引起水輪發電機組振動的原因分析及處理

摘 要：在水輪發電機組運行中，一旦發生機組振動，能夠根據機組振動的特征，及時地對機組發生振動的原因作出正確的判斷和恰當的處理，從而有效地防止事故的進一步擴大，避免造成嚴重的設備損壞或人身傷亡事故。本文主要分析了水輪發電機組振動的原因，并提出了發電機組振動的主要處理方法。

關鍵詞：水輪發電機組；振動；

中圖分類號：TK730. 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-12-00-02

一、水輪發電機組概述

發電機采用立軸半傘式水輪發電機，推力軸承位于發電機轉子下部的下機架上，機組轉動部分的重量和軸向水推力由推力軸承支撐；機組導軸承主要承受機組的徑向力和維持機組已經調好的軸線。軸系由上端軸、轉子支架中心體、發電機主軸和水輪機主軸組成。發電機采用密閉雙路無風扇自循環端部回風空氣冷卻系統，熱風由16個固定在定子機座周圍的高效冷卻器冷卻。水輪機為混流式，由引水部件、導水機構、工作部件（轉輪）、泄水部件組成。

（一）發電機轉子：主要由轉子支架、磁軛和磁極等部件組成。

1、轉子支架：是將主軸和磁軛連接成為一體的中間部件，主要作用固定磁軛和傳遞轉矩。

2、轉子磁軛：采用2mm厚的高強度DER450薄鋼板沖制而成，磁軛寬570mm，每片4個極，采用1個極距交錯雙向疊片方式，以保證鍵槽垂直，螺桿受剪力小，磁軛軸向分8段，段間設40 mm高的通風溝7個，用高強度拉緊螺桿把緊成整體。

3、轉子磁極：是產生發電機磁場的主要部件。由磁極鐵芯、線圈和陰尼繞組等部件組成。

4、推力軸承：采用具有良好的調節性能的多波紋彈性油箱支撐結構。

5、下機架：下機架用來安裝推力軸承和制動器，承受機組轉動部分的全部重量和水的軸向推力。是水輪發電機的一個較為重要的結構部件，為輻射形焊接結構。

6、上機架：上機架用來安裝上導軸承，將發電機轉子徑向機械不平衡力和固定轉子氣隙不均勻而產生的磁拉力，轉換為切向力作用在風洞壁基礎上，為多邊形焊接結構。

二、水輪發電機組振動的類型及原因

（一）機械缺陷引起的振動

機械缺陷引起的振動，其振動頻率多為轉頻或者是多倍轉頻。軸線不直時，會迫使發電機的上導和下導（或法蘭）振動加劇。發電機轉子質量不平衡會產生較大的離心力，一方面會加大發電機上（下）機架振動，另一方面容易擴大發電機定、轉子氣隙的不均勻度，從而擴大不平衡磁拉力。

（二）電磁振動

水輪發電機電磁振動分為兩類，一類是轉頻振動，另一類是極頻振動。

1、轉頻振動。轉頻振動是指轉速頻率和整倍轉速頻率振動。引起轉頻振動的原因是轉子不圓和轉子偏心。轉子不圓和轉子偏心不僅引起轉動部件的轉頻振動，還會引起發電機定子鐵芯（定子機架）的轉頻振動。

2、極頻振動。極頻振動由轉子磁場和定子磁場相互作用形成。極頻振動的頻率是100Hz（理論上也可以有200Hz、300Hz……），共振時定子鐵芯的振動幅值會有所增大，但主要是出現比較強烈的100Hz噪聲。產生100Hz極頻振動的原因有：①定子分數槽次諧波磁勢，振動幅值隨負載電流增大而增大；②定子并聯支路內環流產生的磁勢；③負序電流產生的反轉磁勢；④定子不圓，機座合縫不好。

當正向旋轉磁場和反向磁場疊加，空間波個數比較少、且相應于該振型的定子鐵芯固有頻率接近100Hz時，定子鐵芯振動最強烈。

（三）水力不平衡引起的振動

具有位能和動能的水流通過蝸殼的作用形成環流，再通過分布均勻的固定和活動導葉均勻作用于轉輪激發轉輪旋轉。由于加工和安裝誤差，使導水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時，作用于轉輪的水流失去軸對稱時就產生一個不平衡橫向力，引起轉輪振動，在空載或低負荷運行時振動強烈。此外，剪斷銷剪斷后也造成水力不平衡引起振動。

三、發電機組振動的主要處理方法

（一）需要配置的振動測點

振動測量包括：上（下）導擺度X、Y；上（下）機架水平振動X、Y；定子機架水平振動X、Y；定子鐵芯振動A、B、C三組（每一組分別布置一只垂直振動和徑向振動傳感器）。擺度測量主要是獲取發電機轉子中心的位移量，上（下）機架振動、定子機架振動、定子鐵芯振動測量是為了直接獲取發電機的振動量，并能夠通過相互之間的比較確定振動原因。

（二）需要分析的技術參數

1、發電機氣隙的均勻性。分析發電機通入勵磁電流后振動增大的幅度，由此可以間接判別發電機氣隙的均勻性，如果振動增幅較大，那么可以肯定發電機氣隙存在較大的不均勻度。

2、轉子的位移量。發電機氣隙不勻包括靜態氣隙不勻和動態氣隙不勻。靜態氣隙不勻是指發電機轉子圓度理想且磁極固定良好，運行時轉子沒有松動，但轉子偏心或發電機定子變形，造成最小氣隙在空間的位置是固定的，它產生的后果是當發電機通入勵磁電流后，轉子的中心會在磁拉力的作用下向某一方向產生位移，位移的大小和方向能夠判別定子不圓度的大小和方向，或轉子偏心的大小和方向。

3、轉頻及其倍頻成分。動態氣隙不勻是指發電機轉子變形或運行時磁極有松動，運行時最小氣隙的位置是旋轉的，產生的振動頻率是轉頻或多倍轉頻（取決于轉子的形狀），實踐證明，水輪發電機轉子變形和松動的問題，只要抓住振動的1X、2X……8X頻率（1X：轉頻）就能滿足分析的需要。

4、極頻振動。100Hz振動成分通過直接分析100Hz極頻振動的幅值大小以及與相關工況量之間的相互關系，可以診斷發電機是否存在與100Hz頻率對應的電氣故障和機械故障。定子鐵芯松動、不對稱三相負荷運行、網機耦合引發的發電機扭振等都會形成100Hz極頻振動。

（三）總振幅與各分頻振幅的處理方法

將各測點測量的振動時域信號經傅里葉變換，獲得頻域信號，對頻域信號中的各頻率成分進行計算處理，得到各分頻振幅和總振幅。

（四）配重處理

當水力及電磁不平衡力不是很大時，可采用在相反方位進行配重的方式來減少其部分不平衡力，尤其對二導軸承比較接近的機組，效果特別明顯。當水輪發電機組出現動不平衡后，可通過試驗找正不平衡方位，利用經驗公式進行配重處理。對于轉速較高的機組，當轉子磁軛高度大于轉子直徑的三分之一時，會出現較大的不平衡力偶，使上、下機架水平振動較大且方向相反，此時，應分別在轉子磁軛的兩個斷面進行配重，必要時反復校正。

（五）避免三相不平衡

根據不同原因，停機后進行仔細檢查并分別進行處理。如果在發電機運行中發現定子有一相電流已經嚴重超過額定值，應迅速調整（降低）勵磁電流。必要時可同時采用降低機組有功功率的方法，將發電機定子電流降低到額定電流以下，以確保機組安全運行。發電機出現非全相運行時也會產生振動，通過發電機出口開關使用整體的操作機構和設置保護等措施避免因振動造成機組的損害。

（六）水力振動方面措施

針對水力振動，可采取以下措施進行調整

1、優化轉輪上冠型線和葉片頭部葉型；

2、根據水輪機模型特性，為避開高水頭葉道渦，可選用較高的設計水頭；

3、混流式轉輪采取負傾角翼型，最優化的上冠和泄水錐型線等；

4、應避免在振動區域運行，即使其脈動幅值比渦帶區壓力脈動稍小，也應限制運行。

四、結語

由上可知，水輪發電機組振動較復雜，水力因素、機械因素和電磁因素相互作用，形成了復雜的振動頻率和振動現象。水輪發電機的振動雖然復雜，但不是沒有規律可循，比較發電機通入勵磁電流之前與之后的振動狀態，如果有較大的變化，這就可區別是否為電磁振動，需要進一步分析是什么原因造成的。此外，應該清楚水輪發電機結構缺陷與振動頻率之間的對應關系，它們是怎樣形成的。只有掌握了振動機理，才能有針對性地分析振動數據，迅速抓住問題的本質，找到故障原因并有效進行處理。

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