo)軸承滑轉(zhuǎn)子使主軸發(fā)生平移的方法測量上導(dǎo)軸承間隙，有可能由于多次頂滑轉(zhuǎn)子，造成絕緣墊層損壞而松動。

為了消除上端軸與上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子間的間隙，將上端軸送哈爾濱電機(jī)廠進(jìn)行返修。同時(shí)，為了防止上端軸和上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子再次發(fā)生松動，將191號不飽和聚酯絕緣墊層增厚，即使最大過盈量增加0.20mm，滑轉(zhuǎn)子熱套后精車拋光。

3.2.2 彈性油箱水平測量與調(diào)整

將鏡板落在彈性油箱上，此時(shí)測量的鏡板水平即為彈性油箱水平，最大水平度為0.19mm/m大于0.02mm/m的規(guī)范要求，驗(yàn)證了前面分析的彈性油箱水平可能不合格的結(jié)論。根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在推力支架和頂蓋結(jié)合面加銅墊片的方式進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后彈性油箱的水平度小于0.02mm/m的規(guī)范要求。彈性油箱調(diào)整加墊數(shù)值如圖6所示。

圖6 彈性油箱水平調(diào)整加墊圖Fig.6 Elastic tank horizontal adjustment and cushion diagram

3.2.3 上端軸偏心的分析與處理

根據(jù)盤車數(shù)據(jù)分析計(jì)算，上端軸偏心量約0.50mm。分析導(dǎo)致偏心原因可能為，加工時(shí)人為測量誤差導(dǎo)致。為了消除偏心量，以上端軸法蘭止口中心為基準(zhǔn)，將法蘭止口直徑車減1.2mm，為軸線處理預(yù)留足夠的平移量。

上端軸返修完畢后，進(jìn)行了轉(zhuǎn)子圓度測量和3種狀態(tài)盤車，根據(jù)轉(zhuǎn)子圓度測量數(shù)據(jù)和3種狀態(tài)6組盤車。根據(jù)數(shù)據(jù)分析計(jì)算可知：

（1）轉(zhuǎn)子圓度符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝規(guī)范》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求；

（2）上導(dǎo)擺度不大于0.10mm，上導(dǎo)擺度異常得以解決；

（3）上端軸偏心量為0.48mm，方向?yàn)檩S號4偏軸號5方向18°；

（4）經(jīng)計(jì)算，上端軸平移后轉(zhuǎn)子圓度仍符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求，可以通過平移上端軸的方法處理軸線。

上端軸平移后盤車檢查軸線，經(jīng)計(jì)算水導(dǎo)軸承相對擺度不大于0.03mm/m，上導(dǎo)擺度不大于0.02mm/m，滑環(huán)擺度不大于0.5mm，符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求。

3.3 處理效果測試

為了驗(yàn)證機(jī)組軸線處理的效果，分析各種工況下機(jī)組不平衡力、磁力、水力作用對機(jī)組的影響，確定機(jī)組振動區(qū)，為機(jī)組消振、避振提供科學(xué)依據(jù)，檢修完畢后進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)和機(jī)組動平衡測試[11，12]，不同相對轉(zhuǎn)速下的振動通頻峰峰值測試結(jié)果見圖7。

圖7 不同相對轉(zhuǎn)速下的振動比較圖Fig.7 Comparison of vibrations at different relative rotational speeds

從試驗(yàn)和測試結(jié)果來看，由于機(jī)組是兩導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)上導(dǎo)、水導(dǎo)及推力支架位置大軸擺度和上機(jī)架水平振動均較大，不能滿足機(jī)組長期運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)要求，說明機(jī)組轉(zhuǎn)動部件存在一定量的機(jī)械不平衡力。因此，根據(jù)空轉(zhuǎn)過程中的振動和擺度數(shù)據(jù)可確定總配重80kg：其中轉(zhuǎn)子上部40kg，位置以鍵相片為基準(zhǔn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)183°；轉(zhuǎn)子下部40kg，位置以鍵相片為基準(zhǔn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)170°。對應(yīng)的位置為轉(zhuǎn)子磁極引線開始俯視面向大軸右側(cè)第5個(gè)支臂，即編號為9的支臂，轉(zhuǎn)子共16支臂，配重結(jié)果如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子配重效果圖Fig.8 Rotor counterweight effect map

機(jī)組配重后，經(jīng)穩(wěn)定性試驗(yàn)[14，15]、動平衡測試、升壓試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)，變負(fù)荷試驗(yàn)振擺數(shù)據(jù)見表5。經(jīng)數(shù)據(jù)分析表明：機(jī)組的振動、擺度超標(biāo)得到有效解決，機(jī)械不平衡力經(jīng)配重處理得到消除，機(jī)組振動、擺度再次得到較大的改善，符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》15.3.1e）規(guī)定，能夠很好地滿足機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

表5 變負(fù)荷振擺值Tab.5 Variable load pendulum value通頻峰峰值 0.01mm

4 結(jié)束語

豐滿電廠11號機(jī)組振動、擺度超標(biāo)經(jīng)上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子重新裝配、上端軸平移和動平衡配重后得到了徹底根治，消除振動擺度超標(biāo)隱患，保證水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也為相同結(jié)構(gòu)類型的動力機(jī)械提供一套解決振動、擺度超標(biāo)的方法和經(jīng)驗(yàn)。為了保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效防止和發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)軸承滑轉(zhuǎn)子再次發(fā)生松動，建議制定以下防范措施：

（1）檢修時(shí)上導(dǎo)間隙測量時(shí)應(yīng)避免采用頂上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子的方法，宜采用頂上端軸的方法進(jìn)行間隙測量；如果具備條件，將上導(dǎo)軸承墊片調(diào)整間隙的方式改為楔子板或球面支柱方式，便于間隙調(diào)整和提高間隙調(diào)整準(zhǔn)確度。

（2）在上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子和上端軸配合的上平面做相對位置記號，便于日常巡檢時(shí)檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子和上端軸松動。