立式混流式水輪發電機組振動增大原因分析及處理辦法

摘 要：水輪發電機組在運行過程由于水力脈動或者轉動部件受不平衡受力的原因，產生一定程度的振動。超過規范要求允許范圍的振動會對機組造成不可逆的損傷破壞，嚴重降低設備的安全可靠性能。需要對機組振動增大的原因進行分析并予以解決，優化水輪發電機的允許方式，提高水輪發電機組的可靠性。文章主要對水輪發電機組振動增大的常見原因進行分析，并結合實際情況對振動超標的處理方法進行探討。

關鍵詞：水輪發電機組；振動原因；處理方法

立式混流式水輪發電機組在運行中，導水機構和轉輪室內充滿復雜的水流流態，不可避免存在的水力擾動和壓力脈動，以及機電設備在制造安裝過程中機組各部件中心、圓度與設計存在一定偏差，會導致機組在運行中產生機械振動和電磁振動。機組長期處于超過規范規定范圍的超標振動，會使機組各部件的連接件松動加劇振動的發展、機組主要受力部件產生疲勞破壞，產生裂紋甚至斷裂，影響機組的安全穩定運行甚至會對機組造成嚴重的事故，帶來較大的經濟損失和安全損失。

1 水輪發電機組振動增大對機電設備的危害

1.1 機組緊固件松動

長時間超過允許范圍的振動會引起機組各部件連接緊固螺栓松動，比較常見的是引起布置在機架、頂蓋內的油氣水管路連接法蘭螺栓松動，導致機組在運行時出現漏水、漏油、漏氣的問題。三漏缺陷會對機組的正常穩定運行造成一定影響。

1.2 機組部件產生疲勞破壞

機組長時間處于過大的惡劣工況下運行，機組金屬部件的受力薄弱部位在振動的長時間諧振下，會產生金屬疲勞破壞，在應力集中部位產生裂紋。裂紋一般容易在轉子支臂組合焊縫、承重機架組合焊縫以及布置在機架內、頂蓋內的各管路接頭焊縫處發生。機組部件焊縫產生裂紋不僅對機組正常運行帶來安全隱患，而且會加劇振動的發展，大大降低機組的健康水平。

1.3 水力振動對過水部件的危害

對機組的危害比較嚴重，且比較隱蔽不易觀察到。轉輪室內的水力擾動會加速水流中的溶解氣體析出，形成氣泡潰滅后對轉輪、尾水管等部件高速沖擊，在轉輪、尾水管低壓區形成氣蝕，氣蝕不斷對本體金屬造成破壞，降低設備的強度，振動加劇對強度降低部位的破壞，極易產生裂紋，對機組安全帶來較大的風險。

1.4 共振破壞

如機組低頻振動的頻率有接近機組某一固定部件的固有頻率部分時，會在該部件上引起共振，會造成部件斷裂等極大破壞，帶來較大的經濟損失。

2 水輪發電機組振動增大的常見原因

一般情況下，水輪發電機組的振動主要是由于機械、電氣及水力等三方面的原因造成，以下主要對引起機組振動增大的常見原因進行探究。

2.1 機械因素的原因

機組轉動部件重量不平衡，經過長時間運行后的機組主要表現為轉輪重量不平衡。由于氣蝕、磨蝕等導致機組轉輪葉片及其他部位金屬重量減少，或機組檢修期間對轉輪氣蝕、磨蝕、裂紋等損傷部位進行焊接修復后，引起轉輪重心發生偏移，機組轉動時在轉輪處產生偏心力矩，該偏心力矩引起機組軸線擺動，導致機組振動加大。

機組軸線不正。理想的水輪發電機組軸線是與機組旋轉中心和機組中心線重合。機組軸線不正主要是軸線與推力軸承鏡板不垂直、軸線在大軸連接法蘭結合面不垂直發生彎折。引起軸線出現彎折的主要原因為機組安裝或檢修時分段軸連接法蘭的連接不符合要求，連軸螺栓的緊固力矩沒有達到設計要求或緊固不均勻對稱，軸線在法蘭處有彎折由于軸線傾斜和曲折，使機組轉子的總軸向力不通過推力軸承中心，產生一個偏心力矩。隨著轉子的旋轉，偏心力矩對機組轉動部件形成徑向偏心力，會導致轉動部件與約束的軸承周期性碰撞，產生振動。

機組軸承缺陷。當檢修軸瓦間隙調整不當或機組運行后導軸承軸瓦松動導致軸瓦間隙變大，會引起機組徑向力受力不均勻。或軸承與固定止漏環不同心等都會發生干摩擦，引起機組的徑向振動。推力軸承座水平調整不滿足要求或推力軸承彈性油箱支柱彈簧受力調整不均勻，推力瓦出現傾斜導致鏡板水平不能水平落在推力瓦上，機組軸線出現傾斜導致機組軸向力受力不均勻，機組轉動時軸線會發生較大的偏移。

機組轉動部件與固定部件間隙調整不均勻，間隙不滿足要求。在運行時轉動部件與固定部件發生碰撞，主要可能發生在轉輪與上下止漏環以及轉子和定子之間的間隙不均勻，運行中發生碰撞。以及機架、頂蓋等固定部件的緊固螺栓發生松動均會導致機組振動加大。

2.2 電磁振動的原因

通入轉子的勵磁電流三相不平衡，會在定子中感應出三相不平衡定子電流，三相不平衡電流的定轉子會產生不平衡磁場，形成不平衡的磁拉力，使轉子、定子各部件發生周期性的振動。

2.3 水力振動的原因

水力振動主要發生在不對稱水流從轉輪葉片流出時，在轉輪泄水錐和尾水錐管部位形成擾流和渦帶，對轉輪及尾水管進行高速沖擊，造成較大的振動，同時該區域內水壓脈動變化較復雜，容易在轉輪和尾水管內壁發生氣蝕，進一步加劇振動。

3 水輪發電機組振動過大的問題及處理辦法

3.1 軸線不正引起的振動過大處理

軸線不正主要原因是水輪機軸和發電機軸同心度存在偏差、水輪機軸和發電機軸連接法蘭螺栓緊固力矩沒有達到要求或緊固不對稱導致法蘭傾斜、推力軸承鏡板與推力瓦面水平度超差。要處理機組軸線不正引起的振動過大的問題，首先需要通過緩慢轉動機組盤車，通過盤車數據對機組各部位的擺度進行分析，找出軸線發生彎折的地方，然后計算出需要調整的量和調整位置，通常是在彎折處法蘭進行加墊調整，使軸線恢復垂直。

3.2 機組軸承缺陷引起的振動過大處理

水輪發電機組軸承分為推力軸承和導軸承。推力軸承承受機組整個轉動部件的重量和軸向水推力，當推力軸承水平偏差較大時，鏡板落在推力瓦上出現推力彈性支柱或彈簧不能糾正推力瓦的水平偏差，推力軸承鏡板就會產生傾斜，導致發電機軸傾斜。處理推力軸承水平偏差大的方法主要是通過調整推力軸承彈性支柱油箱受力，使轉子落下時每個彈性油箱受力均勻。如水平偏差過大，需要對推力軸承座水平進行調整，通過調整下機架水平來調整推力軸承的水平。機組導軸承主要承受機組轉動時的徑向力，當導軸承軸瓦間隙過大時，導軸承對機組大軸失去約束作用，大軸擺度會大幅超過正常范圍，并會加劇軸承受損，造成機架振動加大。處理導軸承引起的振動過大，主要是振動大的部位的軸承進行檢查調整，將軸瓦間隙調整至規定的范圍，并打緊調瓦螺栓，并做好防松動措施。

3.3 水力因素引起的振動過大處理

水力因素引起機組振動加大的原因較復雜，處理難度大。如因導水機構缺陷導致水力不平衡引起振動過大，只有在機組檢修時對受損的導水機構進行修復，保證進入轉輪的水流平衡。在檢修期間對導水機構和轉輪進行檢查，對各部位的氣蝕進行打磨焊接修復，防止氣蝕的進一步擴大。分析機組水力振動區域，在機組運行時避開振動區運行，改善導水機構和轉輪室及尾水管內的水流流態，避免出現尾水低頻振動及卡門渦帶的發生。

4 結束語

通過改善機組的運行工況，對引起機組振動加大的部件進行處理調整，使機組在振動較小的區域內穩定運行，對提高水輪發電機組設備的健康水平和安全性能有重要意義。

參考文獻

[1]王玲花.水輪發電機組振動及分析[M].黃河水利出版社，2011.

[2]董毓新.水輪發電機組振動[M].大連理工大學出版社，1989.

[3]劉云.水輪發電機故障處理與檢修[M].中國水利水電出版社，2002.

[4]于蘭階.水輪發電機組的安裝與檢修[M].中國水利水電出版社，2008.

[5]袁蕊，田子勤.水輪機檢修[M].中國電力出版社，2004.