梁學(xué)輝

(中國(guó)電力投資集團(tuán)公司格爾木太陽(yáng)能發(fā)電分公司，青海西寧 810016)

1 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)機(jī)理

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)與一般動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)有一定差異，除了機(jī)器本身轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外，還需考慮發(fā)電機(jī)電磁力以及作用于水輪機(jī)過(guò)流部分的流動(dòng)壓力對(duì)系統(tǒng)及其部件振動(dòng)的影響。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，流體—機(jī)械—電磁三部分是相互影響的，當(dāng)水流流動(dòng)激起機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)時(shí)，由于氣隙不對(duì)稱(chēng)變化，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的磁拉力不平衡也會(huì)造成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的振動(dòng)，而轉(zhuǎn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)某些變化后，又會(huì)對(duì)水輪機(jī)的水流流場(chǎng)及發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。因此，水輪機(jī)的振動(dòng)是電氣、機(jī)械、流體等多種原因引起的。鑒于問(wèn)題的復(fù)雜性，將引起水輪機(jī)組振動(dòng)原因大致分為機(jī)械、水、電氣三方面的因素來(lái)分析。

2 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害

振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免的現(xiàn)象，若能將其振幅限制在允許范圍內(nèi)，就能確保機(jī)組安全正常運(yùn)行，但較大振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全的不利之處在于:使機(jī)組各連接部件松動(dòng)，使各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞;引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴(kuò)大裂縫甚至斷裂;尾水管低頻壓力脈動(dòng)可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，當(dāng)其頻率與發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時(shí)，將發(fā)生共振，引起機(jī)組出力大幅度波動(dòng)，可能會(huì)造成機(jī)組從電力系統(tǒng)中解列，甚至危及廠(chǎng)房及水工建筑物。

3 振動(dòng)原因及對(duì)策

3.1 水力因素

振動(dòng)的水力因素系指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力。其特征是帶有隨機(jī)性，當(dāng)機(jī)組處在非設(shè)計(jì)工況或過(guò)渡工況運(yùn)行時(shí)，因水流狀況惡化，機(jī)組各部件的振動(dòng)亦明顯增大。由于單位體積水流的能量取決于水頭，所以機(jī)組的振動(dòng)一般是隨水頭的降低而減弱，高水頭、低負(fù)荷時(shí)振動(dòng)相對(duì)而言較為嚴(yán)重。產(chǎn)生振動(dòng)的水力因素主要有水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動(dòng)、空腔汽蝕、卡門(mén)渦列、間隙射流等。

(1)水力不平衡。具有位能和動(dòng)能的水流通過(guò)蝸殼的作用形成環(huán)流，經(jīng)分布均勻的固定及活動(dòng)導(dǎo)葉作用于轉(zhuǎn)輪，激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。由于加工和安裝誤差，導(dǎo)水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時(shí)，作用于轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱(chēng)時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)不平衡橫向力，引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng)，在空載或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈。

(2)尾水管低頻水壓脈動(dòng)。水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流、脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內(nèi)常引起水壓脈動(dòng)，尤其是在尾水管內(nèi)出現(xiàn)大渦帶后，渦帶以近于固定的頻率在管內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起水流低頻壓力脈動(dòng)。管內(nèi)水流一經(jīng)發(fā)生，壓力脈動(dòng)就會(huì)激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼、壓力管道的振動(dòng)。

(3)空腔汽蝕。水流通過(guò)水輪機(jī)時(shí)，其流向、流速隨流道改變，在流速增高或脫流部位壓力降低到汽化壓力時(shí)水流中產(chǎn)生汽泡，汽泡進(jìn)入高壓區(qū)潰滅時(shí)便會(huì)出現(xiàn)汽蝕。汽蝕發(fā)生時(shí)，在汽蝕部位會(huì)發(fā)生特殊的噪聲和撞擊聲?？涨黄g是流道中因漩渦帶引起脫流、負(fù)壓而造成的壓力交變產(chǎn)生的振動(dòng)。由空腔汽蝕引起機(jī)組的頂蓋和推力軸承出現(xiàn)劇烈的垂直振動(dòng)，它比橫向振動(dòng)的危害更大。

(4)卡門(mén)渦列。恒定流束繞過(guò)物體時(shí)，在出口邊的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)則交錯(cuò)排列的線(xiàn)渦，進(jìn)而互相干擾、互相吸引，形成非線(xiàn)型的渦列，俗稱(chēng)卡門(mén)渦列。當(dāng)卡門(mén)渦列的沖擊頻率接近于轉(zhuǎn)動(dòng)體葉片的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振，并拌有較強(qiáng)的、頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲。

對(duì)于水力因素造成的振動(dòng)，可以采取以下措施:①氣蝕與尾水管渦帶引起的機(jī)組振動(dòng)，可采用補(bǔ)氣的措施減振消振，也可在尾水管入口處裝導(dǎo)流瓦和導(dǎo)流翼板等，都可使渦帶引起的振動(dòng)減輕或消失;②對(duì)卡門(mén)渦列引起的振動(dòng)，可采取改變卡門(mén)渦列頻率或葉片固有頻率的辦法，也可將葉片出水邊削薄或改型，使正、反兩側(cè)面構(gòu)成的交變漩渦抵消或削弱，避免共振;③止漏間隙不當(dāng)引起的振動(dòng)，可通過(guò)調(diào)整間隙使其勻稱(chēng)方法消除振動(dòng)。實(shí)踐證明:適當(dāng)增大外止漏環(huán)間隙，可使轉(zhuǎn)輪偏心運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)輪背壓止漏環(huán)間隙壓力的影響明顯減弱，從而減小振動(dòng)。例如李家峽水電站1號(hào)及4號(hào)機(jī)組，曾因止漏環(huán)開(kāi)焊造成水力振動(dòng)增大，后期對(duì)其及時(shí)進(jìn)行更換后振動(dòng)明顯減弱。

3.2 機(jī)械因素

振動(dòng)的機(jī)械因素系指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自機(jī)械部分的慣性力、摩擦力及其他力，特征是振動(dòng)頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或整倍數(shù)的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。引起振動(dòng)的機(jī)械因素主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線(xiàn)不正、導(dǎo)軸承缺陷等。

(1)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子重心對(duì)軸心產(chǎn)生一個(gè)偏心距，當(dāng)軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用，軸產(chǎn)生弓狀回旋，這種振動(dòng)也叫振擺。特征是振幅是隨轉(zhuǎn)速度變化而變化的。

(2)機(jī)組軸線(xiàn)不正。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最理想的狀態(tài)是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線(xiàn)三者重合。機(jī)組軸線(xiàn)不正的主要表現(xiàn)形式是軸線(xiàn)與推力頭底平面不垂直和軸線(xiàn)在法蘭結(jié)合面處曲折，由于軸線(xiàn)傾斜和曲折，機(jī)組轉(zhuǎn)子的總軸向力不通過(guò)推力軸承中心就產(chǎn)生一個(gè)偏心力矩。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，偏心力矩也同時(shí)旋轉(zhuǎn)，各支柱螺栓的受力是脈動(dòng)力，其脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同，從而產(chǎn)生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動(dòng)，轉(zhuǎn)子也隨之產(chǎn)生振擺。軸線(xiàn)不正，也是引起徑向振動(dòng)的原因之一。

(3)軸承缺陷。當(dāng)導(dǎo)軸松動(dòng)、間隙過(guò)大潤(rùn)滑又不良，或軸承與固定止漏環(huán)不同心等都會(huì)發(fā)生干摩擦，引起機(jī)組的橫向振動(dòng)。

機(jī)械原因引起的振動(dòng)應(yīng)采取如下措施:通過(guò)動(dòng)平衡調(diào)整軸線(xiàn)或調(diào)整軸瓦間隙等來(lái)提高相對(duì)同心度和精密度。例如李家峽水電站1號(hào)機(jī)曾經(jīng)由于動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)論不合格，對(duì)轉(zhuǎn)子擺度過(guò)大的缺陷采用了轉(zhuǎn)子配重的措施，取得了較好的效果。

3.3 電磁因素

振動(dòng)的電磁因素系指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自發(fā)電機(jī)電氣部分的電磁力，特征是振動(dòng)隨勵(lì)磁電流的增大而增大。引起電磁振動(dòng)的主要因素有轉(zhuǎn)子繞組短路、空氣間隙不均勻等。

(1)轉(zhuǎn)子繞組短路。當(dāng)一個(gè)磁極因短路而引起磁動(dòng)勢(shì)減小時(shí)，和它相對(duì)應(yīng)的磁極的磁動(dòng)勢(shì)并未變，因而出現(xiàn)一個(gè)與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡磁拉力，引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)。這種振動(dòng)的大小取決于失去作用的線(xiàn)圈匝數(shù)，其振動(dòng)的振幅與勵(lì)磁電流有關(guān)，磁電流增加，振幅增大。當(dāng)去掉勵(lì)磁，振動(dòng)立即消失，所以很容易把這種振動(dòng)和其他原因產(chǎn)生的振動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

(2)空氣間隙不均勻。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓或有擺度時(shí)，空氣間隙就會(huì)不均勻，從而產(chǎn)生單邊的不平衡磁拉力，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而引起空氣間隙周期性變化，單邊不平衡磁拉力沿著圓周做周期性移動(dòng)，引起機(jī)組振動(dòng)。

對(duì)于電氣因素造成的振動(dòng)，除了應(yīng)該遵守制造廠(chǎng)家有關(guān)規(guī)定外，還要定期檢修試驗(yàn)，運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視，做到早發(fā)現(xiàn)早處理。

4 結(jié)語(yǔ)

減少水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)對(duì)提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命具有重要的作用。建議通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)和觀(guān)察結(jié)果進(jìn)行分析、歸納、比較，然后作出判斷:① 分析和判斷水力、機(jī)械和電磁三者的影響;②和已知的振動(dòng)實(shí)例進(jìn)行比較;③分析振動(dòng)部件的振型;④對(duì)比各測(cè)量值之間的關(guān)系;⑤與機(jī)組過(guò)去的情況比較;⑥分析振動(dòng)性質(zhì);⑦進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

科學(xué)研究院.水輪機(jī)水利振動(dòng)譯文集［M］.北京:水利電力出版社，1979.