高原混流式水輪發電機組振動原因分析與處理研究

王敏

（四川華電雜谷腦水電開發有限責任公司，四川 成都 610039）

在高原環境下，由于氣壓溫度與平原地區有一定差異。雜谷腦河流域的立式混流式水輪發電機組在運行中，水流從轉輪四周橫向進入。然后，在中心泄水錐軸向流出。所以我們的導水機構預計我們的工作部位的水流情況就比較復雜，這樣必然會帶來液體壓力里的擾動。除了水流的變化，我們的設備在制作過程中也純在誤差。例如，一個軸的同心度的控制、一個軸承的同心度的控制。其次，在按照過程中各個部件同心度的不斷公差累計最終會獲得更大的偏差。這樣就會使設備在運行過程中首先會出現機械振動，其次電磁振動隨之而來。當混流式水輪機組設備始終處于一個振動較大的情況下，只會讓我們的設備的部件產生疲勞損壞，慢慢地出現裂紋從而最終產生斷裂。這樣肯定是要影響我們的水輪機的穩定運行最終參數不可逆轉的損傷。

1 混流式水輪發電機組振動危害

高原環境下我們的氣溫氣壓與平原有一定差距晝夜氣溫變化大，當我們常見的水、油、氣發現泄漏時，一般都離不開我們設備的長期振動超過我們預先設計的情況。大部分部件的預緊力在振動較大的情況下先是變小最后消失。所以，水、油、氣泄漏必然給水輪機的正常運行帶來困難。當三漏問題出現后，必然帶來更多的震動源。我們的機組很多部件受力薄弱的位置在長時間的震動過程中，尤其是本身材料有內應力的情況下，不斷產生一定的裂紋。例如，設備的轉子長臂有焊接的部位、機架尤其是承重用的機架焊接部分。各個管道的連接法蘭部分，還有就是維修后的焊接部分都是具有風險的部位。以上所描述的各部焊接與連接部分如果震動加大裂紋加大那必然給我們設備的運行不斷增加安全隱患。在我們高原環境先整體氣壓低，水輪機內部的轉輪室內水的壓力變化肯定會產生并溶解氣體出來。當氣泡潰滅后我們的轉輪以及尾水管肯定受到沖擊。同時，氣蝕也會對我們的金屬表面形成傷害，當傷害達到一定程度后，我們設備強度就發生了變化了。這樣就更容易產生裂紋與斷裂的現場產生。

還有就是我們的設計過程中一些部件的模態震動分析可能是基于一般條件設計的，但是在高原環境下可能會發生變化震動的給一些部件帶來了共振導致一些部件的損壞，從而在安全與經濟上給電站帶來損失。

2 混流式水輪發電機組振動原因及其特點

正常情況下，我們設備振動來自于三個方面：機械振動源、電磁振動源、水力脈動。三個方面均屬性復雜原因。我們將進一步分析。

2.1 由于機械有發的原因

設備在運行過程中，各種環境條件都在變化，河水泥沙木塊等大量不確定因素都會因為氣蝕、磨損等一系列原因導致轉輪葉片局部材料受損脫落。這樣原本的動平衡就逐漸偏差變大。還有一種就是維修過程中對部分位置進行焊接加工等各種過程中都會導致原有動平衡的破壞。那這樣帶來的后果就是進一步讓同心度變大振動加強。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。還有一種情況就是機組的軸線與推力軸承的鏡面板的法相方向存在夾角，這樣鏈接法蘭就會受到一個彎矩。當軸承與固定的止漏環不是均勻受力的情況下我們的機組徑向振動就會發生。所以按照過程中會去調整推力軸承的位置這個時候軸承的彈性油箱的受力就會出現不均勻。推力軸承的法相發生變化那么推力板也會發生變化。機組在輪動過程中就會直接出現軸線偏差變大情況發生。這時我們的轉子就會和固定部件發生碰撞這些碰撞主要發生在轉子與止漏環上。這樣我們的機架在振動過程中又會出現緊固部件的松動。

2.2 電磁振動的原因分析

電磁振動第一會發生在由于轉動部件上文中提到的原因由于受力不平衡導致振動，這樣電磁力也就發生了變化。主要特征表現為當振動變大時，勵磁電流也就加大了，機架振動也變大了。然后，發電機本身繞組會產生磁場，這個時候特殊的諧波是不可避免的存在，這個時候就會產生振動，從而體現在機架上。還有就是定子一般都是鐵芯組合在以前在振動環境中長時間就會出現一定的松動，這時，帶來振動可能就是電流頻率的二倍。同時繞組也能固定的不牢固這樣電器的負載與電磁負荷一起作用我們的機架統一也會發生振動。第四由于碳刷在使用過程中的磨損出現的接觸不均勻等，同樣也會帶來振動這個方面的表現呈現的規律性仍處于研究中。

2.3 水力振動的原因

當河水進入到設備的內通過導葉、進入流道蝸殼那必然會引起水流的渦流現象發生，當渦流發生后必然會讓機組發生振動。由蝸殼中的不均勻流場而產生的振動，其振動頻率就是與我們的轉輪葉片數Z 及其轉速每分鐘n 有關。這種振動一般為中頻振動。但是當這個振動讓其他部件發生振動是就會引起共振現象。首先尾壓力脈動是由水管中水流渦帶誘發的從而所引起的的水輪機振動。當運行情況逐漸偏離了最優工況后，渦帶就會出現在尾水管中。這時水輪開始振動同時還要一定的聲響。在30%～60%的負荷范圍內我們渦帶帶來更多的振動。水輪的工作頻率如果和壓力脈動頻率靠近時，擺動就會發生。然后我們來學習一下卡門渦漩，當液體流過不光滑或者流線形狀不好的障礙物后，液體就會在他尾部形成各種形狀各異的漩渦。這種現象就是卡門渦流。這樣的渦流十分紊亂。在它的不斷形成與消失過程中就會不斷產生各個方向上的振動與力的沖擊。當這個卡門渦流的頻率與類似葉片等機械部件的固有模態頻率相似的時候就會引起設備的共振。機組的未來減少水頭的容量損失，一般會采用特殊的止漏裝置。但是止漏裝置的幾何形狀的誤差同樣會來帶所謂的迷宮振動，同時也會產出受力的偏差。

3 混流式水輪發電機組振動過大的問題及處理辦法

根據如上分析，針對振動變大后首先找到原因采取相應的措施進行補救。第一，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，推力軸承的法向與推力平面的法向夾角過大。要處理如上問題需要調整軸線。需要轉動我的盤車。通過數據分析獲得軸線發生變化的位置，以及通過計算獲得我們未來要調整的量的大小與位置。一般會使用加墊調整來獲得減少軸線夾角的辦法來調整。第二，軸承也可能產生缺陷并且引發振動。這時就需要進行調整。當推力軸承出現問題的時候會調整軸承支柱油箱的受力，這樣轉子在彈性油箱上的受力變得均勻。如果是徑向有偏差，就只能通過調整軸承水平座來實現軸線夾角變小的目的。在完成以上調整后，要加強檢查所有緊調瓦螺栓加緊，同時加強防松措施。最后，就是水力的原因導致振動。這個時候我們只要加強檢修維護。當河水情況發生較大變化后，要加強監控更科學的調整設備盡量避免振動的發生。盡量避開共振強烈的區域。其次，水輪機非核心部件的的工作情況應該加強監控例如頂蓋排水管等輔助設備的漏水等等，都應該及時處理減少這些輔助設備都設備帶來沖擊。對碳刷的檢查和監控一定要到位，當發現碳刷出現不均勻或者厚度足的時候及時進行更換，或者作出及時的更換計劃。這些都建立在更科學的監控要求下。

4 結語

通過分析與學習振動發生原因后，針對不同的原因采取相應的改善辦法。在整個設備運行過程中，影響其穩定性的原因是很多的，同時也是比較復雜的，我們只有不斷發現總結才可以。例如，尾水管低頻壓力脈動的核心問題有當今專家做了大量的研究，但是大家任然沒有做出一致性的結論。還需要我們進一步去發現與研究。希望本文對大家起到啟發的作用。同時，希望電站監控需要進一步加強，從而為我們去避免不必要的損壞提供更及時的信息。電站設備的穩定運行除去水輪機其他方面，也應加強管理與監控。