水輪發(fā)電機組振動原因和處理措施分析

黃華珍

（福建南平閩龍水電設(shè)備安裝有限公司 福建 南平 353001）

1 水輪發(fā)電機組振動所帶來的危害

水輪發(fā)電機組振動時產(chǎn)生的危害主要有以下幾點：①發(fā)電機組的部分緊固部件會產(chǎn)生松動甚至斷裂的情況，同時也會連帶著連接部件的振動，使得它們的使用壽命急劇縮短。②使得機組的零部件出現(xiàn)金屬和焊縫之間的疲勞損壞區(qū)，時間一久，損害就會更加嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫，進而使得它們完全報廢不能使用。③更為嚴(yán)重的是水輪機組的共振，如機組設(shè)備與廠房的共振，就會在不同程度上破壞廠房以及里面的各種設(shè)備。④水輪發(fā)電機振動會使機組旋轉(zhuǎn)部分相互磨損得更加厲害。⑤尾水管中會形成渦流脈動壓力，情況嚴(yán)重時，尾水管壁會因壓力而裂開，而且也會破壞整個尾水設(shè)備。

2 水輪發(fā)電機組振動的緣由

與普通的動力機械的區(qū)別在于，水輪發(fā)電機組振動緣由需要考慮的情況比較多，第一是機組在自己作業(yè)運行的時候必不可少的會產(chǎn)生強烈的振動；第二是，水流在水輪機運作時所形成的壓力、發(fā)電機本身的電磁力和部分固定部件所產(chǎn)生的振動也會對發(fā)電機組和它的零件產(chǎn)生振動影響。而且機械、流體、電磁在發(fā)電機工作的狀態(tài)下也是相互作用的。（圖1是水輪機發(fā)電組示意圖）所以，引發(fā)水輪機組振動是水力以及機械等各種因素造成的，詳細緣由主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖1 水輪機發(fā)電組

2.1 機械方面的原因

由于機組振動會產(chǎn)生一些干擾力，而這些干擾力主要是因為機械本身的摩擦、慣性力以及一些其他的作用力產(chǎn)生的，所以把這些轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、主軸剛度不夠、機組軸線不正等因素歸結(jié)為機械方面的原因，它的主要特征就是機組轉(zhuǎn)動的頻率和轉(zhuǎn)速是相同的、而振幅則隨著轉(zhuǎn)速平方的增大而增大。

2.2 水力方面的原因

水力方面的原因主要是動力水壓對水輪機的干擾，而且在這一方面是比較不受控制的，有著很大的隨機性。特別是在水輪機運行過度或者在非設(shè)計的環(huán)境下工作時，機組的一部分組件會因為不理想的水流狀況而振動加速甚至斷裂。機組的振動一般是隨水頭的降低而減弱，因為單位體積水流的能量取決于水頭，高負荷、低水頭時振動的頻率才會有所下降。具體使得機組振動的水力方面的原因在以下幾個方面有所體現(xiàn)：

（1）通流器件中水力不平穩(wěn)。當(dāng)水流進入轉(zhuǎn)輪時，出現(xiàn)不對稱情況，就會產(chǎn)生不穩(wěn)定的橫向作用力，然后使器件喘振，并且在低載荷或者零載荷運行時，會有高強度振動。所以流通通道不對稱會造成流體不對稱。

（2）尾部流通管產(chǎn)生渦流帶。渦流帶是一種復(fù)雜流體形式，定槳式流體輸送機在局部載負（器件開度40%～70%或最優(yōu)流體流量的30%～80%）的時候，尾部流通管中出現(xiàn)的一種不平穩(wěn)的流體模式。這一流體模式大致上會呈現(xiàn)螺旋形狀，它的渦流核心會偏向某一方向轉(zhuǎn)動，令尾部流通管的流體出現(xiàn)大幅度的低壓脈沖，它的脈沖率為F w=n/（3～6），范圍在40%～70%器件開度時，脈沖壓力的數(shù)值會出現(xiàn)最大值，造成不正常運轉(zhuǎn)。在渦流帶脈沖率和發(fā)電機部件的振動頻率產(chǎn)生共振時，該單元器件會產(chǎn)生振動減少發(fā)電量；在脈沖率和剛性管道流體振動頻率或者壓力鋼管自有振蕩頻率相似的時候，就可以讓剛性管道出現(xiàn)非常大的流體振動；在渦流帶的頻率和基地工程自有振動頻率近似的時候，會造成基地工程強烈振蕩。

表1 2#機組振動數(shù)據(jù)測試

（3）卡門渦流。在流體繞經(jīng)輪片從入口那邊輸出的時候，會在輸出口那邊出現(xiàn)渦流列，當(dāng)在輪片的正反面間斷輪流出現(xiàn)時，會令輪片受到流體的撞擊。在撞擊頻率和輪片自身振動頻率接近時，就會發(fā)生共振情況。一般只有處在某一范圍內(nèi)的水頭和開度時，才會發(fā)生一般渦流列造成的振蕩，并造成輪片底部或者輪葉邊緣出現(xiàn)裂痕，事故發(fā)生時可能會有聲響。

（4）尾部流通管安裝位置低。轉(zhuǎn)槳式流體輸送機的尾管一般安裝位置很低，流體輸出口會出現(xiàn)不穩(wěn)流體，如果拐彎之前還不穩(wěn)定，并且低尾管會造成流體與彎道管入口之間距離縮小，不平穩(wěn)流體在進行拐彎時，會出現(xiàn)周期的作用力進行干擾，引發(fā)單元部件的振蕩。

2.3 電氣因素造成的振動

發(fā)電機組中電氣引發(fā)的磁場力是產(chǎn)生該單元機組振蕩的主要因素，其振動幅度隨著電磁流量的增大而增大，并且發(fā)電機組在不對稱的三相電流中、發(fā)電機組出現(xiàn)故障時運行機組轉(zhuǎn)子接地、磁場不均等都是它的重要特征。其中一點是機組轉(zhuǎn)子的接地：發(fā)電機組在運轉(zhuǎn)時，因為產(chǎn)生轉(zhuǎn)子接地的狀況，可能造成一些短路等故障，會讓電阻值減小，大量的電流經(jīng)過故障點時，容易產(chǎn)生電場的不平穩(wěn)，讓發(fā)電機組振蕩激烈。

3 水輪發(fā)電機組振動的處理措施分析

3.1 機械方面的原因的應(yīng)對措施

對于機械方面的原因，想要減小振動就得把精密度和同心度相對提高，主要途徑有調(diào)整軸線、改變軸瓦間隙或者平衡相對改動等方法。下面本人就工作中遇到的問題進行實例分析：

例：云南馬關(guān)山花壩電站2#機組發(fā)生較大的振動，上機架最大振動幅值達0.15mm，到現(xiàn)場后首先對機組定子、機架緊固螺絲及轉(zhuǎn)子磁極等部位進行檢查。在排除了這些因素后，我們對機組在各種運行狀態(tài)下進行了振動測試，測試情況如表1。

從表1可以看出，在變速試驗過程中，振動變化明顯，最大振幅達0.07mm，說明機械因素是主要原因。從空載試驗及帶負荷試驗中的勵磁電流恒定測試可以看出，勵磁電流及有功負荷對振動都產(chǎn)生了明顯的影響。我們對2#機上導(dǎo)軸承間隙進行了實測，發(fā)現(xiàn)軸瓦間隙已發(fā)生了較大的變化，最大間隙達0.45mm(標(biāo)準(zhǔn)為0.2mm)，接著對機組上導(dǎo)、下導(dǎo)軸承間隙重新作了調(diào)整，使之在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，機組啟動后，對機組各種狀態(tài)進行了振動測試，最大振幅不超過0.04mm，振動消除，成功處理了困擾了該站半年的振動問題，使機組安全穩(wěn)定運行。

3.2 水力因素造成振動的應(yīng)對措施

（1）避免卡門渦引起的振動有兩種方式。一是改變?nèi)~片的型號或者把出水的一邊削薄，使得正、反兩側(cè)面形成的交變漩渦力量變小甚至消失，二是采用改變卡門渦頻率或葉片固有頻率的辦法。

（2）避免氣蝕與尾水管渦帶引起的機組振動，可以在尾部流通管入口處安裝導(dǎo)流瓦和導(dǎo)流翼板等，使渦帶產(chǎn)生的振動減小甚至消除，補氣的措施也可以達到減振消振的效果。

（3）改變卡門渦頻率或葉片固有頻率，可以針對止漏間隙不當(dāng)引起的振動。通過一系列實際運作可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)卦龃笸庵孤┉h(huán)間隙可以減小機組振動，因為增大間隙可以減弱轉(zhuǎn)輪偏心運動對轉(zhuǎn)輪背面止漏環(huán)間隙壓力的影響。而增加補氣孔面積的方法可以針對冒水而使尾水位抬高甚至淹沒轉(zhuǎn)輪或沖擊式水輪機機殼上補氣孔太小的現(xiàn)象。

3.3 電氣因素造成振動的改進對策

對于電氣因素造成的振動，要定期檢修測驗，在運行的時候做到早發(fā)現(xiàn)早處理，多加強保護監(jiān)控，及時找出電氣故障并加以處理。

4 結(jié)語

就目前而言，在我國水電站普遍出現(xiàn)的一個難題就是水輪機的振動問題，一旦振動超過國家規(guī)定的允許值范圍，水輪發(fā)電機組的使用年限將大大縮短，并直接影響到水電站的經(jīng)濟效益，因此水電站的運行維護人員應(yīng)當(dāng)加強對機組振動原因的排查，及時找出原因并采取相關(guān)措施消除，只有早檢查早清除，才能防患于未然，最大程度減輕事故影響，維護機組安全穩(wěn)定的運行，發(fā)揮更好的經(jīng)濟效益。

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