水輪發(fā)電機組振動問題思考

梅江志

摘 要 主要對水輪發(fā)電機組振動問題進行一定的思考，探討了水電站在運行過程中出現(xiàn)的機械振動、水力振動和電磁因素的振動問題，并就相應(yīng)的原因和解決方法進行探討，希望對于今后水輪發(fā)電機正常運行就有一定幫助。

關(guān)鍵詞 水輪發(fā)電機；振動類型；對策分析

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0159-01

1 概述

要想徹底消除水輪發(fā)電機組的振動這種有害問題比較困難，這也是積累誤差在整個機組的制造過程、安裝過程中相關(guān)反映。相關(guān)的影響因素都包括廠房設(shè)計強度、運行質(zhì)量、安裝、剛度、機組設(shè)計強度、制造等方面，機組的穩(wěn)定性能受到振動的影響，使得構(gòu)件使用壽命有所減低，引起相應(yīng)結(jié)構(gòu)件的疲勞。因此，電站考核重要指標就是機組的振動和安全穩(wěn)定。這里從干擾來源進行對于機組振動的分析，主要包括電磁振動、機械振動、水力振動等三大類。可以根據(jù)實際不同的情況，對于產(chǎn)生原因和運行狀態(tài)進行細分。

2 機械振動分析

在機械振動中，主要包括相應(yīng)的導(dǎo)軸承缺陷、機組軸線不合格與軸系曲折、轉(zhuǎn)動（含轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子）質(zhì)量不平衡等問題。

機械振動方式主要有以下幾種：導(dǎo)軸承缺陷、機組軸線不合格與軸系曲折、轉(zhuǎn)動（含轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子）質(zhì)量不平衡等。

1）振動則是由于不匹配的轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉數(shù)所致。分析轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的頻率為f=n/60*Z。這則是在轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉數(shù)相差l的情況下，此時，經(jīng)過導(dǎo)葉間，水壓脈動傳到蝸殼外，則會造成機組或廠房的振動。為了避免此類振動的發(fā)生，一般往往通過改變頻率的方法，可以通過轉(zhuǎn)輪的短葉片來實現(xiàn)。

2）水導(dǎo)擺度大和大軸偏磨則是由于轉(zhuǎn)輪不平衡。對于出廠時的轉(zhuǎn)輪來說，軸徑偏磨以及安裝后水導(dǎo)擺度大，則往往是由于沒有能夠達到平衡要求的G6.3級平衡精度。

3）出現(xiàn)軸系曲折或者不合格的機組軸線問題。軸線與推力軸承鏡板面不垂直，在旋轉(zhuǎn)中心與機組中心重合的情況下，則這就是機組軸線不正的主要表現(xiàn)形式。一個偏心力矩的產(chǎn)生，往往是由于推力軸承中心并沒有產(chǎn)生機組轉(zhuǎn)子的總軸向力，這樣的情況下，偏心力矩隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，脈動力則會作用在各支柱螺栓（或彈簧油箱），當存在轉(zhuǎn)速頻率和脈動頻率相同的時候，這樣就能夠使得軸向振動發(fā)生在推力軸承各支柱螺栓，也就讓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了振擺過程。

3 水力振動分析與思考

在水力振動中，主要包括調(diào)壓井水位涌動引起的頂蓋徑向振動、葉道渦高頻振動、導(dǎo)葉卡門渦振動、渦帶振動、狹縫射流振動和水力不平衡振動等方面。

1）在調(diào)壓井水位涌動引起的頂蓋徑向振動中，一般來說此類振動對于機組安全運行影響不大，這里不詳細論述。

2）對于葉道渦高頻振動來說，由于轉(zhuǎn)輪葉片的線型存在問題，有不夠圓滑的頭部，就容易造成葉道渦的高頻振動。一定的沖角的水流，在一定開度下的導(dǎo)葉影響下，脫流現(xiàn)象出現(xiàn)在流過葉片頭部過程中，這樣，葉道渦就在轉(zhuǎn)輪葉片間形成，造成了幾十赫茲的高頻激振力。

3）在導(dǎo)葉卡門渦振動中，這屬于一種渦列，即流體流過一般的不良繞流體的圓柱形物體的過程中，一系列相隔一定距離的單渦則會出現(xiàn)在物體后面，且呈現(xiàn)沿著兩條互相平行的直線趨勢。在相關(guān)的水輪機運行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)卡門渦列而引起的振動。葉片出水邊后形成卡門渦列則容易發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片具有鈍尾的情況下，這時出現(xiàn)的圓形出水邊的鈍尾，在葉片出口變?yōu)楣ぷ髅婧捅趁娴倪^程中，就能夠交替釋放出相應(yīng)的單渦，同時，葉片上的交變作用力也相應(yīng)產(chǎn)生，對于這些的作用力的頻率來說，共振現(xiàn)象則是在接近葉片自振頻率的時候產(chǎn)生。為了避免卡門渦振動的發(fā)生，常采取的措施則是流線形狀和導(dǎo)葉出水邊厚度的及時有效改變，滿足水邊R到最小值，這樣使得卡門渦振動與噪聲有效消除。

4）對于自激振動及水力不平衡振動來說，在轉(zhuǎn)輪上所產(chǎn)生的不平衡的橫向力，在轉(zhuǎn)輪范圍內(nèi)，是由于水流失去軸對稱的原因。過流輪廓不對稱則是經(jīng)常遇到的情況，則水流失去軸對稱就容易出現(xiàn)。

5）對于狹縫射流振動來說，轉(zhuǎn)輪葉片的工作面和背面在軸流式或燈泡貫流式水輪機中都存在一定的壓力背，這樣，一股射流就容易形成在轉(zhuǎn)輪室壁和輪葉外緣的狹窄縫隙中，且壓力非常低，速度非常高。造成在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過程中，分析葉片到達的瞬間，轉(zhuǎn)輪室壁的某一部分則會處于低壓的狀態(tài)，而高壓的狀態(tài)則在葉片離去后產(chǎn)生。另外，間隙汽蝕現(xiàn)象還會在狹縫射流中產(chǎn)生，這也會引起相應(yīng)的葉片外緣和轉(zhuǎn)輪室襯壁的破壞。

4 電磁因素的振動分析與思考

1）磁極線圈交流電阻阻抗不平衡和磁極線圈匝間短路問題。磁動勢減小由于一個磁極因匝間短路所造成，而對應(yīng)的那個磁極的磁動勢沒有發(fā)生變化，所以，跟轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡磁拉力就相應(yīng)產(chǎn)生，造成轉(zhuǎn)子振動，振動的主要特性就是振幅與電流表現(xiàn)為線性關(guān)系，而轉(zhuǎn)子電流的增大導(dǎo)致振動的增大。

2）不平衡磁拉力問題。不平衡力作用于發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分而產(chǎn)生相應(yīng)的機組振動問題，動隨勵磁電流增大而增大則是主要的振動特征。

3）定子分數(shù)槽次諧波磁勢問題。不同數(shù)目的每極下的槽數(shù)，一系列分數(shù)次諧波磁動勢就會由定子繞組電流引起產(chǎn)生，不同的相對速度就在磁動勢和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中具備，發(fā)電機電磁振動的激振力就是相應(yīng)的各種不同振動模式和頻率。

4）定子繞組固定不良，或者定子鐵心松動的情況的問題。機組振動是由于定子鐵心松動所致，在一定負荷的作用于機組上，負荷增長導(dǎo)致振幅的增大。機組振動是由定子鐵心組合縫松動所引起的，則達到一定數(shù)值的負荷以后，鐵心溫度增長而振幅有所減小。

5）負序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢問題。負序電流在繞組的產(chǎn)生，則是由于定子三相負載不對稱的緣故，定子鐵芯作駐波式的振動則是由相序相反的磁場和主磁場疊加產(chǎn)生一個空間次數(shù)P=0的磁場的原因。

6）很多線圈分布在磁勢定子各相沿圓周，在定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流中，支路則是通過其并聯(lián)獲得，然后，繞組則是通過組合支路形成。一般來說，集中布置和分散布置則是兩種的并聯(lián)支路的布置方式。在水輪發(fā)電機中，集中布置經(jīng)常被采用。類似分數(shù)槽次諧波，不對稱的次諧波電動勢則是在支路集中的情況下，在支路內(nèi)由于轉(zhuǎn)子偏心而引起環(huán)流，一般的振動頻率為100 Hz。

5 結(jié)束語

振動原因都是根據(jù)機組不同振動形式分析所得，帶有錄波存儲功能的測振儀能在機組典型部位進行安裝，把相關(guān)的振動記號進行記錄，進行一定的頻域、時域變換，通過相關(guān)的頻譜分析，能夠通過振動頻率來進行振動原因的判斷。

參考文獻

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