沖擊立式水輪發電機振動分析及處理

摘 要：現階段水輪發電機的廣泛運用，為相關行業帶來了較高的經濟利益，然而在其機組運轉過程中，如果發生振動故障，不僅會使對設施設備造成影響，還會阻礙水電站的正常運行。所以文章主要針對沖擊立式發電機的振動原因及危害進行分析，并結合阿鳩田水電站實際工作經驗，提出幾點解決措施，以期為水電行業提供一定的理論借鑒依據。

關鍵詞：沖擊立式水輪發電機組；振動分析；應對措施

1 阿鳩田水電站工程簡介

阿鳩田水電站位于云南省保山市龍陵縣境內的蘇帕河上，壩址位于龍陵縣象達鄉朝陽村下游6公里，電站首部距保山公路里程為175km，距龍陵縣城公路里程為66km。電站為引水式，是蘇帕河流域規劃梯級的第四級電站。水電站設計裝機容量35*3MW，水庫總庫容15.8×104m3，屬Ⅲ等中型工程，永久性主要建筑物為3級，永久性次要建筑物為4級，臨時性建筑物為5級。

2 沖擊立式水輪發電機振動帶來的危害

2.1 固件松動或者斷裂

由于使用過程的磨損或者維修保養不當，水輪發電機機組的部分固件會發生松動及斷裂情況，如果此時不采取一定的措施，就會連帶其他機組發生振動，從而使相關部件及連接部位變得脆弱，降低了使其使用年限。如果該現象比較嚴重，就會在零件的各個部件之間以及金屬和焊縫之間出現疲勞損壞區，長此以往，就會產生大面積損壞區，不僅影響整個機組的使用，而且還可能會出現報廢情況。

2.2 廠房的的損壞

比上述情況更為嚴重的沖擊立式水輪機組共振，會發生機組設備與廠房共振的現象，使其在運轉過程中對廠房建筑及附近相關機組造成影響，而且也會使得水輪發電機的振動機組旋轉部分發生更劇烈的摩擦。

2.3 破壞尾水管設備

水輪發電機在運行過程中，會在尾水管中形成渦流脈動壓力，伴隨著使用的頻繁及維護的不到位，會使尾水管壁在遭受強壓情況下發生斷裂情況，從而影響整個尾水設備的使用。

3 沖擊立式水輪發電機組振動的原因分析

沖擊立式水輪發電機不同于一般應用動能的機械機組，其運轉程序更加復雜一些。因此，對其振動因素的分析情況也更加復雜。首先，要考慮的因素是，水輪機組在自己作業運行的情況下，一定會伴隨著強烈的振動情況；其次，沖擊立式水輪發電機組的運行會伴隨著自身壓力，而且發電機的運轉會帶來自身的電磁力及相關零部件的振動，使得零件及連接部位發生相互撞擊及碰撞，從而產生大幅度是振動。圖1是沖擊立式水輪發電機組的剖面圖。

以下針對沖擊立式水輪發電機組的振動原因進行分析。

3.1 機械方面的原因

沖擊立式水輪發電機在自身運行過程中，會產生一定的干擾力，其形成原因主要是機械機組在運轉過程中產生的摩擦力以及部件運動產生的慣性，再加上其他一些作用力，就會使得發電機轉子在運轉過程中無法保持自身的平衡，如果在這種情況下，主軸的剛度不達標準、機組的軸線不正，就會帶來機械損壞的嚴重后果。上述的這些原因都可以歸結為機械方面的因素。發生這種振動的主要特征是機組轉動的頻率及轉速是同步的，此時的振幅頻率及轉速的平方成正比。

3.2 水力方面的原因

水輪機在水中運轉時，會經歷水的壓力干擾，其特點是水的不可控制性。這種振動會在水輪發電機超負荷運行或者無標準設計時較為嚴重，一些機組部件會在水力不受控制或者流量不夠均衡的情況下發生劇烈振動，嚴重時會導致機組及零部件斷裂。水輪發電機的機組振動規律主要是取決于水頭的流量，一般會在具有較高負荷以及較低水頭的情況下，振動頻率才會降低，主要的振動原因取決于以下幾個方面：

第一，通流器件中水力不平穩。水流的不可控制性，使其在進入轉輪時，發生不對稱的現象，從而會對機組產生一定的橫向阻力，從而使器件發生振動，這種情況會在低荷載或者零荷載時對機組造成高強度的振動。因此，通流器中的水力不穩定情況會進而造成流體的不對稱現象。

第二，尾部流通管產生渦流帶現象。水輪發電機機組中的渦流帶設計較為復雜，在計算流體負載時，定槳式的流體輸送機要求局部負載達到最優化，即器件的開度控制在40%～70%之間，也可以是達到最優流體載量的30%～80%之間。這種情況下會使尾部的流通管中出現不平穩的流體模式。

第三，卡門渦流。這種渦流主要是流體在進入輪片輸出口時，會形成渦流列，在當渦流列在輪片間來回沖撞時，會使其輪片受到水流的沖擊，而此時如果撞擊流與輪片轉速的振動頻率相同，就會出現共振現象。如果情況嚴重就會使得輪片的底部及邊緣產生裂痕，并伴隨一定的噪音。

第四，尾部流通管安裝的位置較低。一般的沖擊立式水輪發電機在安裝流體出口時會選擇較低的位置，這樣一來會使其出口的水流呈現不穩定現象，所以在安裝轉槳式的流體輸出口時，如果沒有在轉彎之間設定好穩定的水流狀態，就會形成周期性的水流沖擊，從而導致周圍相關部件的振動。

3.3 電氣因素造成的振動

沖擊立式水輪發電機組在運行過程中，自身會產生一定的磁場力，從而引發相關機組的振動，此時發電機組在水流沖擊不平衡的情況下，就會使其三相電流出現故障，再加上機組的轉子接地在運行過程中的故障及磁場不均的現象，從而導致電氣振動。這些因素中的轉子接地主要是由于，發生故障導致接地后會伴隨一定的短路情況，進而使其運行阻值變小，特別是在故障點如果流經較大的電流量，極容易造成整體運轉機組的電壓不穩，使其水輪發電機組產生嚴重的振動現象。

4 沖擊立式水輪發電機振動的處理對策分析

4.1 機械方面原因的應對措施

首先應將機組的精密度及同心度進行提高測試，可以通過調整軸線、改變軸瓦間隙或者平衡相對改動等方法進行解決。應在對其機組運行進行一定的測試及數據統計后，進行計算及對比分析，從而得出機組運行時振動最小的一組情況，分析原因，找到相關機械部位，進行振幅調試，從而減輕機組振動，保證沖擊立式水輪發電機的安全平穩運行。

4.2 水力因素造成振動的主要應對措施

可以通過兩種方式進行處理，一種是將葉輪替換成可以減小水流阻力的型號，或者是將葉輪在水流流出的一方進行削薄處理，從而將兩端的交流漩渦摩擦力減小；另一種是將卡門的渦流頻率及葉輪原有的頻率進行更換，從而保證不與水流發生共振現象。

4.3 電氣因素造成振動的主要應對措施

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現早處理，多加強保護監控，及時找出電氣故障并加以處理。

5 結束語

水力發電在現階段屬于應用比較廣泛的發電手段，具有發電量大、成本相對較低、節能環保等優勢，但在實際操作中也會存在一定的問題。因此，呼吁相關部門及工作人員，在進行發電機組振動問題的處理時，一定要落實實際，加強故障分析及人員維護，及早查明故障原因，及早進行防患，從而提升水電工程的運行效率。

參考文獻

[1]李志勇.電網調度工作票管理系統的優化設計[J].河北電網技術，2001（3）：29-31.

[2]金正淑.面向對象的變電兩票綜合管理系統[J].黑龍江電力，2003（6）：237-239.