水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承缺陷引起振動(dòng)超標(biāo)試驗(yàn)研究

王新樂(lè)，董鴻魁，田 鑫

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明650217）

0 概述

某水電站裝機(jī)2臺(tái)18 MW立軸混流式懸式機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速428 r/min，額定水頭96 m。其上導(dǎo)軸承與推力軸承組成一個(gè)組合軸承，共用一個(gè)油盆。推力頭由8 個(gè)沿圓周均勻分布的M30 螺栓與鏡板聯(lián)接，推力頭與鏡板之間有一層3 mm 左右厚度的環(huán)氧板絕緣墊層。推力瓦采用塑料瓦，剛性支撐結(jié)構(gòu)。

電站1 號(hào)機(jī)組完成C 級(jí)檢修后，首次開(kāi)機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)上機(jī)架垂直振動(dòng)在“空轉(zhuǎn)”及“空載”工況嚴(yán)重超標(biāo)，尤其在轉(zhuǎn)速達(dá)到95%～105%ne工況時(shí)，上機(jī)架垂直振動(dòng)最大雙邊振幅達(dá)到0.15 mm，轉(zhuǎn)速超過(guò)110%ne 后其振動(dòng)幅值迅速減小，為0.07 mm 左右。帶負(fù)荷后，上機(jī)架垂直振動(dòng)幅值進(jìn)一步減小，隨著負(fù)荷的上升，其幅值逐漸降低，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷到5.5 MW 時(shí)，其幅值降低至0.02 mm左右，之后基本保持在這一水平。上機(jī)架水平振動(dòng)以及其他導(dǎo)軸承支撐處振動(dòng)幅值均在規(guī)程規(guī)定范圍以?xún)?nèi)，各導(dǎo)軸承處大軸擺度值也均未超標(biāo)。此外，上導(dǎo)軸承與推力軸承公用油盆中的油質(zhì)變渾濁，油色變深。（以上所涉及數(shù)據(jù)均為電站用百分表檢測(cè)值）

本文以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、相位分析等手段，確定了引起機(jī)組上機(jī)架垂直振動(dòng)的直接原因，并指出了造成其振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)的間接原因，為電站后續(xù)處理施工提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)工況設(shè)置及測(cè)點(diǎn)布置

1.1 工況設(shè)置

首先通過(guò)變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁、變負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)機(jī)組整體運(yùn)行情況作出診斷評(píng)價(jià)，并逐一排除可能存在的機(jī)械、電磁、水力因素造成機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的可能性[2]。此外，針對(duì)機(jī)組存在的上機(jī)架垂直振動(dòng)在某一特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)嚴(yán)重超標(biāo)這一現(xiàn)象，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了連續(xù)變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)以及連續(xù)變負(fù)荷試驗(yàn)，目的是測(cè)試機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下的振動(dòng)變化趨勢(shì)，驗(yàn)證不同的軸向水推力對(duì)上機(jī)架垂直振動(dòng)的影響。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)測(cè)試內(nèi)容，選定以下19 個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)機(jī)組不同工況下的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行連續(xù)錄波監(jiān)測(cè)：①上機(jī)架+X 向水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)，上機(jī)架-X向水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)；②上導(dǎo)軸承處+X 向大軸擺度、+Y 向大軸擺度；③下機(jī)架+X 向水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)；④下導(dǎo)軸承處+X 向大軸擺度、+Y 向大軸擺度；⑤頂蓋+X 向水平振動(dòng)、垂直振動(dòng)；⑥水導(dǎo)軸承處+X 向大軸擺度、+Y 向大軸擺度；⑦大軸聯(lián)接法蘭處+X 向軸向竄動(dòng)；⑧上機(jī)架+X 向垂直振動(dòng)（電渦流位移傳感器）；⑨尾水椎管進(jìn)口壓力，頂蓋壓力，導(dǎo)葉后壓力。

其中，除上機(jī)架+X 向垂直振動(dòng)為了準(zhǔn)確比較相位，后期加裝了⑧號(hào)測(cè)點(diǎn)采用電渦流位移傳感器外，其他所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均采用壓電式速度傳感器；所有大軸擺度測(cè)點(diǎn)均采用電渦流位移傳感器；大軸聯(lián)接法蘭處+X 向軸向竄動(dòng)采用電渦流位移傳感器。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

主要測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，1 號(hào)機(jī)組上機(jī)架垂直振動(dòng)在額定轉(zhuǎn)速附近振幅達(dá)到最大值，幅值約為260 μm 左右，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至110%nr時(shí)，振動(dòng)幅值有明顯下降，幅值約為110 μm 左右。變負(fù)荷試驗(yàn)中，隨著負(fù)荷上升，振動(dòng)幅值有逐漸下降趨勢(shì)，滿(mǎn)負(fù)荷18 MW 時(shí)，振動(dòng)幅值降至60 μm 左右。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水輪發(fā)電機(jī)組帶推力軸承支架的垂直振動(dòng)限值為50 μm[3]。從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，1 號(hào)機(jī)組上機(jī)架垂直振動(dòng)幅值在各個(gè)工況下均超過(guò)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。而機(jī)組其他各項(xiàng)振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)指標(biāo)在各個(gè)工況下基本滿(mǎn)足相關(guān)指標(biāo)。

表1 機(jī)組振動(dòng)擺度情況主要測(cè)試結(jié)果 單位：μm

根據(jù)變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁、變負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，機(jī)組不存在明顯的質(zhì)量不平衡及磁拉力不平衡現(xiàn)象。對(duì)接近過(guò)水部件的各壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析，其頻率成分與振動(dòng)頻率并無(wú)相關(guān)性，基本可以排除水力因素的影響。因此，把研究重點(diǎn)集中在最有可能引起上機(jī)架垂直振動(dòng)過(guò)大的推力軸承組合及其軸承支座的振動(dòng)特征上來(lái)。

2.1 振源分析

從表1 可以看出，機(jī)組上機(jī)架垂直振動(dòng)在空轉(zhuǎn)及空載工況最為惡劣，幅值達(dá)到了260 μm 左右。針對(duì)這一工況，對(duì)上機(jī)架軸向振動(dòng)及竄動(dòng)數(shù)據(jù)作頻譜分析，如圖1 所示。由圖1 可以看出，上機(jī)架垂直振動(dòng)及軸向竄動(dòng)頻譜主要以14.2 Hz 的2 倍轉(zhuǎn)頻為主，并伴有少量的整數(shù)倍頻，以1 倍頻和3 倍頻尤為明顯。根據(jù)對(duì)其他測(cè)點(diǎn)的頻譜分析結(jié)果，各導(dǎo)軸承處大軸擺度及軸承支座的水平振動(dòng)主要以1 倍頻為主，各壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)則主要以2 Hz 以下的低頻成分為主，基本可以排除上機(jī)架振動(dòng)是由大軸不規(guī)則撞擊軸瓦或水力因素引起。

根據(jù)以上頻譜分析結(jié)果，結(jié)合推力油盆內(nèi)油質(zhì)變黑這一現(xiàn)象，初步推測(cè)上機(jī)架垂直振動(dòng)的振源來(lái)自于推力頭組合。判斷為推力頭與鏡板聯(lián)接螺栓存在松動(dòng)，其環(huán)氧板絕緣墊層存在磨蝕或損壞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致推力頭與鏡板之間出現(xiàn)彈性變形和間隙引起機(jī)組垂直振動(dòng)。

從表1 的變負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組初期并網(wǎng)帶0 MW 負(fù)荷時(shí)，上機(jī)架垂直振動(dòng)達(dá)到275 μm，軸向竄動(dòng)達(dá)到862 μm。機(jī)組帶少量負(fù)荷后，向下的軸向水推力作用迫使推力鏡板與推力瓦之間的連接變形減小，從而緩解了鏡板彈性變形引起的上機(jī)架垂直振動(dòng)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)。帶2 MW 負(fù)荷時(shí)，垂直振動(dòng)和軸向竄動(dòng)分別下降至130 μm 和430 μm左右，分別下降了1 倍。帶4 MW 負(fù)荷時(shí)，其幅值分別降至80 μm和260 μm左右。之后隨著負(fù)荷的增加，其幅值下降的幅度也趨于平緩。這也從一個(gè)側(cè)面印證了之前的推測(cè)。

圖1 軸向振動(dòng)及竄動(dòng)頻譜分析

從連續(xù)變負(fù)荷試驗(yàn)中可以更為明顯的看到這種趨勢(shì)，如圖2 所示。負(fù)荷由18 MW 連續(xù)降至空載，直至解列空轉(zhuǎn)，再到降速停機(jī)整個(gè)過(guò)程中，上機(jī)架垂直振動(dòng)從小逐漸增大，到接近0 MW 時(shí)，這種增大趨勢(shì)愈加明顯，直觀反映了隨負(fù)荷變化，軸向水推力的變化對(duì)上機(jī)架垂直振動(dòng)的影響。

圖2 連續(xù)降負(fù)荷試驗(yàn)

從圖2 中可以看到，隨著負(fù)荷的降低，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分整體上移了大約1.27 mm，隨著向下的軸向水推力逐漸減小，機(jī)組在推力頭組合被壓縮的空間逐漸恢復(fù)，加之油膜作用，產(chǎn)生一定的向上位移屬于正常現(xiàn)象。此外，在降負(fù)荷過(guò)程末段發(fā)生了兩次較為明顯的軸向跳變現(xiàn)象。結(jié)合機(jī)組頂蓋壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析此現(xiàn)象可能由降負(fù)荷過(guò)程中導(dǎo)葉關(guān)閉的非線(xiàn)性引起，至末段導(dǎo)葉全關(guān)后，頂蓋壓力完全泄壓，導(dǎo)葉關(guān)閉的非線(xiàn)性引起頂蓋壓力變化的非線(xiàn)性是引起機(jī)組跳變的原因。

2.2 振幅分析

雖然推測(cè)上機(jī)架垂直振動(dòng)的振源來(lái)自于推力頭組合，但其環(huán)氧板絕緣墊層厚度僅為3 mm 左右，即使存在磨蝕或損壞，其造成的推力鏡板的彈性變形也極其有限，不足以引起幅值達(dá)260 μm 左右的垂直振動(dòng)。因此，對(duì)機(jī)組作連續(xù)變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，如圖3 所示。

圖3 連續(xù)降速試驗(yàn)（100%ne-110%ne-20%ne）

以上3 個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率變化規(guī)律一致，故圖中僅標(biāo)識(shí)出其中1 個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻率變化規(guī)律。

據(jù)連續(xù)變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)表明，機(jī)組在轉(zhuǎn)頻接近7.13 Hz（100%ne）和4.73 Hz（67%ne）時(shí)，上機(jī)架垂直振動(dòng)幅值有明顯增大；反之，偏離這一轉(zhuǎn)頻時(shí)，上機(jī)架垂直振動(dòng)幅值明顯減小，且振動(dòng)頻率均為14.2 Hz 左右，正好為7.13 Hz 的2 倍，4.73 Hz 的3倍。在更低的轉(zhuǎn)頻下，本應(yīng)出現(xiàn)在2.35 Hz（33%ne）轉(zhuǎn)頻下的耦合現(xiàn)象，由于激振力的減小造成了耦合轉(zhuǎn)頻和振動(dòng)頻率的少量偏移，分別偏移至2.92 Hz（41%ne）和14.6 Hz。據(jù)此，可基本判定上機(jī)架垂直振動(dòng)諧振頻率為14.2 Hz，在額定轉(zhuǎn)速下與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)的2 倍頻產(chǎn)生共振現(xiàn)象，在也是導(dǎo)致機(jī)組在不同負(fù)荷下運(yùn)行發(fā)電機(jī)上機(jī)架垂直振動(dòng)發(fā)生明顯改變的主要原因。

3 結(jié)論與建議

機(jī)組上機(jī)架垂直振動(dòng)在接近額定轉(zhuǎn)速工況下嚴(yán)重超標(biāo)，主振頻率為14.2 Hz 的2 倍頻，推測(cè)其振源來(lái)自于推力頭組合，與上機(jī)架固有頻率耦合產(chǎn)生共振，初步判斷為推力頭與鏡板聯(lián)接螺栓存在松動(dòng)，其環(huán)氧板絕緣墊層存在磨蝕或損壞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致推力頭與鏡板之間出現(xiàn)彈性變形和間隙引起機(jī)組垂直振動(dòng)。建議：

（1）檢查推力頭鏡板組合、聯(lián)接螺栓等是否存在松動(dòng)或斷裂現(xiàn)象，并檢查推力瓦托盤(pán)、抗重螺栓是否有松動(dòng)或斷裂現(xiàn)象，消除振源。

（2）盡量避免機(jī)組在容易與共振頻率發(fā)生耦合的轉(zhuǎn)頻下長(zhǎng)時(shí)間停留，如14.2 Hz 的整數(shù)倍頻率范圍，以及可以被14.2 Hz 整除的頻率范圍附近。

（3）具備條件時(shí)對(duì)上機(jī)架開(kāi)展模態(tài)試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握目前上機(jī)架的固有頻率[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承缺陷引起機(jī)組振動(dòng)性能惡化的情況較為常見(jiàn)，這些缺陷一般包括鏡板不平、絕緣墊磨蝕、聯(lián)接螺栓松動(dòng)或斷裂、推力頭內(nèi)外圓不同心等。根據(jù)缺陷種類(lèi)與程度的不同，其表現(xiàn)出的振動(dòng)幅值、頻率、方向也不一而論，只有合理設(shè)置測(cè)點(diǎn)、科學(xué)安排試驗(yàn)工況，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，才能通過(guò)試驗(yàn)手段正確檢測(cè)缺陷類(lèi)型，為發(fā)電企業(yè)及時(shí)有效處理提供技術(shù)依據(jù)。