大中型水輪發電機組振動原因分析及判斷

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

水輪發電機組的振動是一種非常有害的現象，影響機組的使用壽命。過分的振動會使焊縫開裂，零部件疲勞斷裂飛出，嚴重威脅著機組的運行安全。但這種振動又是不可避免的，故我們只能在一定的技術能力下將振動盡量地減小，使振動值限制在允許的范圍內。

1 機組振動的分類

1.1 水力因素的振動

水力方面振動主要有卡門渦列、渦帶振動、水力不平衡、狹縫射流、非最優協聯關系、水輪機非設計工況下運行時的水力不穩定等，在這里主要介紹卡門渦振動、渦帶振動及水力不平衡引起的振動。

(1)由卡門渦引起的振動

卡門渦頻率的振動頻率跟水輪機工況和葉片出水邊厚度有關。機組在一定的水頭和導葉開度下運行時，其渦振頻率有可能與葉片自振頻率相同，此時葉片就會劇烈振動起來而使葉片產生疲勞裂紋。例如:三峽右岸26#機在300～500MW負荷區間機組存在嘯叫聲，測量轉輪卡門渦頻率與其自振頻率發生共振，后對轉輪葉片及固定導葉出水邊進行了修型，嘯叫聲消失。

表1 渦帶與卡門渦列的區別

(2)水力不平衡

如果在轉輪范圍內，水流失去軸對稱，就會產生一個不平衡的橫向力作用在轉輪上。經常遇到的就是過流輪廓不對稱，它會引起水流失去軸對稱。

1.2 機械因素的振動

機械方面主要有轉子質量不平衡、機組軸線不正、軸系曲折、推力頭調整不良和導軸承缺陷等。

(1)轉子質量不平衡

由于轉子質量不平衡,轉子重心S對軸心O1產生一個偏心距e，如圖1(a)所示。當軸以角速度旋轉時,由于不平衡質量離心力的作用,軸將產生弓狀回旋,其中心O1獲得撓度y,如圖1(b)所示。O1繞O作圓周運動,回轉半徑y就是振幅,這種振動也叫振擺。其特征是:振幅是隨轉速變化而變化的。用公式表示為y=f(ω),ω升高,y增大;反之ω下降,y減小，并且振幅一般與轉速的二次方成正比，且水平振動較大。

(a)產生偏心距 (b)獲得撓度y

(2)機組軸線不正

在旋轉機械中最理想的是機組中心、旋轉中心及軸線三者重合，最不理想的是機組中心、旋轉中心與軸線不重合的狀態。介于二者之間的是旋轉中心與機組中心重合，機組軸線不正的主要表現形式是軸線與推力軸承鏡板面不垂直。由于機組轉子的總軸向力不通過推力軸承中心，就產生一個偏心力矩。隨著轉子的旋轉，偏心力矩也同時旋轉，使各支柱螺栓受脈動力，其脈動頻率與轉速頻率相同，從而產生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動，轉子也就隨之產生振擺。軸線不正，也是引起徑向振動的主要原因。其特征為機組在空載低轉速運行時，機組即有明顯振動。

(3)軸承缺陷

在運行中當導軸承松動、剛性不足、導軸承間隙過大，運行不穩而潤滑又不良時，就會發生干摩擦，引起反向弓狀回旋，即橫向振動力，其方向和軸的旋轉方向相反，頻率相同。導軸承間隙過小，會把轉軸的振動傳給支座和基礎，導軸承間隙過大，轉軸振動大。機組轉動部件與固定部件相碰(或摩擦)所引起的機組振動，其特征為振動較強烈，并常常伴有撞擊聲；軸承間隙過大、主軸過細、軸的剛度不夠所引起的振動，其特征為機組振幅隨機組負荷變化較明顯。

(4)鏡板不平

鏡板不平主要是由于加工和安裝上的缺陷所造成的，其特征為擺度波形上有明顯的2倍頻。

(5)推力頭松動

推力頭松動指推力頭內孔和軸頸間存在間隙。當推力頭松動時，機組振動、擺度的特點為：機組運行時的動態軸線姿態會發生突然變化，機組的振動、擺度忽大忽小，呈不穩定狀態。

1.3 電磁因素的振動

(1)不平衡磁拉力

發電機轉動部分因受不平衡力(這些不平衡力主要來自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、轉子不均勻氣隙所引起的作用力，轉子線圈短路時引起的力和發電機在不對稱工況下運行時產生的力)的作用下產生的機組振動，其振動特征為振動隨勵磁電流增大而增大，且上機架處振動較為明顯。

(2)定子鐵心組合縫松動或定子鐵心松動

因定子鐵心松動所引起的機組振動，當機組帶上一定負荷后，其振幅隨負荷增長而增大。因定子鐵心組合縫松動所引起的機組振動，加載某一負荷后，振幅又逐漸隨鐵心溫度增長而減小，振動頻率都為電流頻率的兩倍。

(3)定子繞組固定不良

定子繞組固定不良，在較高電氣負荷和電磁負荷作用下使繞組及機組產生振動。其振動特點為振動隨負荷運行工況變化而變化，上機架處振動亦較為明顯。

由于每極下的槽數不同，將產生由定子繞組電流引起的一系列分數次諧波磁動勢，這些磁動勢和旋轉著的轉子有著不同的相對速度，各種不同的振動模式和頻率成為發電機電磁振動的激振力。它引起的振動頻率為100Hz，振幅隨負載電流的增大而增大。

(4)負序電流引起的反轉磁勢

當定子三相負載不對稱時，繞組會產生負序電流，即相序相反的磁場，它與主磁場疊加產生一個空間次數P=0的磁場，引起定子鐵心作駐波式的振動。

2 機組穩定性試驗和振動測試關系

對水輪發電機組進行一系列穩定性試驗，判別引起機組振動的主要因素。

2.1 機組起動試驗

在機組發出起動命令時就以較慢速度開啟錄波儀器，待機組轉動后，隨著機組轉速變化，按需要完整記錄機組起動過程的振動信號和其他狀態參數。

2.2 變速試驗

分別在各種轉速下測量機組典型部位，如上導、上機架、主軸聯接法蘭、水導軸承等的振幅或頻率。其中，振幅與轉速的關系為

A=f×n2

式中，A—雙振幅，mm；f—振動頻率，Hz；n—轉速，r/min。

2.3 空載有勵磁試驗

機組在額定轉速下，加載勵磁，改變勵磁電流，觀察各典型部位隨勵磁電流的變化而發生振動的情況。其中振幅與勵磁電流的關系為

A=f×i

式中，A—雙振幅，mm；f—振動頻率，Hz；i—電流，A。

若振幅隨勵磁電流增大而增大，則不平衡磁拉力是引起機組振動的主要原因。需檢查發電機定、轉子空氣隙是否均勻，磁極線圈有無發生匝間短路、磁極背部與磁軛間是否出現氣隙等。

3 振動原因分析

3.1 以振動頻率分析振動原因

在機組典型部位帶有錄波存儲功能的測振儀，將記錄的振動記號，作時域、頻域變換，進行頻譜分析，以此來判斷振動原因。

(1)若振動頻率與機組轉動頻率一致，則機組轉動部分質量不平衡、軸線曲折、導軸承間隙不適、主軸法蘭密封有偏磨是引起機組振動的主要原因。

(2)若振動頻率為發電機電流頻率(我國電流頻率為50Hz)的二倍，則可能是定子鐵心與鐵心組合縫松動、發電機負荷電流所引起的機組振動。

(3)若振動頻率為轉速頻率乘以發電機磁極對數，則多半是由于發電機氣隙不均勻所引起的機組振動。

(4)若振動頻率分別為轉速頻率乘以活動導葉數或轉速頻率乘以轉輪葉片數，則振動分別是因導葉開口不均勻或轉輪開口不均勻所致。

3.2 由振動部位判別振動原因

根據長期運行所積累的經驗，由機組振動發生的不同部位，也可大致判別振動原因。

(1)若在水導軸承處的振動比其他部位較為明顯時，則可能是蝸殼、導葉中的水力不平衡(該水力不平衡主要來自蝸殼、導葉中的不均勻流場和導葉開口不均勻、轉輪線型、間隙、開口不均勻)所引起的機械振動。

(2)若上機架處振動較為明顯時，則振動原因多半來自于轉子機械與電磁不平衡、機組推力軸承(僅對懸式機組)、上導軸承缺陷(間隙擺度調整不適合)、故障或機組軸線有曲折、機組中心發生變化或發電機零部件有缺陷或故障。

(3)若因轉輪葉片出水邊線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產生偏心渦帶等引起的機組振動，則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測得明顯振動，蝸殼中會出現較大水壓波動。

4 結語

本文對水輪發電機組振動的幾種類型和原因進行了分析，并根據振動部位對振動原因進行了判別，希望對大中型水輪發電機組振動原因及分析提供一定的借鑒作用，同時對解決大中型水輪發電機組振動問題提供一定的參考作用。

[1] 董毓新.水輪發電機組振動.大連： 大連理工大學出版社，1982.1.

[2] 馬震岳，董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理.北京：中國水利水電出版社,2004.10.