李 紅，郭益鉆，向 靖，向會瓊

(1.湖北能源集團溇水水電有限公司芭蕉河水電廠，湖北 鶴峰 445800)

芭蕉河二級電站位于湖北鶴峰縣雞公洞，共裝機2臺，合計16 MW，為懸吊型混流式機組，其流域編號為蕉4G、蕉5G。水輪機型號為HLD74-LJ-140，發(fā)電機型號為SF8000-14/2860。蕉4G、蕉5G均為懸吊型水輪發(fā)電機，推力與上導(dǎo)均共用1個油槽，位于轉(zhuǎn)子上方并布置在上機架中心體，下導(dǎo)軸承設(shè)置在下機架中心體內(nèi)，上導(dǎo)和下導(dǎo)軸承各有8塊烏金瓦，設(shè)計單邊間隙均為0.10～0.15 mm，推力瓦為8塊塑料瓦，在推力瓦的下方有8塊丁腈耐油橡膠板來配合調(diào)整，水導(dǎo)軸承在最下方，共16片活動導(dǎo)葉，7個固定導(dǎo)葉，活動導(dǎo)葉立面為剛性密封，端面為彈性橡膠織布密封，導(dǎo)葉與拐壁通過分半鍵連接，拐壁、連板、控制環(huán)通過剪斷銷和銷釘連接，剪斷銷和銷釘均不帶偏心。其基本參數(shù)如下：額定功率8 000 kW，額定電壓10 500 V，額定電流549 A，額定轉(zhuǎn)速428 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速867 r/min。

1 振動原因分析

2018年10月對蕉4號機組進行設(shè)備日常巡檢時發(fā)現(xiàn)，蕉4號機組在運行時聲音偏大，測試徑向振動值得知該數(shù)值比先前所測數(shù)值略有增加。揭開機組蓋板開機運行檢查發(fā)現(xiàn)上機架+Y-X方向千斤頂基礎(chǔ)板有輕微的竄動現(xiàn)象，對機組安全運行造成了嚴(yán)重的威脅。通過對該現(xiàn)象進行全面分析和檢查認(rèn)為，該千斤頂在安裝初期使用的是水泥澆筑，并沒有對基礎(chǔ)板與基坑壁內(nèi)的鋼筋焊接在一起，隨著機組運行的時間增長，該基礎(chǔ)板出現(xiàn)了松動的現(xiàn)象，導(dǎo)致了振動的增大。

蕉4號機組原使用的上機架支臂千斤頂為一般機械千斤頂。其原理結(jié)構(gòu)主要為，通過手動來實現(xiàn)搖桿轉(zhuǎn)動，搖桿的轉(zhuǎn)動帶動小齒輪的轉(zhuǎn)動，圓錐齒輪就會配合小齒輪一起轉(zhuǎn)動，圓錐齒輪的轉(zhuǎn)動使得螺桿跟著旋轉(zhuǎn)，引起頂桿頂起或降落，保證千斤頂?shù)捻敆U和基座牢牢的支撐在上機架支臂與機坑壁之間。當(dāng)齒輪反方向運動，頂桿就會收縮，千斤頂就會自然落下，當(dāng)齒輪正方向運動，頂桿就會頂起。

2 造成立式機組一般振動原因[1-3]

水輪發(fā)電機組振動是一個復(fù)雜的問題，尤其是多段軸結(jié)構(gòu)的水輪機組，由于自身的結(jié)構(gòu)以及不平衡外力的干擾，在高速運轉(zhuǎn)的過程中，會在其原有旋轉(zhuǎn)運動的平衡位置附近附加周期性往復(fù)運動。另外，由于機組本身和外力的原因還會產(chǎn)生自激振動。但是從振動的原因來看，一般分為機械振動、水力振動和電磁振動等方面。

1)引起機械原因振動的是指振動中的干擾力來自機械部分的慣性力、摩擦力及其他力。引起振動的機械因素主要有：轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、機組轉(zhuǎn)子的振擺、機組軸線不正、機組水平偏移、轉(zhuǎn)子抖動、導(dǎo)軸承缺陷、連接法蘭松動等，以及轉(zhuǎn)動部分靜不平衡、轉(zhuǎn)動部分動不平衡、機組軸線缺陷、軸承缺陷、調(diào)速器調(diào)試不良等都是造成機組機械振動的原因。

2)引起水力原因的振動是指振動中的干擾力來自水輪機運行時的動水壓力。壓力降低時所產(chǎn)生的振動，其特征是帶有隨機性，當(dāng)機組處在非設(shè)計工況或過渡工況運行時,水流狀況惡化,機組各部件的振動也亦明顯增大。其主要因素有：轉(zhuǎn)輪破裂引起的水力不平衡、尾水管中的水力不穩(wěn)定、導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生不穩(wěn)定的渦流等情況。主要特征是：當(dāng)流入轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對稱時，就會出現(xiàn)不平衡的橫向力，造成轉(zhuǎn)輪振動，也就是過流通道不對稱，如：蝸殼變形，導(dǎo)葉開度不均勻，轉(zhuǎn)輪壓力分布不均等都是造成水力振動的根本原因。

3)引起磁振動的的原因是指振動中的干擾力來自發(fā)電機電氣部分的電磁力。主要因素有:轉(zhuǎn)子磁極繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子與定子不圓、發(fā)電機氣隙不均勻、定子鐵芯整體性不夠、轉(zhuǎn)子磁極擊穿、勵磁系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、三相負(fù)荷不平衡、電力系統(tǒng)發(fā)生波動、可控硅整流、負(fù)序電流、磁極次序錯誤而造成的振動。特別是當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地時，部分線匝短路，有較大的短路電流流過短路點，勵磁電流不正常的增大，發(fā)電機進相等，都可以引起磁場不平衡，造成發(fā)電機組強烈的振動。發(fā)電機突然短路還會使轉(zhuǎn)子軸受到很大的電磁力矩作用，所受力矩又分為兩種：一種是短路電流中使定子、轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電阻損耗的有功電流分量所產(chǎn)生的阻力矩，另一種是突然短路過度過程中才出現(xiàn)的沖擊交變力矩。這些電磁力及電磁力矩能使發(fā)電機組受到劇烈的振動，并給發(fā)電機部件帶來危害。

3 支臂千斤頂?shù)闹谱骷案脑?/h2>

芭蕉河電站蕉4號機組徑向振動值超標(biāo)，通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極連接引線進行處理后，徑向振動值達到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，但是為了保證設(shè)備后期能夠更好的安全、可靠、經(jīng)濟、穩(wěn)定的運行，徹底處理掉蕉4號機組機械千斤頂存在竄動的設(shè)備缺陷，又對蕉4號發(fā)電機組上機架支臂千斤頂進行了改造和更換，更換完畢后開機試運行，該機組穩(wěn)定性得到了進一步的提高。

本次安裝所使用的千斤頂是一種適合大、中、小型立式水輪發(fā)電機組使用的千斤頂裝置，4只千斤頂裝置均同一水平面徑向分布安裝在立式水輪發(fā)電機的上機架支臂與機坑壁之間，確保立式水輪發(fā)電機位于居中的位置，能很好地減少水輪發(fā)電機徑向振動，起到保護發(fā)電機，提高發(fā)電機的運轉(zhuǎn)可靠性。安裝完畢后效果圖如圖1。

圖1 安裝完畢后效果圖

4 支臂千斤頂?shù)闹谱鬟^程、基本參數(shù)及分析結(jié)果

該千斤頂在安裝制作的過程中首先通過三維建模軟件，對千斤頂進行初步的三維實體幾何模型制作，并且對千斤頂支撐的幾何模型采用了四面實體非線性網(wǎng)格劃分，對局部進行了網(wǎng)格細(xì)化處理以滿足計算精度要求，共計產(chǎn)生190 955個節(jié)點，112 986個單元。并且形成了有限元網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 千斤頂三維實體模型圖

1)蕉4號機組所使用的支臂千斤頂為Q235的板材組焊而成，其材料基本參數(shù)見表1，材料機械性能參數(shù)見表2。

表1 材料基本參數(shù)表

說明：參考溫度Tref指未發(fā)生應(yīng)力和應(yīng)變情況下的缺省溫度值。

表2 材料機械性能表

2)根據(jù)千斤頂支撐的實際受力情況，充分的分析當(dāng)發(fā)電機的氣隙值在10%時出現(xiàn)偏心或者半數(shù)磁極短路的情況下，所產(chǎn)生的徑向不平衡力對千斤頂?shù)挠绊懹嬎愠鋈缦聰?shù)據(jù)，見表3。①10%氣隙偏心時千斤頂支撐面受到的徑向作用力Fr1；②半數(shù)磁極短路時千斤頂支撐面受到的徑向作用力Fr2；③以上兩種工況時均對其施加重力加速度g，方向為-Z方向；④以上兩種工況時均對千斤頂與基礎(chǔ)接觸面施加壓縮支撐(Compression ony Support)約束。

表3 主要技術(shù)數(shù)據(jù)表

3)該千斤頂在支撐有限元模型上通過10%氣隙偏心和半數(shù)磁極短路等兩種工況下進行靜力學(xué)分析，得到分析結(jié)果見表4所示，各工況下的最大等效應(yīng)力值和最大位移值及其分布分別如圖3至圖6所示。

表4 千斤頂?shù)姆治鼋Y(jié)果表

圖3 10%氣隙偏心時的最大等效應(yīng)力值及其分布

圖4 10%氣隙偏心時的最大位移值及其分布

圖5 半數(shù)磁極短路時的最大等效應(yīng)力值及其分布

從以上分析結(jié)果中可知，千斤頂在10%氣隙偏心和半數(shù)磁極短路兩種工況下，最大等效應(yīng)力為46.71 MPa，位于吊孔內(nèi)邊沿上(如圖5所示)，此處板厚為20 mm，結(jié)合表2材料機械性能可知兩種工況下，千斤頂均能滿足設(shè)計強度要求和最大位移要求(如圖6所示)。

千斤頂?shù)闹蝿偠葹椋篕r=F/δ=1e6/0.612=1.634e6(N/mm)。

圖6 半數(shù)磁極短路時的最大位移值及其分布

5 結(jié) 語

通過為期4個月的持續(xù)監(jiān)測跟蹤分析，芭蕉河電站蕉4號機組徑向振動值超標(biāo)隱患得到徹底消除，振動擺度值達到機組正常穩(wěn)定運行要求。本案例對水輪發(fā)電機組振動值偏大的問題分析全面，告別了頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳的簡單處理方式，深入剖析，大膽采用新材料、新工藝，既節(jié)省成本，又很好地解決了實際問題。