新型支臂千斤顶在解决水轮发电机组振动的应用

2020-06-17郭益钻向会琼

水电与新能源 2020年5期

李红，郭益钻，向靖，向会琼

(1.湖北能源集团溇水水电有限公司芭蕉河水电厂，湖北鹤峰 445800)

芭蕉河二级电站位于湖北鹤峰县鸡公洞，共装机2台，合计16 MW，为悬吊型混流式机组，其流域编号为蕉4G、蕉5G。水轮机型号为HLD74-LJ-140，发电机型号为SF8000-14/2860。蕉4G、蕉5G均为悬吊型水轮发电机，推力与上导均共用1个油槽，位于转子上方并布置在上机架中心体，下导轴承设置在下机架中心体内，上导和下导轴承各有8块乌金瓦，设计单边间隙均为0.10～0.15 mm，推力瓦为8块塑料瓦，在推力瓦的下方有8块丁腈耐油橡胶板来配合调整，水导轴承在最下方，共16片活动导叶，7个固定导叶，活动导叶立面为刚性密封，端面为弹性橡胶织布密封，导叶与拐壁通过分半键连接，拐壁、连板、控制环通过剪断销和销钉连接，剪断销和销钉均不带偏心。其基本参数如下：额定功率8 000 kW，额定电压10 500 V，额定电流549 A，额定转速428 r/min，飞逸转速867 r/min。

1 振动原因分析

2018年10月对蕉4号机组进行设备日常巡检时发现，蕉4号机组在运行时声音偏大，测试径向振动值得知该数值比先前所测数值略有增加。揭开机组盖板开机运行检查发现上机架+Y-X方向千斤顶基础板有轻微的窜动现象，对机组安全运行造成了严重的威胁。通过对该现象进行全面分析和检查认为，该千斤顶在安装初期使用的是水泥浇筑，并没有对基础板与基坑壁内的钢筋焊接在一起，随着机组运行的时间增长，该基础板出现了松动的现象，导致了振动的增大。

蕉4号机组原使用的上机架支臂千斤顶为一般机械千斤顶。其原理结构主要为，通过手动来实现摇杆转动，摇杆的转动带动小齿轮的转动，圆锥齿轮就会配合小齿轮一起转动，圆锥齿轮的转动使得螺杆跟着旋转，引起顶杆顶起或降落，保证千斤顶的顶杆和基座牢牢的支撑在上机架支臂与机坑壁之间。当齿轮反方向运动，顶杆就会收缩，千斤顶就会自然落下，当齿轮正方向运动，顶杆就会顶起。

2 造成立式机组一般振动原因[1-3]

水轮发电机组振动是一个复杂的问题，尤其是多段轴结构的水轮机组，由于自身的结构以及不平衡外力的干扰，在高速运转的过程中，会在其原有旋转运动的平衡位置附近附加周期性往复运动。另外，由于机组本身和外力的原因还会产生自激振动。但是从振动的原因来看，一般分为机械振动、水力振动和电磁振动等方面。

1)引起机械原因振动的是指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其他力。引起振动的机械因素主要有：转动部分质量不平衡、机组转子的振摆、机组轴线不正、机组水平偏移、转子抖动、导轴承缺陷、连接法兰松动等，以及转动部分静不平衡、转动部分动不平衡、机组轴线缺陷、轴承缺陷、调速器调试不良等都是造成机组机械振动的原因。

2)引起水力原因的振动是指振动中的干扰力来自水轮机运行时的动水压力。压力降低时所产生的振动，其特征是带有随机性，当机组处在非设计工况或过渡工况运行时,水流状况恶化,机组各部件的振动也亦明显增大。其主要因素有：转轮破裂引起的水力不平衡、尾水管中的水力不稳定、导叶或转轮叶片产生不稳定的涡流等情况。主要特征是：当流入转轮的水流失去轴对称时，就会出现不平衡的横向力，造成转轮振动，也就是过流通道不对称，如：蜗壳变形，导叶开度不均匀，转轮压力分布不均等都是造成水力振动的根本原因。

3)引起磁振动的的原因是指振动中的干扰力来自发电机电气部分的电磁力。主要因素有:转子磁极绕组匝间短路、转子与定子不圆、发电机气隙不均匀、定子铁芯整体性不够、转子磁极击穿、励磁系统工作不稳定、三相负荷不平衡、电力系统发生波动、可控硅整流、负序电流、磁极次序错误而造成的振动。特别是当发电机转子两点接地时，部分线匝短路，有较大的短路电流流过短路点，励磁电流不正常的增大，发电机进相等，都可以引起磁场不平衡，造成发电机组强烈的振动。发电机突然短路还会使转子轴受到很大的电磁力矩作用，所受力矩又分为两种：一种是短路电流中使定子、转子绕组产生电阻损耗的有功电流分量所产生的阻力矩，另一种是突然短路过度过程中才出现的冲击交变力矩。这些电磁力及电磁力矩能使发电机组受到剧烈的振动，并给发电机部件带来危害。

3 支臂千斤顶的制作及改造

芭蕉河电站蕉4号机组径向振动值超标，通过对发电机转子磁极连接引线进行处理后，径向振动值达到了标准规定的要求，但是为了保证设备后期能够更好的安全、可靠、经济、稳定的运行，彻底处理掉蕉4号机组机械千斤顶存在窜动的设备缺陷，又对蕉4号发电机组上机架支臂千斤顶进行了改造和更换，更换完毕后开机试运行，该机组稳定性得到了进一步的提高。

本次安装所使用的千斤顶是一种适合大、中、小型立式水轮发电机组使用的千斤顶装置，4只千斤顶装置均同一水平面径向分布安装在立式水轮发电机的上机架支臂与机坑壁之间，确保立式水轮发电机位于居中的位置，能很好地减少水轮发电机径向振动，起到保护发电机，提高发电机的运转可靠性。安装完毕后效果图如图1。

图1 安装完毕后效果图

4 支臂千斤顶的制作过程、基本参数及分析结果

该千斤顶在安装制作的过程中首先通过三维建模软件，对千斤顶进行初步的三维实体几何模型制作，并且对千斤顶支撑的几何模型采用了四面实体非线性网格划分，对局部进行了网格细化处理以满足计算精度要求，共计产生190 955个节点，112 986个单元。并且形成了有限元网格模型，如图2所示。

图2 千斤顶三维实体模型图

1)蕉4号机组所使用的支臂千斤顶为Q235的板材组焊而成，其材料基本参数见表1，材料机械性能参数见表2。

表1 材料基本参数表

说明：参考温度Tref指未发生应力和应变情况下的缺省温度值。

表2 材料机械性能表

2)根据千斤顶支撑的实际受力情况，充分的分析当发电机的气隙值在10%时出现偏心或者半数磁极短路的情况下，所产生的径向不平衡力对千斤顶的影响计算出如下数据，见表3。①10%气隙偏心时千斤顶支撑面受到的径向作用力Fr1；②半数磁极短路时千斤顶支撑面受到的径向作用力Fr2；③以上两种工况时均对其施加重力加速度g，方向为-Z方向；④以上两种工况时均对千斤顶与基础接触面施加压缩支撑(Compression ony Support)约束。