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1、第十一章水轮机运行与检修 第十一章 水轮机运行与检修第一节 概述第二节 水轮机的泥沙磨损与防止第三节 水轮机的振动与防治第四节 水轮机主要部件的检修第一节 概述 水轮机运行是水轮发电机组运行的一个重要方面，为使机组安全、可靠、稳定地生产电能，必需对参加电能生产的所有动力设备进行定期的检查和日常维护，对水轮机进行的操作、检查和维修是水轮机运行的基本任务。 若水中含有足够数量的悬浮泥沙，坚硬的泥沙颗粒撞击过流表面，使其疲劳破坏，这个过程叫做水轮机泥沙磨损水轮机泥沙磨损。实践证明汽蚀和泥沙磨损是造成水轮机工作异常的主要原因。 第二节 水轮机的泥沙磨损与防止一、泥沙运动的特征一、泥沙运动的特征 泥沙被
2、水流挟持通过水轮机时，其运动必然要受到水轮机空间流道约束。从宏观现象观察，泥沙运动方向大体上与水流方向一致，但是泥沙本身作为刚体，还要受到本身惯性、接触碰撞，以及动量传递等多种因素的影响，从微观角度研究，泥沙运动则是复杂的瞬变运动泥沙运动则是复杂的瞬变运动。 如图11-1所示，是单颗泥沙瞬间运动的轨迹。 泥沙颗粒: 一方面作跳跃式相对移动， 另一方面又因自转。 二、泥沙磨损的类型1.1.绕流磨损绕流磨损 所谓绕流磨损是指在比较平顺的绕流过程中，细沙对过流表面冲刷、磨削和撞击所造成的磨损，其特点是整个表面磨损比较均匀特点是整个表面磨损比较均匀。 见图11-2第二节 水轮机的泥沙磨损与防止2.2.
3、脱流磨损脱流磨损 脱流磨损是由非流线型脱流引起的。当过流表面出现过大的凹凸不平（如鼓包、砂眼等），叶片翼型误差较大或者偏离设计工况过大时，均会出现脱流磨损出现脱流磨损 。 第二节 水轮机的泥沙磨损与防止 三、磨损的微观过程1.表面状况 泥沙磨损发生在过流表面层，弄清该层实际情况，对深入揭示磨损规律是很重要的。如图11-3所示，是接触处泥沙弹性碰撞局部放大示意图。第一层为固体结晶；第二、第三层为切削加工后所呈现的冷硬细结晶层和氧化膜；第四层为表面吸附膜。第二节 水轮机的泥沙磨损与防止2.2.疲劳磨损疲劳磨损 在含沙的高速水流中，连续的撞击会产生一种高频冲击波，金属材料应力集中处会出现微小的疲劳裂
4、纹。每当高冲量的沙粒撞击一次，裂纹就周期性地张开与闭合，并不断地向纵深扩展。金属材料表面上的这种交变应力，形成了金属的疲劳磨损。 水轮机过流部件表面在远低于空气中的疲劳极限时，就发生了损坏和破坏现象，这种综合破坏的现象，通常称为应力磨蚀。 第二节 水轮机的泥沙磨损与防止 水轮机过流部件遭到破坏的原因很多，除事故损坏之外，最主要的就是泥沙磨损、汽蚀破坏和化学腐蚀。 泥沙磨损是一种物理破坏过程，并且是一种渐变的破坏过程。泥沙磨损泥沙磨损对过流部件表面的破坏，其破坏区连成一片，就是在初期也成片状的连续磨痕和斑点。此外，它的破坏深度较化学腐蚀的破坏层要深； 汽蚀破坏汽蚀破坏的特征是过流部件表面呈海面状
5、，金属好似被一小块一小块地啄成深的小孔洞，第二节 水轮机的泥沙磨损与防止 形成蜂窝状，在破坏初期，这些小孔洞是不连续的，小洞旁边的金属可以是完好的； 化学腐蚀化学腐蚀的特征是过流部件表面的金属被一层层地剥落，破坏只在表面进行，破坏层很薄。 影响水轮机泥沙磨损的主要因素影响水轮机泥沙磨损的主要因素 ：l水流的含沙特性l过流部件的材质l水轮机的工作条件等 第二节 水轮机的泥沙磨损与防止第三节 水轮机的振动与防止 机组振动是水电站运行中常见异常现象，引起机组振动的因素大体上可分为水力因素、机械因素和电磁因素；其中水力因素主要由水轮机引起，且大多为自激振动现象。下面介绍常见的水力振动。 一、振动频率一
6、、振动频率1.水轮机水力不平衡或机组旋转部件动不平衡引起的振动； 2.反击式水轮机转轮进口处水流脉动压力引起的振动； 3.作用在反击式水轮机转轮叶片上的水力交变分量引起的压力脉动； 4.由于导叶个数和转轮叶片数不匹配引起的压力脉动； 5.由卡门涡列引起的振动； 当水流经过非流线型障碍物时，在后面尾流中，将分离出一系列旋涡，称为卡门涡列。如图11-4所示，这种卡门涡列交替地在绕流体后两侧释放出来，在绕流体后部产生垂直于流线的交变激振力，引起绕流体周期的振动。第三节 水轮机的振动与防止6.尾水管中涡带引起的振动 消除这种振动的方法如下： 1）迅速避开上述低负荷运行工况区； 2）进行补气或补水。7.
7、尾水管中空腔压力脉动 8.高频振动 9.压力钢管水体自然振荡 10.水轮机止漏间隙不均匀或狭缝射流引起的振动 （图11-6）第三节 水轮机的振动与防止二、振动分析及测振二、振动分析及测振 机组振动的原因很多，彼此还可能交织在一起，甚至产生相互加剧的连锁反应；但是，在诸多因素之中，必定有主要的和次要的，只要掌握振源的特点和变化规律，就可准确地作出判断，及时找到和排除振源。 表111是水力振动方面的一个分析例子，表中引出其振源、振因、振频，以及负荷情况。 第三节 水轮机的振动与防止1.1.经验判断经验判断 根据长期运行经验，总结出有关振动的一些规律。例如水力振动是水轮机过流部件内的水力不平衡和水流
8、不稳定而引起的振动，一般其振幅随负荷增加而增大。判断方法是：关闭导叶，将机组作同步电动机运行，如振动立即消失，则表明属水力振动；反之，则可能是机械和电气因素。2.2.仪器测振仪器测振第三节 水轮机的振动与防止 用测振仪作精密定量测振。测出振动部位的振动波形（振幅及频率），再对照有关频率值，进行精密定量分析计算。 许多水电站的运行经验表明，水电发电机组振动，直接影响机组甚至水电站厂房的安全稳定运行，同时影响电厂的经济效益。尤其是机组向高比转速、大容量方向发展，单机容量增大，机组结构尺寸增大。为减少金属用量，机组刚度相对地降低，振动问题将更加突出。 第三节 水轮机的振动与防止第四节 水轮机主要部件
9、的检修 水轮机中易受泥沙磨损的零部件主要有：l水轮机转轮；l转轮上下迷宫环；l顶盖；l导叶；l导水机构的底环等；一、转轮修复一、转轮修复 对遭受破坏的水轮机转轮，修复的主要手段是采用抗蚀耐磨材料补焊。 二、导叶修复二、导叶修复 当导叶枢轴损坏不太严重时，可以采用补焊修复，然后在车床上精加工。对含沙量大的中、高水头水电站，导叶损坏往往比较严重，甚至在导叶全关时也不能切断水流。此时通常可采用直接更换导叶进行处理。 三、水轮机顶盖和底环的修复三、水轮机顶盖和底环的修复第四节 水轮机主要部件的检修 通常水轮机顶盖与底环装有抗磨板，由于抗磨板尺寸大而薄，补焊时极易产生扭曲变形，为避免出现这一情况，常采用
10、螺栓加固后在施焊。如抗磨板因磨损严重损坏，修复困难，应更换新的抗磨板。 四、导叶枢轴套的修复四、导叶枢轴套的修复 导叶枢轴套磨损一般发生在端面上，可将损坏的端面车掉，重新配制一钢护环补偿被车掉的部分，用螺栓拧紧在轴套端面上，表面磨光打平。导叶轴瓦磨损后应更换新件。第四节 水轮机主要部件的检修五、水轮机迷宫环的修复五、水轮机迷宫环的修复 迷宫环损坏后很难在修复，一般采用更换新件的方法处理。在磨损量不大时，也可采取轮流更换转动迷宫环和固定迷宫环的方法处理。 六、轴流式水轮机转轮室的修复六、轴流式水轮机转轮室的修复 轴流式水轮机转轮室遭受泥沙磨损或汽蚀破坏后，一般采用补焊的方法修复。七、其它零部件七
11、、其它零部件 八、水轮机运行常见故障及处理八、水轮机运行常见故障及处理 第四节 水轮机主要部件的检修一）机组过速一）机组过速1机组发生过速时的现象有（1）机组噪音明显增大；（2）发电机的负荷表指示为零，电压表指示升高（过电压保护可能动作）；（3）“水力机械事故”光字牌亮，过速保护动作，出现事故停机现象；（4）过速限制器动作，水轮机主阀全开位置红灯熄灭。若过速保护采用事故油泵，则事故油泵起动泵油，关闭导水叶。 第四节 水轮机主要部件的检修2 2机组过速时的处理机组过速时的处理（1）通过现象判明机组已过速时，应监视过速保护装置能否正常动作，若过速保护拒动或动作不正常，应手动紧急停机，同时关闭水轮机
12、主阀（或快速闸门）；（2）若在紧急停机过程中，因剪断销剪断或主配压阀卡住等引起机组过速，此时即使转速尚未达到过速保护动作的整定值，都应手动操作过速保护装置，使导水叶及主阀迅速关闭。对于没有设置水轮机主阀的机组，则应尽快关闭机组前的进水口闸门。第四节 水轮机主要部件的检修二）机组的轴承事故二）机组的轴承事故 1.1.巴氏合金轴承的温度升高巴氏合金轴承的温度升高 有许多因素可以导致巴氏合金轴承温度升高，一般常见的原因及处理办法如下：（1）润滑油减少：由于轴承油槽密封不良、排油阀门关闭不严密，造成大量漏油或甩油；此时应视具体情况，对密封不良处进行处理，并对轴承补注润滑油。（2）油变质：轴承内的润滑油
13、因使用时间较长，或油中有水份或其它酸性杂性，使油质劣化，影响润滑性能，这时应更换新油。第四节 水轮机主要部件的检修 （3）冷却水中断或冷却水压降低：冷却水管堵塞、阀门的阀瓣损坏、管道内进入空气等都会影响冷却器的过流量，使冷却器不能正常发挥作用，引起轴承油温升高，这时应立即投入机组备用冷却水，或将管道排气。 （4）主轴承摆度增大：当主轴摆度增大时，轴与轴瓦间的磨擦力增加，发热量增大，致使润滑条件变坏，不能形成良好的油膜，这时应设法减小机组摆度。第四节 水轮机主要部件的检修2 2水导轴承的润滑水中断水导轴承的润滑水中断 （1）润滑水中断的原因与后果：由于水质不洁或有杂物，致使取水滤网或过滤器堵塞，
14、造成水压降低；或自动供水阀门因某种原因误关；当用水泵供水时，由于机械或电气原因造成水泵供水中断。 当润滑水中断或水量减少时，会使轴领与轴瓦间润滑、冷却条件变坏，甚至发生干磨擦，导致轴承烧毁，此时水轮机失去了径向支承，造成振动和摆度急剧增大，有时会发生窜水现象，从而影响机组的正常运行。第四节 水轮机主要部件的检修（2）处理方法：一般采取以下措施 1）当润滑水中断或水压降低时，首先应投入备用水源，然后清扫取水滤网及过滤器，查找润滑水自动供水阀误关闭的原因，处理完成后恢复原供水系统的正常供水； 2）若轴承采用水泵供水时，当出现水泵停止供水或其出口水压下降而造成润滑水中断，应首先起动备用水泵供水，然后再查明水泵停止供水或其出口水压下降的原因，并做相应处理； 3）当无法立即恢复供水时，为了不致造成事故扩大，应立即停机。第四节 水轮机主要部件的检修
