羅有德，查榮瑞

（云南聯(lián)合電力開發(fā)有限公司，云南 瑞麗 678600）

水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中的振動(dòng)是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等多方面的原因。水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)加劇后可能導(dǎo)致水力機(jī)組結(jié)構(gòu)破壞、降低運(yùn)行效率和機(jī)組出力。因此異常的振動(dòng)一旦發(fā)生，小則產(chǎn)生噪音，大則危及安全，造成事故，給電廠帶來巨大的損失。所以，在設(shè)備運(yùn)行生產(chǎn)管理工作中，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象及其危害性的分析與預(yù)防。

1 瑞麗江一級(jí)電站的振動(dòng)現(xiàn)象

瑞麗江一級(jí)電站為引水式水電站，壩高47 m，引水隧道長(zhǎng)5 km，共有6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)600 MW，水輪機(jī)型式為立軸混流式，型號(hào)為：HLA351-LJ-280,轉(zhuǎn)輪進(jìn)口公稱直徑為2.8 m，安裝高程389.5 m，最大水頭330.1 m，額定水頭為299 m，額定流量為37.6 m3/s，單機(jī)額定出力100.2 MW，機(jī)組吸出高度-8.5 m，額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為680 r/min。

瑞麗江一級(jí)電站機(jī)組的振動(dòng)是由多種因素引發(fā)機(jī)組振蕩的綜合效應(yīng)。1～6號(hào)機(jī)組在試運(yùn)行初期都存在振動(dòng)過大現(xiàn)象，上機(jī)架最大振動(dòng)峰值達(dá)3.5 mm以上，1號(hào)機(jī)組第一次過速至135%以上時(shí)，發(fā)電機(jī)組上機(jī)架整體振蕩，整個(gè)廠房出現(xiàn)了共振。從表1 1號(hào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)參數(shù)中可以看出各導(dǎo)軸承，上、下機(jī)架擺度振動(dòng)值都很大：

2008年8月26 日～27日機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)表見表1。

表1 甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

后來經(jīng)電站業(yè)主方、主機(jī)制造廠家、施工單位、試驗(yàn)所及各水電專家的分析研究，結(jié)論機(jī)組過速至135%ne以上時(shí)機(jī)架存在共振現(xiàn)象。因此決定采取以下處理辦法：調(diào)整機(jī)組軸系；調(diào)整軸瓦間隙；調(diào)整千斤頂壓縮量；對(duì)上機(jī)架進(jìn)行橫向加筋加固、增加6個(gè)千斤頂加強(qiáng)橫向支撐；加固下機(jī)架和加固定子機(jī)座的剛強(qiáng)度；限制機(jī)組過速超過135%ne等措施。對(duì)機(jī)組進(jìn)行加固處理后，改變其固有頻率，使機(jī)組在過速過程中機(jī)架、導(dǎo)軸承能起到較好的支撐作用，避免振動(dòng)大幅度升高，保證了各導(dǎo)軸承及頂蓋的振動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。但其它振源未消除，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行到某個(gè)工況時(shí)在尾水管錐管段就會(huì)產(chǎn)生較大的水流敲擊管壁的噪聲，在相應(yīng)機(jī)組段尾水渠內(nèi)產(chǎn)生如放鞭炮似的爆炸聲，站在尾水平臺(tái)位置，爆炸聲會(huì)更加明顯，同時(shí)腳下可以感覺到有很強(qiáng)烈的振感，此現(xiàn)象屬于水力引起的卡門渦列和尾水壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。

1.1 機(jī)組振動(dòng)原因的分析

水輪發(fā)電機(jī)組由于受各種干擾力對(duì)水輪機(jī)的作用是使水輪機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。瑞麗江一級(jí)電站1、3、6號(hào)機(jī)組送緬甸電網(wǎng)，電站是緬方的主要供電電廠，因緬方電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大，頻繁的負(fù)荷變化使機(jī)組的運(yùn)行工況無法保證在穩(wěn)定的機(jī)組最優(yōu)工況下運(yùn)行，從而使機(jī)組的水力振動(dòng)變得更加復(fù)雜；2、4、5號(hào)機(jī)組送中方電網(wǎng)，頻率、負(fù)荷較穩(wěn)定，所以機(jī)組的運(yùn)行工況較好。

水輪機(jī)組的振動(dòng)主要可分為水力振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)3類。

（1）水力振動(dòng)：引起水力振動(dòng)的原因有流道中水流的不均勻，卡門渦列誘發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)、迷宮間隙不均產(chǎn)生的振動(dòng)、尾水管中渦帶引起的低頻振動(dòng)等。

（2）機(jī)械振動(dòng)：機(jī)械振動(dòng)主要是由于水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不良或制造、安裝質(zhì)量較差造成的，如軸線曲折、傾斜，推力軸承安裝不良以及導(dǎo)軸承間隙過大等。均能引起機(jī)械振動(dòng)。

（3）電磁振動(dòng)：電磁振動(dòng)主要是由于水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)不合理或制造、安裝質(zhì)量不良以及轉(zhuǎn)子匝間短路等所產(chǎn)生的不平衡電磁力造成的。

瑞麗江一級(jí)電站機(jī)組在機(jī)械振動(dòng)方面普遍存在結(jié)構(gòu)性共振問題，采取了一些加固等措施后，共振區(qū)域基本避開。目前機(jī)組在某些負(fù)荷工況下反映出來的振動(dòng)現(xiàn)象，主要的振動(dòng)原因是水力振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)方面，當(dāng)然也不排除電磁振動(dòng)的原因，但不是主要的振源。

1.2 減振的方法

水輪發(fā)電機(jī)組減少振動(dòng)的方法一般有這樣幾種：①消振：即消除或減弱振源，這是治本的方法。②隔振：在振源與受控對(duì)象之間加1個(gè)子系統(tǒng)稱之為隔振器，用它減小受控對(duì)象對(duì)振源激勵(lì)的響應(yīng)。③吸振：又稱動(dòng)力吸振。在受控對(duì)象上附加1個(gè)子系統(tǒng)，用它產(chǎn)生吸振力以減小受控對(duì)象對(duì)振源激勵(lì)的響應(yīng)。④阻振：又稱阻尼減振。在受控對(duì)象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗能量而使響應(yīng)減小。⑤結(jié)構(gòu)修改：通過修改受控對(duì)象的某些參數(shù)使振動(dòng)滿足預(yù)定的要求。

2 減小卡門渦列振動(dòng)的措施

瑞麗江一級(jí)電站的在對(duì)機(jī)組振動(dòng)問題的處理上，目前已采取了消振和結(jié)構(gòu)修改方法，從實(shí)際運(yùn)行上看基本達(dá)到處理要求，但在水力振動(dòng)方面的處理，目前仍未采取措施，因此下面就對(duì)此問題進(jìn)行論述。

卡門渦列主要出現(xiàn)在導(dǎo)葉和葉片的出水邊，它的頻率是以比較單純的噪聲形式表現(xiàn)出來，其頻率計(jì)算式為f＝sv／d（s為斯特努哈數(shù)；d為葉片尾部脫流厚度；v為流速）。故在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪、葉片或?qū)~時(shí)，要求機(jī)組及零部件的固有頻率避開卡門渦頻率，或選用在生產(chǎn)實(shí)踐和試驗(yàn)證明較好的葉型，而對(duì)于已投產(chǎn)運(yùn)行的機(jī)組，則只能采取下列措施；a．避開共振流速運(yùn)行；b．修改葉片的形狀；c．改變?nèi)~片的剛度。

瑞麗江一級(jí)電站轉(zhuǎn)輪葉片分長(zhǎng)、短葉片，葉片數(shù)量15+15，從設(shè)計(jì)理念和實(shí)驗(yàn)證明看，應(yīng)該是目前較好的葉型型式。從目前運(yùn)行一年多的轉(zhuǎn)輪葉片檢查情況看，未發(fā)現(xiàn)有裂紋損傷現(xiàn)象，證明卡門渦列影響不大。

3 消除尾水管渦帶引起的振動(dòng)

水輪機(jī)在部分負(fù)荷（一般為滿負(fù)荷的40%～75%）運(yùn)行時(shí)，尾水管內(nèi)由于復(fù)雜的渦旋運(yùn)動(dòng)，而出現(xiàn)渦帶的大幅度振擺，從而引起尾水管壁及轉(zhuǎn)輪的劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成引水管和廠房的共振。要減少已存在的脈動(dòng)，可以采取以下幾種措施：

（1）正確選擇尾水管內(nèi)的流速分布，并使水流進(jìn)入肘管和喉部以前，降低錐管段的流速，機(jī)組尾水管喉部的流速不得超過3.5 m／s。轉(zhuǎn)輪出口流速在進(jìn)入尾水管錐段時(shí)急劇降低，從而導(dǎo)致尾水管中心部分壓力增加，同時(shí)也就減小渦旋強(qiáng)度和轉(zhuǎn)輪葉片下面所造成的渦帶大小，減小了尾水管中的壓力脈動(dòng)。

（2）改變泄水錐或尾水管的結(jié)構(gòu)。

（3）裝設(shè)導(dǎo)流裝置

（4）補(bǔ)氣

依據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)水壓脈動(dòng)及補(bǔ)氣資料分析，在中、高水頭的水輪機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑D1＞4m，相對(duì)振幅大于3%～5%，水壓脈動(dòng)絕對(duì)值大于50 kPa時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)氣以消除水壓脈動(dòng)。獨(dú)聯(lián)體在許多水電站上進(jìn)行了最小補(bǔ)氣研究。研究證明，為了保證混流式水輪機(jī)在低負(fù)荷工況（15%～40%負(fù)荷）下穩(wěn)定運(yùn)行，必要的補(bǔ)氣量為額定出力下水流量的0.8%～1.2%；在中負(fù)荷工況（50%～70%負(fù)荷）下為0.1%～0.3%。

當(dāng)轉(zhuǎn)輪相對(duì)下游水位的埋入深度不超過6～7 m時(shí)（瑞麗江電站已經(jīng)超過達(dá)8.5 m），則可通過轉(zhuǎn)輪中心孔和轉(zhuǎn)輪泄水錐實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)氣，這已在很多個(gè)中、低水頭混流式水輪機(jī)上采用。

根據(jù)瑞麗江一級(jí)電站的實(shí)際情況，轉(zhuǎn)輪下腔的補(bǔ)氣原設(shè)計(jì)是通過從尾水平臺(tái)補(bǔ)氣閥自然補(bǔ)氣到頂蓋，因補(bǔ)氣閥進(jìn)氣孔太小(5×Φ2 mm),要達(dá)到所需的補(bǔ)氣量Q=0.112 8 m3/s（按中負(fù)荷水流量0.3%計(jì)算），補(bǔ)氣速度必須滿足v=1 796.2 m/s,這顯然是不實(shí)際的，為了進(jìn)一步驗(yàn)證，考慮在頂蓋補(bǔ)氣管（DN50）上接入壓縮空氣進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)際論證對(duì)尾水錐管噪聲和尾水壓力脈動(dòng)振動(dòng)有較明顯的改善，因此決定采取加大進(jìn)氣口增加補(bǔ)氣量措施進(jìn)行處理。

4 機(jī)械原因引起的振動(dòng)

在水電站的建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理工作中，減小機(jī)械原因引起的振動(dòng)一般要注意以下3點(diǎn)：

（1）機(jī)組設(shè)計(jì)合理，應(yīng)采用較成熟的結(jié)構(gòu)型式；

（2）提高主機(jī)設(shè)備的制造和安裝精度；

（3）防止推力頭松動(dòng)。推力頭是推力軸承關(guān)鍵而重要的零件之一，要求它與軸頸配合后不允許有任何的松動(dòng)產(chǎn)生。推力頭松動(dòng)后將嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5 減小電氣原因產(chǎn)生的振動(dòng)

（1）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮避免超／次諧波引起的共振

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在大多情況下均高于其工作轉(zhuǎn)速，當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于2倍或3倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超諧波共振；對(duì)于特殊要求的水輪機(jī)組，若設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，則當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速接近于1／2倍或1／3倍工作轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)次諧波共振。

（2）定子鐵芯組合縫的松動(dòng)引發(fā)振動(dòng)。

機(jī)組經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于定子鐵芯各部件溫度變化差異引起內(nèi)應(yīng)力的變化不同，引起定子鐵芯組合縫松緊度產(chǎn)生不均勻變化，從而造成組合縫的墊片損壞和松動(dòng)。

（3）定子鐵芯松動(dòng)引起的振動(dòng)。

定子鐵芯松動(dòng)是指定子鐵芯迭片松動(dòng)，片與片之間產(chǎn)生間隙。運(yùn)行中常見的鐵芯松動(dòng)發(fā)生在鐵芯根部、齒壓板壓指、邊段鐵芯以及合縫鐵芯處。

6 典型事件

（1）2008年9月5日，1號(hào)機(jī)組甩100%ne負(fù)荷試驗(yàn)后檢查，發(fā)現(xiàn)下機(jī)架定位銷斷裂一顆，基礎(chǔ)螺栓普遍有位移現(xiàn)象，對(duì)基礎(chǔ)螺栓全部進(jìn)行了更換和加固處理，后來因機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)擺度較大機(jī)組只能限負(fù)荷在75 MW內(nèi)運(yùn)行。

（2）2009年10月22日～23日，3號(hào)機(jī)組145%ne過速試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)過大并伴有不正常的撞擊聲機(jī)組緊急停機(jī)。檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁軛螺母點(diǎn)焊焊縫開裂，下機(jī)架定位銷、基礎(chǔ)螺栓擋塊有位移，下機(jī)架整體順時(shí)針方向位移，調(diào)整后打緊螺栓和定位銷。

（3）2009年4月21日,6號(hào)機(jī)組在145%ne過速試驗(yàn)結(jié)束后,檢查發(fā)現(xiàn)上、下機(jī)架基礎(chǔ)螺栓振松，二期混凝土有開裂現(xiàn)象；上機(jī)架千斤頂松動(dòng),上機(jī)架振動(dòng)最大蜂值達(dá)4 000 μm,下機(jī)架振動(dòng)值達(dá)2 727 μm,下導(dǎo)擺度最大達(dá) 3 194 μm(注:電渦流傳感器最大量程為4 000 μm)；開蓋檢查上導(dǎo)瓦和下導(dǎo)瓦，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)有一顆提瓦螺桿彎曲，下導(dǎo)有3顆提瓦螺桿彎曲，原因是過速時(shí)軸承瓦上跳頂彎變形；轉(zhuǎn)子輪軛轂下沉約3 mm（原因?yàn)閺S內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂熱套裝配時(shí)未裝配到位）。

7 結(jié)論

瑞麗江一級(jí)電站是目前中國(guó)在緬甸投資建設(shè)的最大BOT項(xiàng)目，電站按一廠兩網(wǎng)接線設(shè)計(jì)，一條線路（230 kV）送緬甸，另一條線路（220 kV）送中方，機(jī)組從2008年9月7日第一臺(tái)投入商業(yè)運(yùn)行至今，6臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)處理問題一直在關(guān)注和處理中，由于電站特殊的國(guó)際背景更需注重主機(jī)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行管理水平，著實(shí)考慮解決威脅安全穩(wěn)定運(yùn)行的各種不利因素。