楊書

【摘要】通過針對混流式水輪發(fā)電機(jī)組常見的各種振動現(xiàn)象及其發(fā)生原因進(jìn)行分析，提出了水輪發(fā)電機(jī)組振動判斷的基本方法，找出振動原因，探討解決及消除振動方法。

【關(guān)鍵詞】混流式水輪發(fā)；電機(jī)組；振動分析；穩(wěn)定運(yùn)行

1、水輪發(fā)電機(jī)組振動概述

水輪發(fā)電機(jī)組的振動是以水輪機(jī)為原動力，水的能量是激發(fā)或維持機(jī)組振動的最根本能源，水流流經(jīng)水輪機(jī)蝸殼、座環(huán)、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管等過流部件時，由于這些過流部件在設(shè)計(jì)、制造、安裝過程中的誤差，形成不對稱的水流作用力矩及水流脫流，同時當(dāng)轉(zhuǎn)輪遠(yuǎn)離無撞擊進(jìn)口和最優(yōu)水流出口運(yùn)行時，內(nèi)部流動狀況變壞，產(chǎn)生脫流和渦帶，形成壓力脈動，引起水輪機(jī)本體甚至相鄰混凝土結(jié)構(gòu)振動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致構(gòu)件疲勞破壞。運(yùn)行工況變化時，葉片進(jìn)口水流的沖角、出口環(huán)量的大小和方向也隨之變化，誘發(fā)水輪機(jī)水力振動，它既可直接激發(fā)并維持機(jī)組的振動，也可間接激發(fā)或維持機(jī)組振動，從振動的發(fā)生情況看，有的是水輪機(jī)本身的水力特性所決定的，有的是由于水輪機(jī)設(shè)計(jì)流道問題產(chǎn)生的。發(fā)電機(jī)是將水輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在轉(zhuǎn)換過程中，由于某些方面如設(shè)計(jì)、制造、安裝或參數(shù)配合不當(dāng)也會引起發(fā)電機(jī)的振動。從結(jié)構(gòu)上講，水輪發(fā)電機(jī)組可以分成兩大部分：轉(zhuǎn)動部分和固定部分，它們中任何一個部件存在機(jī)械缺陷時都可能引起機(jī)組的振動，而這些缺陷可能是由設(shè)計(jì)、制造、安裝等任何一個環(huán)節(jié)所引起。因此通常來說水輪發(fā)電機(jī)組有五大振動部件上機(jī)架、定子、下機(jī)架、頂蓋、轉(zhuǎn)動部分。

2、水輪發(fā)電機(jī)組振動的類別

常規(guī)振動大概可分為以下四種情況：水輪機(jī)水力振動；高中低頻壓力脈動振動；尾水管壓力脈動振動；空腔氣蝕引起的振動；異常振動主要分為以下三種情況：共振，它可能出現(xiàn)在機(jī)組的轉(zhuǎn)動部分、葉片、水體、定子鐵心等處；自激振動，水輪機(jī)中自激振動主要由梳齒迷宮泄漏所引起；水體共振及其引起的機(jī)組強(qiáng)烈振動，流道中任何部分的水體部分都可能發(fā)生共振。

在水輪發(fā)電機(jī)組振動中，轉(zhuǎn)子不平衡也是一個非常突出的問題，不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障。不平衡包括機(jī)械、水力、電氣不平衡。無論什么不平衡，產(chǎn)生的根源缺陷一定在轉(zhuǎn)動部分上，不平衡的頻率一定是轉(zhuǎn)速頻率。

2.1 機(jī)械不平衡

立軸機(jī)組擺度包含主軸軸線曲折、軸的彈性變形、導(dǎo)軸承間隙。轉(zhuǎn)子不平衡主要產(chǎn)生于制造和安裝階段各種偏差以及材質(zhì)不均勻，運(yùn)行階段部件磨損松動和脫落等；其他情況以不平衡的面貌出現(xiàn)，屬于不平衡的范疇。引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因可以分為轉(zhuǎn)動質(zhì)量不平行原因、軸線原因，如軸線的曲折度弓狀回旋引起，軸線與推力鏡板不垂直，鏡板和推力軸承不水平，各種軸承不同心等所引起。

2.2 磁力不平衡

磁力不平衡主要指沿發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子四周磁拉力不對稱的情況。其產(chǎn)生原因是轉(zhuǎn)子不圓，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不一致；電氣方面的原因，如磁極匝間短路。經(jīng)驗(yàn)表明，磁不平衡常與機(jī)械不平衡共生，磁不平衡力只與空載勵磁電流以下的范圍成比例關(guān)系。

2.3 水力不平衡

水力不平衡由轉(zhuǎn)輪葉片和流道形狀以及活動導(dǎo)葉數(shù)量不匹配所引起，它與機(jī)組的過流量成一定比例關(guān)系。常規(guī)情況下也把由梳齒間隙周期變化引起的間隙壓力脈動歸入其內(nèi)。間隙的周期變化可由梳齒轉(zhuǎn)動部分不圓或軸的擺度所引起，由此可見，機(jī)組機(jī)械不平衡、電磁不平衡和水力不平衡之間可以相互影響，并且能夠共同存在。

3、機(jī)械原因引起的振動及分析

機(jī)械故障引起的振動，其頻率和轉(zhuǎn)頻相同或成整倍數(shù)關(guān)系。不同原因引起的振動還有自己的特征，機(jī)械故障的偶然性和多樣性，不像有些水力或電磁振動那樣有一定的規(guī)律。要識別它們，需要對機(jī)組各部分的結(jié)構(gòu)、性能、加工、安裝工藝等有一定的了解，同時，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和同類別的電站情況的積累有助于迅速地識別和排除故障，以下來分析混流式水輪發(fā)電機(jī)引起機(jī)械振動的原因。

3.1 軸線中心偏移

由于軸承中心線偏斜或偏移、主軸的彎曲、滑轉(zhuǎn)子與軸承的間隙以及承載后轉(zhuǎn)子與軸承的變形等原因都將引起軸線中心。其影響是產(chǎn)生不平衡離心力，增大轉(zhuǎn)子弓狀回旋半徑，引起梳齒中較強(qiáng)的壓力脈動，有時還會引起機(jī)組的自激振動；有的水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，軸線偏差情況還會產(chǎn)生兩倍頻的附加徑向力和擺度，還會有一個轉(zhuǎn)頻的附加軸向力作用在推力軸承上。

3.2 軸瓦間隙超差

其它條件不變時，軸瓦間隙的大小直接決定轉(zhuǎn)子弓狀回旋半徑，基本規(guī)律是間隙有多大，擺度幅值就有多大；軸瓦間隙增大，大多是在機(jī)組運(yùn)行一段時間后出現(xiàn)的，主要原因分為兩點(diǎn)，一是徑向不平衡力較大導(dǎo)致磨損增大，二是軸瓦鎖定支持部件的設(shè)計(jì)不夠合理導(dǎo)致軸瓦松動。

3.3 鏡板水平

鏡板不平主要是由于加工和安裝上的缺陷所造成的，在機(jī)組盤車過程中可以通過數(shù)據(jù)檢查，運(yùn)行過程中其特征為擺度波形上有明顯的兩倍頻。

3.4 推力頭松動

推力頭松動指推力頭內(nèi)孔和軸頸間存在間隙。當(dāng)推力頭松動時機(jī)組振動、擺度的特點(diǎn)為機(jī)組運(yùn)行時的動態(tài)軸線姿態(tài)會發(fā)生突然變化，機(jī)組的振動、擺度忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)；而且推力頭松動也會給機(jī)組單次盤車帶來不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

3.5導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不匹配

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)活動導(dǎo)葉葉片與轉(zhuǎn)輪葉片不匹配也是會引起相位振動，水流在蝸殼與轉(zhuǎn)輪室流道中相互干擾，水流每經(jīng)過一個導(dǎo)葉間流道沖擊轉(zhuǎn)輪葉片時，均產(chǎn)生周期性壓力脈動，這種壓力脈動會根據(jù)機(jī)組負(fù)荷的增加而增大，從而引起壓力鋼管、蝸殼、頂蓋及整個廠房的共振，直接影響水電站安全運(yùn)行。

4、電磁因素引起的振動及分析

按照振動頻率，水輪發(fā)電機(jī)的電磁振動可分為磁轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動兩類。理論上極頻磁振動的頻率是100赫茲及其整倍數(shù)，實(shí)際上主要為100赫茲。極頻磁振動只在共振時才比較明顯。因此實(shí)際工作中要特別注意共振的情況。

4.1 極頻振動產(chǎn)生的主要原因：

（1）定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢，它引起的振動頻率為100赫茲，振幅隨負(fù)載電流的增大而增大。

（2）定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流產(chǎn)生的磁勢，定子各相沿圓周分布有很多線圈，它們并聯(lián)在一起構(gòu)成支路，把支路再組合起來構(gòu)成繞組；并聯(lián)支路有兩種布置方式，一種是分布布置，另一種是集中布置；水輪發(fā)電機(jī)通常采用集中布置方式，當(dāng)支路集中時，轉(zhuǎn)子的偏心將在支內(nèi)引起環(huán)流，它能產(chǎn)生一系列的不對稱的次諧波勢，與分?jǐn)?shù)槽次諧波類似，它也能引起定子的極頻振動，振動頻率為100赫茲。

（3）負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢，當(dāng)定子三相負(fù)載不對稱時，繞組會產(chǎn)生負(fù)序電流，即相序相反的磁場，它與主磁場疊加產(chǎn)生一個空間次數(shù)P=0的磁場，引起定子鐵芯作駐波式的振動。

（4）機(jī)座合縫錯位、定子鐵心疊片松動等均會引起振動。

4.2 振動原因的判斷

不同原因引起的振動特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為其振型不同，測出定子鐵芯對應(yīng)某一振型的固有頻率來判斷共振，一般試驗(yàn)項(xiàng)目為以下四個部分：

（1）變負(fù)荷試驗(yàn)，在同步轉(zhuǎn)速下逐次改變發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，測量100赫茲振動隨定子電流變化情況，由此確定是否由定子電流次諧波引起。

（2）小負(fù)荷變速試驗(yàn)，通過變速試驗(yàn)確定鐵芯固有頻率，通過對共振時振型的測量確定產(chǎn)生共振的力波的次數(shù)和諧波的次數(shù)。

（3）空載，分別在并聯(lián)支路打開和閉合的情況下進(jìn)行衡勵變速試驗(yàn)，如果兩種情況下振動沒有差別，表明環(huán)流影響較大，在后一種情況下，還可以確定鐵芯的共振頻率和相應(yīng)的振型。

（4）負(fù)序電流變速試驗(yàn)，分別改變負(fù)序電流和轉(zhuǎn)速，測出定子鐵芯100赫茲振動隨負(fù)序電流的變化和定子鐵芯振型。

5、水力因素所引起的振動及分析

水力振動相對于水力工況而言是比較穩(wěn)定的，由水力所激發(fā)的壓力脈動的完全相似是十分困難的，而且完全的水力計(jì)算目前還無法進(jìn)行，只能進(jìn)行一些局部的計(jì)算，但是壓力脈動的影響是可以預(yù)防的，水輪發(fā)電機(jī)組的水力振動主要有以下幾個方面：

5.1 尾水管渦帶

渦帶有實(shí)心渦帶和空腔渦帶兩種形態(tài)，螺旋狀渦帶將引起壓力脈動，注意渦帶壓力脈動與工況的關(guān)系（水頭、流量、空化系數(shù)），尾水管渦帶壓力脈動的特點(diǎn)有頻率約為轉(zhuǎn)速頻率的四分之一，出現(xiàn)在以50%額定負(fù)荷為中心的30%～70%范圍；渦帶壓力脈動對機(jī)組運(yùn)行的影響主要在于振動、擺度、功率擺動及其它附加影響，一般采用尾水管補(bǔ)氣來減少尾水管的渦帶壓力脈動，補(bǔ)氣效果的關(guān)鍵在于自然補(bǔ)氣的補(bǔ)氣量及補(bǔ)氣方位。

5.2 類轉(zhuǎn)頻壓力脈動

所謂類轉(zhuǎn)頻，是指其頻率接近轉(zhuǎn)速而又不等于轉(zhuǎn)速，其頻率范圍為（1.01～1.3）fn；（0.7～0.99）fn。它對機(jī)組振動的影響主要是機(jī)組的垂直振動和全水力系統(tǒng)的強(qiáng)烈壓力脈動，一般出現(xiàn)在額定功率25%或75%左右（隨水頭大小而變化），振動范圍很??；值得注意的是，類轉(zhuǎn)速壓力脈動只有在水體共振的情況小才顯示其影響，所以其預(yù)防的關(guān)鍵在于進(jìn)行共振校核。

5.3 梳齒止漏裝置中的壓力脈動

當(dāng)梳齒中間隙發(fā)生周期性變化時，就會在其間隙中產(chǎn)生壓力脈動，梳齒壓力脈動一般為轉(zhuǎn)頻，并作為總水力不平衡的一部分；梳齒迷宮中壓力脈動達(dá)到一定程度并且和大軸的擺度方向成一定角度時，就可能引起轉(zhuǎn)動部分的自激振動，梳齒迷宮引起的自激振動的情況主要與梳齒迷宮的結(jié)構(gòu)和尺寸密切相關(guān)。

5.4 卡門渦

卡門渦是水流繞流物體在尾部兩側(cè)交替產(chǎn)生的周期性流動分離現(xiàn)象，水輪機(jī)中的卡門渦受工況和結(jié)構(gòu)的影響特別強(qiáng)烈，它主要影響在于引起水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片和局部水體的共振，在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪葉片共振判斷分析時，主要觀察其是否有強(qiáng)的頻率比較單一的噪音或金屬共鳴聲。

5.5 其他類型的水力振動

在水輪發(fā)電機(jī)組中，還存在一些如轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊附近的脫流引起的振動和噪音及導(dǎo)葉葉道流速分布不均勻產(chǎn)生的壓力脈動等類型。

5.6 振動原因判斷基本方法

利用已有的知識對試驗(yàn)和觀察結(jié)果進(jìn)行分析、歸納、比較，然后做出判斷；分析和判斷水力、機(jī)械和電磁三者的影響；和已知的振動實(shí)例進(jìn)行比較分析，查找相關(guān)的學(xué)術(shù)文章；分析振動部件的振型及部位，對比各測量值之間的關(guān)系；分析振動性質(zhì)，有無共振及異常情況，論證進(jìn)行下一步試驗(yàn)工況。

6、結(jié)束語

造成機(jī)組振動的因素很多，水輪發(fā)電機(jī)組如出現(xiàn)以上任何因素的振動對水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行危害都特別大，現(xiàn)實(shí)中看到的振動是由許多獨(dú)立振動體系耦合成的系統(tǒng)，有相互削弱的，也有疊加加強(qiáng)的，還有改變方位的，通過研究消除降低振動的方法，應(yīng)該從系統(tǒng)中找出獨(dú)立振動源，根據(jù)其特性逐個加以解決，消除水輪發(fā)電機(jī)組本身運(yùn)行中存在的超標(biāo)振動，才以保證水電站的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行生產(chǎn)。