水輪發電機組的振動現象及歸因分析

樂紅

(德宏師范高等專科學校,云南德宏 678400)

水輪發電機組的振動現象及歸因分析

樂紅

(德宏師范高等專科學校,云南德宏 678400)

隨著電力發展的不斷加速,我國對水輪發電機組性能指標的要求越來越高,已經開始將其振動控制作為研究的要點,在一定程度上提升了水輪發電機組的工作效益。文章從水輪發電機組著手,對水輪發電機組的結構、發展狀況、振動現象進行分析,依照ANSYS方法對水輪發電機組振動的主要原因進行研究,望為水輪發電機組設計及優化提供一些參考。

水輪發電機組 振動 原因

1 水輪發電機組概述

1.1 水輪發電機組結構

關于水輪發電機的結構，一般分為臥式和立式，其中立式結構多用于大容量和中容量水輪發電機，臥式結構主要應用于小容量水輪發電機。發電機組內部的發電機軸，一般分為剛性軸和柔性軸，在水輪發電機組中，使用較多的是對剛性和強度有著高要求的剛性軸。水輪發電機采用臥式結構時，較容易出現共振的狀況，因為發電機外部形狀較為細長，在與水輪機組合后，更容易受到壓力影響，導致水輪發電機組整體不穩定，振動現象明顯。

1.2 水輪發電機組發展狀況

水輪發電機組的發展與我國的經濟發展水平有著極大的關聯，其單機容量也在逐步加大，大功率的電機組正成為水利發電的主流設備，但在我國很多水利發電站處于環境惡劣的地區，小型水輪發電機組無法滿足實際需求，導致產生諸多問題，使用高容量的水輪發電機組是目前國內水利發電的趨勢。在水電站的工程招標中，對于水輪發電機組的技術評標愈發重視，特別是機組的穩定運行和振動損壞方面。國內外很多水電站都有水輪發電機組因振動而出現事故的案例，機組損壞事故的頻發，促使人們在發展大容量發電機的同，將更多的關注放在了對水輪發電機組的振動控制上。

2 發電機組的振動現象及振動分析

2.1 水輪發電機組振動振源狀況

水輪發電機組的振動問題與水力發電站的正常運行緊密相關，一旦出現振動問題，則可能造成整個水電站的重大事故。水輪發電機組出現振動現象，其振源狀況與水力、機械、電磁方面有著必然的關系。作為水輪發電機組工作的前提條件，水為水輪發電機組提供了轉軸旋轉的動力，但也因為水是流體的原因，造成了機組的振動。由水力因素引起的振動，包括轉輪葉片蝸殼的設計缺陷造成水力不均，或尾水管壓力脈動引起水流低頻頻繁，還有一部分原因是水輪發電機組的安裝與運行，與預期不一致，導致一部分能量轉化為水力振動；當水輪發電機組工作時，機組內部機械之間的各種作用力，如慣性力、摩擦力等，極易造成機組自身出現振動。由機械引起的振動，包括機組的轉動區域的質量不平衡、轉子自身振動、軸線歪斜等因素，其他機械區域的如機組軸線缺陷、軸承和調速器因素等，也會造成振動的發生；發電機在發電過程中，容易出現發電機的轉子和定子問題、氣隙問題、三相負荷不均問題、電力系統的波動、磁極次序顛倒等問題，所以水輪發電機組的電磁振動，是不可避免的一個因素。

2.2 ANSYS對振動振源的分析

對于水輪發電機組的振動振源分析，可以通過ANSYS軟件的幫助，經過前期處理、計算求解過程、后期整理三個階段，建立有效的模型，提取有用信息。使用ANSYS軟件，一般過程為，通過實際分析求解，對求解域進行有限大小、形狀的離散域劃分，以此精確計算最終結果，確定一組定量即關于物理問題的微分方程，推出有限單元的列式，形成單元矩陣，進行符合條件的離散域的總矩陣方案的求解，查看結果的有限元法最終聯立方程組。對聯立方程組機械求解時，可采用直接、迭代、隨機等方法，而求解的結果則是單元結點的變量近似值。

3 引起水輪發電機組振動的主要原因

3.1 機械部件偏離平衡結構

水輪發電機組的機械結構中，在旋轉和支承部件中存在著偏離對稱性的設計，這導致了機組工作時的振動。因為機械自身的設計缺陷和產生的故障，如發電機組的質量問題、安裝問題、軸系彎曲變形等，都會引發機械內部水平方向的不平衡力的產生，由此引發的振動是轉頻的幾倍。發電機的轉子外圓同定子內圓的圓心偏離，因氣隙不均而出現不平衡磁拉力，該力與離心力共同作用在機組的軸系上時，極易引發軸系出現橫向、扭曲的振動。當發電機的自身頻率和外界頻率干擾相等時，還會引發共振。機械因不平衡力而出現徑向離心力，即

而引起機械不平衡的原因，除去機械內部的元件質量不平衡因素外，還與機械的轉動、固定元件安裝連接、各元件之間的摩擦、潤滑不良等有關。當發電機的轉子和定子的氣隙中有磁力線通過，而磁力線又有縮短自身長度的傾向，這就使得定子與轉子間產生了力的作用，即磁拉力。當機械內部磁場不均勻，甚至因機械部件原因出現失磁現象時，這就在磁拉力的作用下使得機組出現了故障。在水輪發電機組中，轉子和定子是產生不平衡磁拉力的主要部件區域，機械內部產生的不平衡離心力和不平衡磁拉力都是發電機組出現振動的重要因素。

3.2 電磁部件偏離平衡結構

發電機的電氣部分會產生干擾機組運行的電磁力，從而引起電磁振動，包括轉頻振動和極頻振動。轉頻振動是機組振動的主要振源之一，因轉子磁極圓度問題，使其與定子之間產生不平衡磁拉力，轉子的旋轉會引起空氣的周期性變化，不平衡力在沿著圓做周期性運動，使得轉子與定子間形成轉頻激擾力，導致振動的產生，而振動的大小與短路的線圈匝數有關。而極頻振動則是定子鐵芯軛部的固有振動，在發電機的定子繞組內，每極的分數槽繞組都會因特殊諧波形成磁場，由此引起的磁拉力通過磁場的放大作用，定子在波數少的地方會因磁拉力而產生諸多現象，在負載電流增大的同時，其振動振幅也在增大，可以認為其振級與電流呈線性關系。定子的鐵芯組合縫出現松動，或者定子的鐵芯松動了，都會引發定機組轉速異常，或電流變化明顯，而振幅在機組機載達到一定負載后，會隨時間而減小，同樣定子的次諧波磁勢、反轉磁勢不穩定定子不圓等因素也會引起振動的產生。

3.3 水利部件偏離平衡結構

3.3.1 卡門規則渦流

卡門渦流是指，若把圓柱或平板放在流動的水里，在圓柱或平板的負壓側會產生比較有規則的渦流，該渦流是尾部脫流而產生的。根據流體力學知識，在雷諾數很大的時候，圓柱的繞流會轉變為交叉渦列，即卡門渦列。卡門渦流的頻率f為：

在水輪發電機組中，若卡門渦流的頻率與轉輪葉片或其他部件的固有振動頻率相同，或者接近時，都會使得機組出現強烈的振動現象。卡門渦列的頻率與水流速度、水輪葉片厚度等因素有關，而振動的產生，會對機組的固定導葉造成損壞，出現疲勞性裂紋，一般的表現為過機流量在增大的同時，振幅也在增大。

3.3.2 尾水管低頻渦流

大型的水輪發電機組中，發生振動故障最多的是尾水管渦帶，且發生頻率較高，多會引發機組的壓力脈動。當水輪發電機組未處于最佳工作狀態時，水流會在離心力作用下，夾帶大量的氣泡進入到尾水管渦帶，水流與氣泡會影響尾水管渦帶的周期性平衡，造成偏心的產生，引發機械內部巨大的共振現象，輕則使得轉輪葉片產生裂紋或碎裂，嚴重時會造成廠房振動，甚至使發電機組無法繼續工作。尾水管的渦帶所引發的尾水管內的低頻壓力脈動，其頻率同渦帶的頻率相同，且在尾水管的每個地方都相同，頻率大概為水輪機的1/3到1/5之間，其中，旋轉水流的頻率f為：

3.3.3 壓力管水體自振

當水電站正常工作時，在壓力管道的兩端有開口存在，使得水體有自振現象產生，而在水輪機過流時，其水流脈動同壓力管道的水體自振在頻率上可能接近或相同，極易發生共振現象，或倍頻共振現象。壓力管道內的水體振動若通過水流，經頻率傳導至水輪機，則會加重這種共振效果。而一旦水輪發電機組的負荷突然改變，則會在壓力管道和水輪機的進出水道中發生水擊現象，在水擊作用影響下，會引發機組內部的周期性壓力脈動，導致振動的擴大化，振動頻率f為：

3.3.4 其他水利因素

除以上因素外，導致水輪發電機組出現振動的原因還有很多，如轉輪進口的壓力出現波動、水流沖擊機組的渦殼、導葉、轉輪等部件引起的受力不均等等。機組的進水口攔污柵若有雜物堵塞，會引發振動，而雜物若進入機組機械內部，會引起機組運行故障突發，而出現強烈振動現象。水輪的轉輪止漏環設計不合理，造成水流沖擊受力不均，水流中流沙等物體對轉輪等水輪部件的撞擊、磨損等，水輪機的安裝不合理導致與預期效果偏差過大等，都會造成水輪發電機組振動的產生。

4 結語

對于水輪發電機組的振動問題，不應等同于一般機械的振動考量，需要將機械自身的轉動問題和其他固定部件的振動因素，與發電機組電磁力、水力影響等各方因素考慮進去，在實際的水輪發電機組運行時，振動的原因很多，簡單的消振工作并不能夠達到預期效果，哪怕已經查找到了振動原因，也難以做好消振工作。所以，對水輪發電機組進行振動研究和原因分析還是十分必要的，是水利發電發展必須面對的問題。

[1]張鵬,周碧英.大型水輪發電機組軸系振動穩定性分析[J].中國農村水利水電,2007(9).

[2]宋志強,馬震岳.考慮不平衡電磁拉力的偏心轉子非線性振動分析[J].振動與沖擊,2010(8).

[3]劉金國.淺析水輪機振動產生的原因及處理措施[J].學術論壇,2011(3).

[4]邱宇,段文會,張德棟,等.大型水輪發電機組主軸系統受電磁水流激發的多重共振[J].振動工程學報,2004(8).