水輪發電機組振動危害性分析及預防

覃柏榮

（廣西電力安裝有限公司 廣西南寧 530000）

水輪發電機組產生的振動和其它動力機械產生的振動存在明顯差異，但機組振動是一種較為常見和明顯的現象，但它的振源通常十分隱蔽，除機器自身發生轉動引起的振動，當水輪機過流受到發電機電磁力持續作用后，也會對系統與它的部件造成影響，進而產生振動。導致機組產生振動的原因有很多，一般多種振源共同存在，通常情況下，導致機組發生振動的源頭以電氣、水力與機械為主，而且這三者還相互作用與影響，彼此交織，最終產生耦合振動。

1 振動危害

對于一般振動，并不會對機組造成危害，但如果振動超出了允許范圍，特別是長時間的振動與共振，將對發電的質量、機組設備壽命、各附屬設備與儀器、基礎與周邊建筑造成很大影響，甚至帶來十分嚴重的危害，這些危害主要包括以下幾個方面：

（1）在機組零部件及焊縫之間產生疲勞破壞區，且這一區域將不斷擴大，導致裂紋的產生，嚴重時，將造成斷裂損壞[1]。

（2）機組上某些緊固件由于振動變松，除了會使這些緊固件產生斷裂，還會加劇與其相連的部分的振動，使損壞速度加快，縮短使用壽命。

（3）增加機組轉動機構磨損，比如大軸發生劇烈擺動，導致軸和軸瓦大幅溫升，最終燒毀；又比如發電機的轉子產生劇烈振動，使滑環和電刷之間的磨損加劇，溫度大幅升高，將軸瓦燒毀，同時還會使電刷上的火花大量增加。

（4）在尾水管中，渦流將產生一定脈動壓力，導致過水系統產生明顯的振蕩，在尾水管壁上出現若干裂縫，當情況比較嚴重時，還會使尾水設施被嚴重破壞。

（5）如果水輪機組發生共振，則將帶來更嚴重的后果。比如，當機組設備和廠房發生共振時，將使設備與廠房均被損壞[2]。

2 振動產生原因與預防

2.1 低頻渦帶

對混流式與軸流定槳式兩種水輪機而言，低頻渦帶是在以上兩種水輪機處于部分負荷條件下時，在尾水管當中產生的現象，即流體不穩定流動。當水輪機運行于非設計工況時，因轉輪出口部位存在旋轉水流與脫流漩渦，所以在尾水管當中將產生明顯的水壓脈動。特別是在尾水管當中產生大渦帶以后，這一渦帶將以近似固定的頻率于尾水管中發生轉動，使水流在低頻壓力作用下發生脈動。如果尾水管中的水流已經發生，則在壓力脈動作用下，將產生一系列振動，如尾水管壁振動、轉輪振動、導水機構振動、蝸殼振動與壓力管道振動等。尾水管結構如圖1所示。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：

（1）對水力設計進行優化，比如更換負傾角轉輪翼型、對葉片出口環量及其分布規律進行合理設計、采用適宜的泄水錐與上冠，另外，當轉輪為高水頭混流式時，可在轉輪上增加副葉片[3]。

（2）避免機組在振動工況區中進行運行。

（3）對水流發生的流動及旋轉進行改變，常用方法有：對泄水錐和尾水管的錐段進行加長；對尾水管的錐角予以擴大；增設阻水柵與隔板；對渦帶偏心距進行嚴格控制。

（4）在機組運行過程中，為渦帶區實施補氣，通常進行自然補氣即可，若有必要，也可進行強制性補氣。

圖1 尾水管結構

2.2 卡門渦列

如果水流遇到非流線型障礙，則會在出口兩側產生漩渦，出現方向相反，但排列十分規則的漩渦，在這種情況下，將引起相互干擾和吸引，這就是渦列產生原因，通常稱之為卡門渦列。該渦列交替進行旋轉，旋轉方向為順時針與逆時針，在它形成和消失期間，會在與主流相垂直的方向上產生振動力。如果渦列頻率和葉片固有頻率相接近，則葉片的動應力將大幅增加，甚至產生響聲，導致葉片的根部因為振動而斷裂[4]。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：

（1）對轉輪葉片厚度進行適當削減，增加卡門渦的頻率，以盡可能的防止共振發生；

（2）在葉片之間增設支撐，以此對葉片自振頻率予以調整和改變；

（3）在水輪機設計過程中，對渦列頻率及葉片和導葉自身固有頻率進行預測，以此盡可能的與繞流部件固有頻率相錯開。

2.3 水力不穩

對于混流式水輪機，如果它的實際工況與最優工況相偏離，則葉片進口沖角將明顯增大，若水流沖角嚴重超標，將使葉片的頭部脫流而產生葉道渦，由此會產生中高頻率的脈動。在設計水頭的上部，來流為正沖角，脫流主要產生于上冠葉片進口后側；在設計水頭的下部，來流為負沖角，脫流主要產生于上冠葉片進口前側。對葉道渦而言，其脫流產生在與最優工況相偏離以后的上冠進口，可分成高、低水頭兩種。根據模型試驗結果可以看出，渦流主要在轉輪葉片之間的縫隙產生，在水輪機工況發生變化時，如果2～3個葉片之間在相同的時間產生可以發現的渦流，則說明機組處于這一工況時有葉道渦現象發生[5]。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：

（1）對水輪機組的水力進行優化設計，尤其是上冠部位型線設計與葉片頭部葉型設計；

（2）為盡可能避免高水頭葉道渦產生，設計水頭，即機組的最優水頭，需要與最高水頭保持接近；

（3）為了給水輪機進行補氣，需在其頂蓋表面設置補氣孔，使壓縮空氣順利補充，以此在必要的情況下進行補氣，消除機組的振動；

（4）在機組運行時，應盡可能避開葉道渦的發生區。

2.4 過度不穩

在水輪機的工況產生明顯變化的過程中，將進入水力過渡階段，此時機組將產生不同的振動。對于水力過渡，主要包括小波動與大波動兩個過渡過程，當為小波動過渡時，由水輪機調速器進行調節可以在較短的時間內達到穩定狀態，但如果是大波動過渡，比如機組的啟動和停機、運行負荷突然變化、甩負荷、同步調相及事故飛逸，從水輪機中持續通過的水流，其狀態將十分復雜和紊亂，除了會使水力無法保持穩定，而且在轉輪上還會產生一定高頻動應力[6]。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：一方面，要盡可能避免大波動過渡；另一方面，若大波動過渡無法避免，則要在現有調速器的基礎上增加其它調速機制，以此在允許的時間范圍內達到穩定狀態，保證水力的穩定性，避免高頻動應力的產生。

2.5 水力失衡

水流在具備位能與動能之后，將在蝸殼作用下產生環流，之后轉輪由于受到導葉持續作用（包括固定導葉與活動導葉，但無論哪一種導葉，其分布均保持均勻）而開始旋轉。因加工與安裝無法避免誤差的產生，導致導水葉的流道及葉片，在形狀和尺寸等方面存在很大的差別，直接或間接作用在轉輪上的水流，如果失去軸對稱，將產生不平衡的橫向作用力，導致轉輪發生振動，這一振動在空載狀態和低負荷運行狀態更為強烈。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：從加工和安裝兩個環節入手，盡可能減小誤差，避免流道與葉片在形狀和尺寸上產生較大的差別。

除以上原因外，磁拉力不平衡和軸線不直也會造成振動，電機中，定子和轉子間存在的不均勻氣隙將使兩者間產生不均衡磁拉力，即便定、轉子表面十分規則，機組當中因軸系產生變形將導致電機轉子偏心，進而導致磁拉力不平衡。導致單邊磁拉力的原因為轉子相對于定子發生偏心，這一般和加工與安裝過程中產生的誤差、軸承磨損及轉子撓度等有關。對此，應保證加工與安全精度，減小軸承的磨損與轉子撓度。

3 結束語

綜上所述，如果水輪發電機組產生超出允許范圍的振動，將對機組帶來很大的危害，如在機組零部件及焊縫之間產生疲勞破壞區等，使機組產生振動的原因有很多，在實際工作中，為預防振動，需針對不同產生原因，根據振動產生機理，采取有效的預防技術措施，比如針對由水力不穩引起的振動，應通過對水力的優化設計來預防和處理。此外，磁拉力不平衡和軸線不直也會造成振動，對此，應采取有效措施來預防和處理。