水輪發電機組振動分析

摘 要：水輪發動機組振動有諸多原因以及危害。由于破壞了轉輪結構和固定導葉，這種振動現象會威脅水電站運行的安全性和穩定性，降低水電站的經濟效益。文章闡述了水輪發電機組原理、原因以及危害等問題，為了提高機組安全穩定運行延長機組使用壽命，我們要減少水輪發電機組振動這種現象。

關鍵詞：水輪發電機組振動；原理；振動；危害

1 概述

隨著社會的發展，水利工程對人們的生活至關重要，我們應該采取有效措施保障水利工程項目內部機電設備的正常運行。為了提高水輪發電機組的穩定性，對水輪發電機組振動進行分析與研究。

2 水輪發電機組振動原理

在機組運轉的狀態下，在水輪機作為其原動力的前提下，水能的作用能夠直接有效激發水輪發電機組振動，還能夠間接維持機組振動。流體、機械、電磁三者是相互影響相互作用的，由于氣隙在不對稱的狀態下，由于發電機定子與轉子之間的磁拉力不平衡的情況，當流體激起機組轉動部分振動時會造成機組轉動部分的振動，而發電機的磁場和水輪機的水流流場也會受到轉動部分的運動狀態的影響。

3 關于水輪發電機組振動的原因

3.1 機械原因

（1）機組軸線不同心。因為軸心線受到水輪機軸與發電機軸不同心的現象導致不正，因此出現振動，造成機械故障。它的主要振動特征1倍頻和2倍頻為徑向振動的主要頻率；2倍頻分量與軸系不對中成正比，2倍頻分量比例越大，軸系不對中越的現象越顯著，一般會超過1倍頻分量。

（2）不平衡的轉子質量。水輪發電機組轉子質量不平衡是是旋轉機械最常見的故障，也是導致機組振動的常見原因之一。其轉子質量不平衡振動現象表現有三點：隨著轉速增加振動頻率也隨之增加；以圓或橢圓為軸心軌跡；以轉頻為主要振動頻率。

（3）軸承缺陷。引起發生干摩擦的原因：導軸間隙過大、松動、潤滑不好，或軸承與固定止漏環軸線不正等，這些因素都會使機組橫向振動。為了解決機械原因引起的振動等問題不影響精密度和相對同心度的降低，需要利用動平衡來調節軸瓦間隙和軸線等。

3.2 水力因素

（1）尾水管出現低頻水壓脈動。水輪機的轉輪在未設定的工作情況下，在出口處形成脫流旋渦、旋轉水流和汽蝕等現象，因為在尾水管內出現大渦帶后，渦帶在管內以接近于固定的頻率轉動，將會在尾水管內造成水壓脈動。一但管內水流發生流動，壓力脈動就會導致轉輪、尾水管壁、壓力管道、蝸殼、導水機構的振動。

（2）水力不平衡。因為正常水流受到塊狀物體卡在轉輪葉片之間或較軟的粗麻繩、橡膠帶纏住轉輪葉片的阻礙，使水力造成不平衡，產生引起機組振動。通過蝸殼的作用使具有動能和位能的水流形成環流，引起轉輪旋轉。在安裝和加工誤差等因素以及流道的外觀形狀和導水葉的葉片的尺寸相差很大時，其橫向力會受到轉輪的水流不再軸對稱的影響產生不平衡，因此在低負荷或空載運行時將出現十分強烈的轉輪振動。

（3）卡門渦列。機組振動也會受到轉輪葉片出口處所形成卡門渦列的影響。如圖1所示，卡門渦列與翼型的尾部形狀以及流體的速度有密切關系，所以卡門渦列的振動幅度越大，表示其流量越大。

（4）空腔汽蝕。設計時要保證在最優工況區及附近不發生嚴重汽蝕，因為水輪機汽蝕與水輪機運行條件有密切聯系。然而機組運行中，當系統要求在偏離最優工況區運行時，使轉輪的出流條件發生極大變化，機組振動受到汽蝕在不同程度上加嚴重增加的影響。它的振動有三個特征：尾水管壓力脈動大、尾水管進人孔門處噪聲大、機組在某負荷工況下振動大，其振頻為高頻。

3.3 電氣因素

（1）定子鐵心疊片出現松動。在定子鐵心疊加安裝時，由于鐵心壓緊螺桿將會出現一定的緊靠力，然而長時間工作中，因為振動和溫度的變化，鐵心松動會受到螺桿壓緊時出現的一些塑形變形而緊靠力降低或者螺母稍微松動以及鐵心沖片出現絕緣老化收縮的情況的影響。鐵心松動會造成振動，同時振動也會加快鐵心松動。其振動頻率是100赫茲。

（2）氣隙不均勻。電力和機械力的結合點是氣隙，發電機組振動會受到發電機定轉子間氣息不均勻在定子上產生單邊磁拉力的影響。在發電機轉子有擺度或不圓時，就會有不均勻的空氣間隙產生，因此會產生磁拉力在單邊不平衡的現象，同時轉子的旋轉會引起空氣間隙沿著圓周做周期性移動，出現的單邊不平衡磁拉力將會引起機組振動。它的振動特點：振幅隨發電機出力以及勵磁電流的增加而增加，振動頻率為轉頻。

（3）定子繞組固定結構松動。把定子線棒用槽楔固定在槽中，有時線棒出現槽楔脫落，齒端鐵片斷裂的現象，是因為在長時間運行中，因為振動不斷地摩擦，槽楔一般會容易松動，線棒將會出現壓不緊的情況。

（4）不對稱的三相負荷。繞組產生的轉子磁場在定子不對稱的三相負荷情況下與負序磁場同步在2倍轉速下，兩者相互影響，交變電磁轉矩作用于轉子、定子、機座和鐵心上，引起機組振動，同時產生倍頻。它的主要振動頻率為100赫茲。

（5）轉子磁極出現松動。機組在靜止的情況下檢測發電機大小間隙、定轉子氣隙是否分布均勻，規范設計氣隙在要求范圍內，氣隙值比平均值范圍在正負百分之十，此時如果轉子磁極繼續出現松動并且造成機組運行過程中出現氣隙不均勻的情況，是因為機組在工作過程中產生不平衡的磁拉力現象的振動，在這種工作狀態下，產生位置不斷變化的氣隙不均勻。

4 水輪發電機組振動的危害

振動對機組安全的危害在于：由于尾水管出現低頻壓力脈動，尾水管壁將出現裂縫，當發電機的自振頻率與尾水管低頻壓力脈動的頻率兩者接近時，出現共振，機組此時會產生大幅度波動，以致于機組從電力系統中分解，嚴重地危害正在受益的建筑物。當機組各連接部件出現松動，部件之間出現摩擦的情況，將導致焊縫和零部件的過度疲勞、加大裂縫的深度甚至嚴重時將會斷裂。

5 結束語

水電站的核心組成部分是水輪發電機組。引起其振動因素很多，主要包括：機械因素、水力因素、電氣因素，研究這三種因素的主要特征，分析水輪發電機組振動原因，確定振動位置，采取有效的解決措施切實地解決機組振動問題，使水輪發電機組運行的穩定性和可靠性得到提高，給整個水電站的經濟效益和運行效益。

參考文獻

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作者簡介：馬駿華（1966，6-），男，民族：壯族，籍貫：廣西德保縣，學歷：大專，職稱：工程師，現工作或學習單位：廣西麻石水力發電廠，研究方向：水電站水輪機、調速機。