摘要：介绍了高水头、高转速立轴悬式混流式水轮发电机组存在的主要问题并进行了详细的分析，提出了下导轴承甩油、机组振动超标的处理方法和转子磁极固定撑块的具体改造方案。经实践检验，改造方法可靠、有效。
关键词：高水头混流式水轮发电机组；上导轴颈；下导轴承甩油；转子磁极
一、概况
龙泉均溪水电站主接线为两机一变接线方式，两台机型号结构相同，发电机为立轴悬式同步发电机，发电机型号为SF-J18-6/2600,额定功率为18MW，水轮机型号为LH-LJ-122，设计水头373ｍ，实际运行水头皆在400ｍ以上，额定转速为1000r/min，是我国首台高水头、高转速混流式水轮发电机组。发电机的结构布置比较特殊，上机架油槽共有两个，分别布置推力轴承和上导轴承及各自的油冷却器，推力轴承为刚性支柱形式，共布置8块推力瓦，推力瓦面为新型的弹性金属塑料瓦，推力头和镜板为一体，机组轴线通过推力头上的卡环来调整，上导轴承共8块瓦，单独布置在上导轴承油槽内，上机架的四个支腿与基础之间，各设置一只螺杆千斤顶径向顶住上机架，以减小机组的振动。下导轴承油槽布置在下机架上，下导轴承布置8块瓦，单独布置在下导轴承油槽内，油冷却器安装在油槽的下部，静止油面油位为下导轴瓦抗重螺丝中心，油面离盖板约200mm，对应油槽油位计刻度约12cm。正常运行时瓦温最高应不超过65℃。下导油槽盖板总厚度为50mm，有迷宫和羊毛毡2道密封。
二、机组的振动超标情况
均溪电站1号机组投产前做动平衡试验时，发现机组上机架振动随时间慢慢上升，机组启动刚到达额定转速时上机架水平振动值约为0.036mm，随后振动慢慢上升，40分钟后振动超过0.10mm，且振动幅值存在波动变化，变化值约为0.02 mm，波动周期约为8秒（测振设备为便携式数显测振仪），上机架垂直振动都在0.03mm以内。技术人员进行了多次动平衡配重处理，有时处理后初始振动值小于0.02mm，但随机组空转时间增加振动慢慢上升，并超过规定值，每次动平衡配重处理的情况都相近。
1、机组振动原因分析：水轮发电机组振动一般有三个方面的原因：机械方面的原因、电气方面的原因、水力方面的原因。由于机组一直空转运行，并未加励磁升压和并网，所以电气方面的原因可以排除。
1.1水力方面的原因分析：水力方面主要包括水力不平衡振动和涡带振动，但实测水导轴承处的摆度小于0.06mm，顶盖处水平和垂直振动只有0.01mm，且水力方面引起的振动与流态有关，并不会随时间而变化，水力方面不是引起振动超标的主要原因。
1.2机械方面的原因分析：机械方面原因主要有转动部分质量不平衡、机组安装不合格和设计制造不合理。
(1）转动部分质量不平衡：水轮发电机组转动部分质量不平衡，在机组运转时产生周向旋转的离心力，使各导轴承承受力不均匀，而引起机组水平振动，此振动频率与机组转动频率相等。但是机组的转动部份（转子和转轮）的静平衡试验出厂前已做过一次，发现问题后返厂再做一次，均符合要求。
(2）机组安装的问题：英川机组属于高水头高转速机组，对机组的安装要求很高，机座的固定螺栓松动或轴线和瓦间隙调整调整不当，都有可能引起机组振动。厂家和安装单位的专家对可能的地方采取逐个检查排除分析处理。对发电机主要的固定部分和组合部分作了仔细检查。各部均符合要求，怀疑支撑机架肢臂的螺杆千斤顶较长可能刚度不够，对机架的径向束缚力不够，在上机架各肢腿上增加一个螺杆千斤顶，以增加上机架径向束缚。开机空转试验，机组振动没有明显改善。若机组轴线和瓦间隙安装调整不当或转动后发生变化，还有转子部件松动，都可能使机组振动增大，所以对机组进行解体重新安装调整，转子无部件松动，安装后开机空转试验，机组振动无明显改善。暂定安装质量没有问题。
(3）机组的设计制造问题：本水轮发电机的结构布置也比较特殊，上导轴承和推力轴承分开各用一个油槽布置在下机架上，上导油槽在推力油槽下方，在机组大修中上导轴颈是需拆卸的，所以上导轴颈与主轴采用过度配合，并用卡环固定。安装时发现上导轴颈无须加热，通过紫铜棒敲击几下可套入，安装时实测间隙为0.02mm，并且发现上导轴颈上的卡环与轴颈顶面间隙达最大为0.07mm。推力头在上导轴颈上方，推力头无径向束缚，上导轴承受径向力较大，而轴颈与大轴配合高度只有120mm，轴颈相对大轴可能存在摇晃。振动慢慢上升的同时也是轴承瓦温上升的时候，当瓦温稳定时，振动也趋于稳定。上导轴颈与主轴配合存在间隙，可推断机组运行中上导轴颈温度随瓦温逐渐升高，轴颈与主轴的温差加大，轴颈相对主轴热膨胀，配合间隙也逐渐增大，上导轴颈相对主轴摇动加大，引起上机架振动随之加大。推力头无径向束缚摆度就更大，可推断上导轴颈存在晃动，上导轴颈大摆度增大，引起机组的振动增大。
2、改进措施：根据上述分析，上机架水平振动上导轴颈与主轴配合间隙过大引起的，所以对上导轴颈作以下改进。
2.1重新制作上导轴颈，减小配合间隙，使上导轴颈与主轴配合间隙减小到-0.02 ~ -0.06mm，同时增加配合高度，使轴颈与主轴的配合高度由原来的120mm增加到170mm，增加轴颈与主轴的配合稳定性，减小轴颈相对主轴的摇动；
2.2由于与轴颈的卡环与轴颈存在较大间隙，且卡环厚度只有10mm，可能刚度不足，不能轴向束缚轴颈；重新制作上导轴颈上的卡环，卡环厚度增加到20mm，增加强度，主轴上重新加工卡环槽，使卡环与轴颈顶面配合间隙小于0.03mm。处理后效果：处理后对机组进行动平衡试验，动平衡配重试验很成功，机组空转运行时上机架水平振动稳定在0.02mm内；机组并网带不同负荷运行时上机水平架振动不超过0.03mm；在甩100%负荷过程中，上机架水平振动最大值为0.11mm，甩负荷后振动又稳定在0.02mm左右；机组连续运行72小时，机组振动能稳定在0.02mm左右；处理后机组运行半年都能稳定在0.03mm以内，可证明处理方法正确，处理成功。
三、下导轴承甩油及轴瓦温升问题
2号机组投产前72小时运行试验时，发现下导瓦温异常，开机运行6小时瓦温上升到53℃，并仍保持较快上升趋势，停机检查，发现下导油槽严重甩油，下导油槽油位从12cm下降到7.5cm，根据现场检查确定油是从油槽盖板与滑转子之间间隙甩出。通过外接皮管加油来完成72小时运行试验，当温度上升到55℃时加油到设计油位12cm。试验观察发现，机组开机后运行8小时油位从12cm降到7cm，温度从22℃上升到55℃，加油后回到45℃，通过8次加油完成72小时运行试验。初步推断若能解决下导甩油问题，下导瓦温应能稳定在55℃以内。甩油现象的存在，严重影响安全生产。
1、甩油原因分析
首先对有关情况进行调查分析，首先机组转速为1000r/min，滑转子在油槽内高速旋转，带动油转动，而油受轴瓦的阻挡，使油槽内油面产生很大的浪涌，并伴随大量油的飞溅和油雾的产生。盖板与油面距离只有约200mm，浪涌使油直接飞溅到盖板上，油飞溅到盖板下表面（平板而）的油不利于回流，一部分油流到盖板间隙随着高速旋转的主轴爬升被甩出。一部分甩上来的油通过油雾通过迷宫密封就直接到达羊毛毡密封，而羊毛毡密封很容易使油渗过，油渗过羊毛毡被甩出。经过对试运行情况和解体检查情况进行调查分析，可以确定甩油主要原因有：
1.1是下导油槽盖板密封不合理：盖板上有迷宫和羊毛毡两道密封，都很窄，间距也很小，对于高转速机组所起的密封作用不大；
1.2是油槽盖板偏低：盖板与油面距离只有200mm,由于高度的限制，油面浪涌大，不能满足要求。
2、改进措施
根据原盖板和滑转子的尺寸设计新盖板，新盖板高度为100mm，比原盖板厚50mm（增加强度），保留原盖板的羊毛毡密封和迷宫密封，并增加几道反螺纹密封，新盖板与滑转子的单边间隙为0.5－0.6mm。安装新盖板，安装时保证新盖板与滑转子间隙均匀，各组合缝加垫并用密封胶止漏。安装完成后开机试验，经过两天试验观察，仍有少量的油甩出,运行72小时油位从12cm下降到7cm报警油位。由于仍有少量的油甩出，但有明显的效果，说明原因找准了但处理不彻底，决定作进一步分析处理，在新盖板上再加装一罩盖，罩住滑转子顶部，罩盖上加工几道螺纹，使罩盖与主轴再形成一道螺纹密封，罩盖用螺栓固定在新盖板上，罩盖与滑转子顶面距离大于顶转子时最大抬机，罩盖与主轴的单边间隙为0.5－0.6mm。由于羊毛毡不利于罩盖下油的回流，因而取消了新盖板的羊毛毡密封。
3、处理效果
下导新盖板安装完毕，油位加到12cm，经过2个月的运行观察，油位还保持在12cm位置，新盖板上干燥无油污，确定没有甩油。同时下导瓦温都能稳定在51℃的安全温度以内，彻底处理了高转速机组下导甩油的问题。
四、后继问题及解决方法
1、异常情况：英川电站1号机组振动超标处理后，稳定运行了6个月左右，一次在运行中发现有异常响声，且明显感觉振动、摆度增大，立即停机检查未发现异常。
2、原因分析：对6个月前振动处理的各部位进行仔细检查未发现异常情况，在安装单位现场监视的情况下，进行1号机分阶段开机试验，开机至空载不加电压稳定运行时，测试振动、摆度，测试结果与上次处理结果比较，变化不大，但振动、摆度值有微小增大，对1号机进行零起升压，随着电压的升高，振动、摆度值也升高，当电压升至75%Ue时，振动、摆度均超过标准值，立即卸压停机。对该现象进行分析，初步判定为电磁力不平衡引起振动、摆度增大，需吊出转子进一步确定原因。经吊出转子检查发现：转子一个磁极上两个固定撑板一侧已松动（榫头脱出）。
3、处理情况：从以上现象分析，采用撑板固定转子线圈和磁极，强度不够，存在极大危险，对磁极进行返厂重新装配，确保磁极各部件装配紧密而无松动；更换磁极侧面的钛合金撑板，原撑板两头为榫头固定，新撑板为“V”形撑板，取消榫头结构，并通过螺栓固定在磁轭上，增加撑板的强度，撑板材料不变。由于撑板结构改变，对磁极绕组也作全部更换（改造前后见图）。安装后试验，测试振动、摆度恢复到第一次处理后的数据，机组48运行小时，测试的运行参数稳定合格。
上图为 改造前撑板图 下图为改造后撑板
五、结束语
目前我国高水头水电站中大都采用冲击式机型，而冲击式机型水力损失很大，效率较低。高转速混流式机组运行流量很小、水力损失很小，运行效率较高，但采用的极少，其主要原因为摆度振动过大、导轴承甩油、机械强度要求高是三个比较突出的问题，通过对英川电站起动试验、运行中发现的主要问题，进行原因分析和处理，效果均比较明显。英川电站另一台机组采用了同样的处理方法，并取得同样完美的结果。充分说明这种几种问题的处理方法有效，相信只要结合实际，其他机型处理相类似问题也可借鉴该方法，并可在高水头水电站中推广采用高转速混流式机组，提高水能利用率。
参考文献：
[1]水力机组安装与检修 主编：陈造奎（华北水利水电学院） 出版社：中国水利水电出版社 出版日期：2002.11
[2]水轮机 主编：季盛林（河海大学） 刘国柱（武汉大学） 高等学校教材
论文作者:周东伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/17
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