張弋揚(yáng)，蔡俊鵬，何成連，劉 健

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京市 100084）

1 前言

水力機(jī)械軸向與徑向水推力不可避免地存在。軸向水推力可通過(guò)理論計(jì)算、試驗(yàn)測(cè)量及數(shù)值模擬計(jì)算得到，各方法都各具優(yōu)勢(shì)但同時(shí)又均有先天不足之處[1]。如理論計(jì)算一般采用簡(jiǎn)化策略并以假設(shè)為前提，其得到的結(jié)果不能反映一些工況、泄漏量、流道形狀等不確定因素對(duì)軸向水推力的影響[2]。試驗(yàn)測(cè)量包括模型試驗(yàn)及真機(jī)試驗(yàn)，在模型試驗(yàn)中一般是驗(yàn)證軸向水推力合同保證值，用來(lái)對(duì)推力軸承荷載進(jìn)行復(fù)核[3]，但由于模型和原型的止漏環(huán)部位、間隙、轉(zhuǎn)輪上平衡孔設(shè)置、頂蓋技術(shù)供水等存在等諸多相似性因素的影響而有許多不確定性，使換算的軸向力存在較大不確定性；真機(jī)試驗(yàn)最直接可靠，但真機(jī)試驗(yàn)在機(jī)組運(yùn)行后進(jìn)行，不具有普適性[1]。數(shù)值模擬由于計(jì)算模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件與真實(shí)情況不完全吻合等，計(jì)算結(jié)果的精度可靠性仍有待進(jìn)一步提高，如李浩亮等通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出數(shù)值模擬與測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)變化一致，但具體數(shù)值存在一定差異[4]。目前對(duì)于軸向水推力的研究較多，但關(guān)于機(jī)組徑向水推力的研究較少，徑向水推力的計(jì)算及測(cè)量研究需要加強(qiáng)。

水力機(jī)械軸向力一般由轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量、水對(duì)轉(zhuǎn)輪的浮力、水力機(jī)械運(yùn)行時(shí)葉片上的軸向力、軸端處?kù)o水力、上冠及下環(huán)在水壓力作用下形成的軸向力等組成[3]。徑向水推力主要分為轉(zhuǎn)頻徑向力及其他徑向力。造成轉(zhuǎn)頻徑向力的原因有轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不平衡力、轉(zhuǎn)輪內(nèi)腔水體分布不均造成的水力不平衡力、葉片型線和安裝角度不一致及葉片動(dòng)態(tài)形變不同等形成的水力不平衡力[5]，轉(zhuǎn)頻徑向力是造成軸偏磨，軸瓦均勻磨損的主要因素。其他如由轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出水流的不對(duì)稱性導(dǎo)致的具有固定方向性的徑向力，是造成軸均勻磨損，軸瓦偏磨的主要因素。

2 典型案例分析

2.1 高水頭混流式水輪機(jī)抬機(jī)故障診斷

四川某水電站，設(shè)計(jì)水頭262m，安裝了兩臺(tái)立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量22MW。2號(hào)機(jī)檢修完成后機(jī)組在升負(fù)荷過(guò)程至某個(gè)負(fù)荷時(shí)機(jī)組異常劇烈振動(dòng)，廠房震感明顯，被迫停機(jī)，后續(xù)經(jīng)過(guò)大量檢修、測(cè)試、調(diào)整、專家論證，問(wèn)題一直未得到解決。經(jīng)對(duì)機(jī)組開(kāi)展診斷性測(cè)試，分析后確認(rèn)：2號(hào)機(jī)大修后，將磨損葉片、上下止漏環(huán)修復(fù)，修復(fù)后的止漏環(huán)間隙產(chǎn)生變化，導(dǎo)致機(jī)組升至某一負(fù)荷時(shí)抬機(jī)，具體表現(xiàn)為：同一水頭，故障負(fù)荷具有復(fù)現(xiàn)性，不同水頭故障負(fù)荷點(diǎn)不同，停機(jī)后機(jī)組能夠正常開(kāi)機(jī)且在故障負(fù)荷以下能夠正常運(yùn)行；機(jī)組負(fù)荷升至故障點(diǎn)后，振動(dòng)劇烈，除機(jī)組外，廠房、玻璃振動(dòng)響應(yīng)劇烈，被迫停機(jī)；診斷測(cè)試時(shí)機(jī)組負(fù)荷升至7.5MW時(shí)故障現(xiàn)象出現(xiàn)，機(jī)組上機(jī)架、頂蓋振動(dòng)和頂蓋壓力變化如圖1所示。

圖1 機(jī)組增負(fù)荷過(guò)程中上機(jī)架、頂蓋振動(dòng)和頂蓋壓力變化Figure 1 The vibration and the pressure of the upper frame and top cover during the load increase of the unit

水輪機(jī)上設(shè)有常規(guī)的平衡孔，且技術(shù)供水也從頂蓋引出。通常認(rèn)為水輪機(jī)軸向水推力都是向下，只有在甩負(fù)荷時(shí)一般才會(huì)發(fā)生抬機(jī)現(xiàn)象。一般情況下，機(jī)組頂蓋壓力會(huì)隨機(jī)組負(fù)荷的增加而升高，機(jī)組振動(dòng)也不應(yīng)對(duì)頂蓋壓力產(chǎn)生大的影響。抬機(jī)力大于轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量，轉(zhuǎn)輪上移致轉(zhuǎn)輪與頂蓋發(fā)生摩擦，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，頂蓋壓力通道受阻，壓力從34m降至17m，根據(jù)頂蓋受壓面積0.78m2計(jì)算，抬機(jī)力增加13t，停機(jī)后轉(zhuǎn)動(dòng)部分復(fù)位。故障問(wèn)題明確后，初步將蝸殼高壓水引入水輪機(jī)頂蓋，解決了當(dāng)時(shí)汛期機(jī)組能夠滿負(fù)荷發(fā)電問(wèn)題，汛后封堵了轉(zhuǎn)輪上的部分平衡孔，使問(wèn)題得以解決。

新疆某水電站，在機(jī)組頂蓋上開(kāi)設(shè)6個(gè)平壓孔，引至水輪機(jī)尾水管，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)就出現(xiàn)抬機(jī)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)稱封堵3個(gè)平壓孔后機(jī)組能夠正常運(yùn)行。對(duì)于高水頭立式水泵、水輪機(jī)、水泵—水輪機(jī)，建議慎重采用在轉(zhuǎn)輪上開(kāi)設(shè)平衡孔方式，這種方法能夠有效降低軸向力，但會(huì)將轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動(dòng)導(dǎo)致頂蓋，不利于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定也不能在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中對(duì)軸向力進(jìn)行調(diào)節(jié)。建議采用在頂蓋上設(shè)置配有可調(diào)閥門(mén)的平壓孔，便于在機(jī)組試運(yùn)行期間將軸向力調(diào)至合適值。

2.2 雙吸離心泵口環(huán)與轉(zhuǎn)輪抱卡問(wèn)題分析和處理

某供水工程泵站安裝了5臺(tái)水平中開(kāi)離心式水泵，水泵主要參數(shù)（流量：3.7m3/s，揚(yáng)程：53.2m，轉(zhuǎn)速：590r/min），水泵投入運(yùn)行后就發(fā)現(xiàn)存在振動(dòng)、噪聲大問(wèn)題，運(yùn)行一段時(shí)間停機(jī)后出現(xiàn)轉(zhuǎn)子盤(pán)不動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)拆卸水泵進(jìn)行檢查、檢修發(fā)現(xiàn)葉輪吸入口與密封環(huán)發(fā)生嚴(yán)重摩擦磨損，局部已無(wú)間隙導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無(wú)法盤(pán)動(dòng)。圖2為口環(huán)磨損部位和形貌，其中傳動(dòng)端磨損最大為5.6mm，非傳動(dòng)端最大磨損為4.0mm。

圖2 雙吸離心泵口環(huán)磨損Figure 2 Wear of the impeller ring of double suction centrifugal pump

該水泵采用閉閥直接啟動(dòng)方式，開(kāi)機(jī)過(guò)程測(cè)試結(jié)果表明：機(jī)組轉(zhuǎn)速在1s內(nèi)從零升至599r/min，泵出口壓力升至最大值74m；出口蝶閥在機(jī)組啟動(dòng)1.8s后線性開(kāi)啟，23s全開(kāi)；軸位移矢量值在1.5s達(dá)到最大值（傳動(dòng)端0.9mm，非傳動(dòng)端0.5mm），方向?yàn)槌鏊蛳?5°，與口環(huán)磨損部位一致。

變揚(yáng)程試驗(yàn)結(jié)果表明：雙吸離心泵徑向力隨揚(yáng)程增大而增大，方向固定（如圖3所示）。泵站問(wèn)題為：泵兩側(cè)軸承支撐剛強(qiáng)度不足，在水泵閉閥啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)輪與口環(huán)產(chǎn)生摩擦，隨著出口閥門(mén)打開(kāi)，徑向力降低，轉(zhuǎn)輪恢復(fù)原位，但口環(huán)由于摩擦出現(xiàn)不均勻熱變形，向內(nèi)收縮，造成停機(jī)時(shí)（出口閥門(mén)關(guān)閉后停機(jī)）口環(huán)向內(nèi)收縮將轉(zhuǎn)輪抱住和口環(huán)局部磨損問(wèn)題。

圖3 某雙吸離心泵啟動(dòng)和不同運(yùn)行工況軸位移和方向Figure 3 Shaft displacement and direction of double suction centrifugal pump under starting and different operating conditions

采用直接啟動(dòng)的離心泵要注意軸承選擇和支撐的剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)，除要滿足正常運(yùn)行還要承受閉閥啟動(dòng)時(shí)的徑向力。應(yīng)研究機(jī)組啟動(dòng)與出口閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間配合問(wèn)題，在電機(jī)功率、啟動(dòng)沖擊電流允許條件下，將閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間提前。有一種雙蝸殼雙吸離心泵設(shè)計(jì)，可有效降低徑向力。

2.3 立式軸流泵的橡膠瓦偏磨問(wèn)題分析徑向水推力

典型立式軸流泵一般為肘型進(jìn)水流道、虹吸出水流道且泵體內(nèi)主軸裸露。出水流道內(nèi)水流作用于裸露的主軸上，形成出流方向徑向力；進(jìn)水肘型流道，由于彎肘作用，轉(zhuǎn)輪上肘外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)壓力，形成入流方向徑向力；共同作用軸運(yùn)行時(shí)形成固定向軸位移，造成橡膠水導(dǎo)軸承偏磨（見(jiàn)圖4）。

圖4 典型軸流泵布置圖及軸瓦偏磨Figure 4 Layout of typical axial flow pump and eccentric wear of bearing bush

在裸露軸段加裝保護(hù)外套可消除軸出流向徑向力。應(yīng)對(duì)消除肘型流道造成轉(zhuǎn)輪進(jìn)水不均勻產(chǎn)生的徑向力措施進(jìn)行研究，如在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口兩側(cè)邊壁設(shè)置可調(diào)節(jié)導(dǎo)流板等調(diào)節(jié)措施。徑向力大小和方向，可通過(guò)軸擺度測(cè)量信號(hào)的直流量間接獲得（定義為軸位移），軸位移基準(zhǔn)為：機(jī)組在正常停機(jī)時(shí)，自由降速過(guò)程后軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心。

2.4 高揚(yáng)程立式離心泵掃膛故障診斷

某調(diào)水工程泵站，采用單級(jí)立式離心泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程140m，單機(jī)額定流量6.45m3/s，轉(zhuǎn)速600r/min。其中一臺(tái)機(jī)組發(fā)生水泵掃膛故障，摩擦部位為：轉(zhuǎn)輪一側(cè)，止漏環(huán)一周。現(xiàn)象為：機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)突然產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，觸發(fā)保護(hù)被迫停機(jī)，停機(jī)后，機(jī)組仍能正常啟動(dòng)；正常運(yùn)行，在不定期運(yùn)行后又出現(xiàn)劇烈振動(dòng)導(dǎo)致停機(jī)，而泵站其他同型號(hào)機(jī)組運(yùn)行正常。經(jīng)檢查電機(jī)、水泵、制造和安裝都符合規(guī)范，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

水泵采用明蝸殼可中拆結(jié)構(gòu)，電機(jī)、水泵之間過(guò)渡軸較長(zhǎng)，為降低軸向力，泵輪上設(shè)有平衡孔，將頂蓋與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口聯(lián)通，為常用的降低軸向力措施。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)推力瓦溫39℃偏低，巴氏合金瓦推力軸承一般運(yùn)行瓦溫范圍為66～80℃[6，7]，說(shuō)明水泵軸向力較小或本身就存在抬機(jī)隱患。經(jīng)對(duì)運(yùn)行記錄檢查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)程后推力瓦溫降為37℃，分析認(rèn)為，機(jī)組故障為水泵抬機(jī)使主軸產(chǎn)生彎曲變形導(dǎo)致水泵掃膛。

2.5 軸向力、徑向力測(cè)量

軸向力可采用測(cè)量推力軸承支架變形方法間接測(cè)量，在推力軸承座處設(shè)置電渦流位移傳感器測(cè)量軸承座位移，采用轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，利用高壓油頂起裝置，將轉(zhuǎn)動(dòng)部分頂起，軸向力為零，將轉(zhuǎn)動(dòng)部分放下，軸向力為轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量；也可采用遙測(cè)應(yīng)變儀測(cè)量水輪機(jī)軸拉應(yīng)變方法測(cè)量。

徑向力測(cè)量需要在軸瓦支撐調(diào)節(jié)螺栓上裝設(shè)測(cè)力元件，至少對(duì)稱裝設(shè)4個(gè)。也可通過(guò)軸位移信號(hào)（水導(dǎo)軸擺度直流信號(hào)）間接分析徑向力大小和方向。

3 結(jié)語(yǔ)

水力機(jī)械水力上抬會(huì)對(duì)應(yīng)3種現(xiàn)象：

（1）對(duì)于大型機(jī)組，轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量大、軸徑大，一般不會(huì)產(chǎn)生故障問(wèn)題（將轉(zhuǎn)動(dòng)部分抬起，將軸抬彎），主要表現(xiàn)為運(yùn)行穩(wěn)定性變差，推力瓦溫偏低；

（2）對(duì)于中型長(zhǎng)軸機(jī)組，出現(xiàn)抬機(jī)問(wèn)題，如果軸線比較好，且抬機(jī)力小于轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量，機(jī)組能正常運(yùn)行（機(jī)組發(fā)飄，運(yùn)行穩(wěn)定指標(biāo)差）。如果軸線偏折較大，在抬機(jī)力作用下將加劇軸線偏折，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)掃膛故障；

（3）如果抬機(jī)力大于轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量，機(jī)組不能運(yùn)行。因此，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)抬機(jī)問(wèn)題，對(duì)于高水頭中小機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組特別應(yīng)給予重視。

我們需要加強(qiáng)水力機(jī)械軸向、徑向力研究，測(cè)試和調(diào)節(jié)控制技術(shù)也需要?jiǎng)?chuàng)新。軸向力設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將軸向力控制在一定范圍，既有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，又不超過(guò)推力軸承承受能力。推薦采用在頂蓋上設(shè)置平壓管并裝設(shè)調(diào)節(jié)閥門(mén)的設(shè)計(jì)，便于對(duì)混流式水輪機(jī)、離心泵軸向力進(jìn)行調(diào)整，在運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)嚴(yán)控抬機(jī)現(xiàn)象發(fā)生；雙蝸殼設(shè)計(jì)的離心泵可有效降低徑向力，機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)徑向力越小對(duì)導(dǎo)軸承越有利；對(duì)徑向力的調(diào)節(jié)和控制是設(shè)計(jì)需考慮的一個(gè)問(wèn)題，初步設(shè)想在下環(huán)處對(duì)稱設(shè)置4個(gè)調(diào)壓腔，進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)轉(zhuǎn)輪徑向力進(jìn)行控制調(diào)節(jié)的研究。