水電設(shè)備振動(dòng)噪聲的原因及其對(duì)策

■ 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 孔凡瑞

在水電設(shè)備國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的招投標(biāo)中，評(píng)價(jià)水電設(shè)備的三大重要指標(biāo)，是效率、空化和穩(wěn)定性。效率關(guān)系到水能利用程度，空化關(guān)系到轉(zhuǎn)輪使用壽命，穩(wěn)定性則關(guān)系到整個(gè)機(jī)組乃至電站能否正常運(yùn)行。然而，考核機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的重要指標(biāo)是振動(dòng)及其引起的噪聲。大電機(jī)運(yùn)行信息來(lái)自電壓、功率等直接信息，還來(lái)自噪聲、溫升等間接信息。它們一起表征大電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。噪聲可分為電磁、機(jī)械、空氣、動(dòng)力、軸承、電刷等多種類型。因?yàn)樵肼曉春芏?，引起的原因也各不相同。電磁、機(jī)械、空氣、動(dòng)力等噪聲都分布在不同的領(lǐng)域，而且互相重疊、混雜。所以，大電機(jī)噪聲都具有較寬的頻域范圍，和復(fù)雜的 頻譜。如果以噪聲頻譜作為橫坐標(biāo)、以聲壓級(jí)作為縱坐標(biāo)，便可繪制噪聲曲線。在噪聲測(cè)量中，其頻譜經(jīng)常采用倍頻程或1/3倍頻程來(lái)表示。通過(guò)噪聲頻譜的測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的大電機(jī)安全穩(wěn)定性問(wèn)題。采用噪聲頻譜分析儀進(jìn)行的測(cè)量表明：并非負(fù)載越大，噪聲越大。對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)，其運(yùn)行中的穩(wěn)定性受到水頭、流量、負(fù)載、電樞電流等多種因素的影響。噪聲大小也受它們的影響。所以，噪聲隨負(fù)載增大而增大的趨勢(shì)，不是規(guī)則的?？辙D(zhuǎn)時(shí)，只有空氣和機(jī)械噪聲，沒有勵(lì)磁系統(tǒng)和電樞電流 引起的電磁噪聲。本文主要論述水電設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生的振動(dòng)、噪聲的原因及其對(duì)策。

1 水輪機(jī)水力原因

1.1 在低負(fù)荷或過(guò)負(fù)荷工況下聲響振動(dòng)增強(qiáng)時(shí)的原因

a 旋流引起——由旋轉(zhuǎn)水流引起尾水管振動(dòng)，振頻與轉(zhuǎn)頻相等。正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪出流為軸向。負(fù)荷增大或水頭增高時(shí)，出流旋轉(zhuǎn)且與轉(zhuǎn)向相反；反之，負(fù)荷和水頭變小時(shí)，出流轉(zhuǎn)向則與轉(zhuǎn)流一致，使水流在尾水管內(nèi)擺動(dòng)、振動(dòng)。加裝補(bǔ)氣管或?qū)Я饕砥山鉀Q。

空化引起——葉片表面壓力低于水溫下的飽和蒸汽壓時(shí)，水就蒸發(fā)，并在水流中產(chǎn)生細(xì)小細(xì)泡，空化就是氣泡破裂時(shí)的現(xiàn)象?？栈鸬恼駝?dòng)和噪聲，可加裝補(bǔ)氣管或修改轉(zhuǎn)輪葉片形狀解決。空化振頻屬于高頻，約為300Hz至500Hz。

1.2 在某一定負(fù)荷工況下聲響振動(dòng)增強(qiáng)時(shí)的原因

a 卡門渦引起——在水流中的轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉或固定導(dǎo)葉的尾部就形成渦列，同時(shí)伴有與水流方向垂直的交變力，其頻率為（0.15-0.20）V/t，V是流速（m/s),t是葉片厚度。當(dāng)頻率（旋渦的發(fā)生頻率）與葉片、導(dǎo)葉或固定導(dǎo)葉的固有頻率一致時(shí)，就產(chǎn)生噪聲和疲勞破壞。解決辦法是轉(zhuǎn)輪葉片修型或葉片間加裝支柱以改變其固有頻率。

b 紊流引起——水流中有物體，就不再是層流而是紊流。紊流中有物體就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。在固定導(dǎo)葉后面紊流中放置的導(dǎo)葉便出現(xiàn)振動(dòng)，其頻率是不確定的。解決辦法是改變固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的相對(duì)位置，或修改固定導(dǎo)葉尾部形狀。

c 轉(zhuǎn)輪特性引起——對(duì)于高比速混流式水泵水輪機(jī)和斜流式水泵水輪機(jī)，壓力波動(dòng)引起的振動(dòng)是其特有的現(xiàn)象。它與轉(zhuǎn)輪的水力特性、管路特性以及運(yùn)行方法有關(guān)。解決辦法是使運(yùn)行工況離開不穩(wěn)定區(qū)域，在管路方面也要減少機(jī)組之間的相互影響。

1.3 負(fù)荷增加工況下聲響振動(dòng)增強(qiáng)時(shí)的原因

a 轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉數(shù)不匹配引起——振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)數(shù)頻率與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)之積。改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)或增加轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉之間間距可以消振。在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處由壓力波動(dòng)形成的這種振動(dòng)隨負(fù)荷增加而增大。

b 轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉之間間距太小引起——振頻為轉(zhuǎn)頻與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)之積。適當(dāng)增大這個(gè)間距可以消振。這種振動(dòng)也是由壓力波動(dòng)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處形成的，也隨負(fù)荷增加而增大。

c 轉(zhuǎn)輪密封形狀不佳引起——這與密封結(jié)構(gòu)、形狀、間隙有關(guān)，在某種外部力干擾下，引起密封間隙不再均勻，壓力也不再均勻，形成不平衡力矩，位移越來(lái)越大，振動(dòng)也在增大。改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)可以解決。

d 轉(zhuǎn)輪出口面積不同引起——調(diào)整導(dǎo)葉開度來(lái)解決。

1.4 其它原因

a 落葉引起——水中混入大量落葉，阻斷部分水流，出現(xiàn)干摩擦，引起主軸振動(dòng)、噪聲。過(guò)了落葉期，振動(dòng)自然消除。

b 水體分離引起——甩負(fù)荷時(shí)，緊急關(guān)閉導(dǎo)葉，尾水管內(nèi)會(huì)形成很大壓力降，當(dāng)靜壓達(dá)到飽和蒸汽壓以下，水就變成氣泡分離出去，這就是水體分離現(xiàn)象。但分離水再結(jié)合，便形成很大壓力，伴隨音響、振動(dòng)，并傳播到尾水管、壓力鋼管。裝設(shè)調(diào)壓井或延長(zhǎng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間可解決。

2 發(fā)電機(jī)電磁原因

2.1 負(fù)荷增加工況下聲響振動(dòng)增強(qiáng)時(shí)的原因

a 磁極疊片引起——部分磁極疊片發(fā)生異變，應(yīng)重新調(diào)整加固。

b 相位不平衡引起——三相負(fù)載不平衡時(shí)便產(chǎn)生反相電流并引起與電源頻率成倍數(shù)的激振力，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生扭矩和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、噪聲。輸電系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，這種振動(dòng)很少發(fā)生。隨著整流器負(fù)載的增加，也會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生與電源頻率成倍數(shù)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)整流器負(fù)載為發(fā)電機(jī)的30%-40%或輸電系統(tǒng)較大時(shí)，這種振動(dòng)不成問(wèn)題。

c 氣隙異常引起——定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙如果不均勻，就會(huì)導(dǎo)致磁拉力不平衡，從而引發(fā)擺振、噪聲。其振頻與轉(zhuǎn)頻相等。不論什么原因引起的氣隙不均必須及早調(diào)整解決。

2.2 在勵(lì)磁工況下出現(xiàn)振動(dòng)噪聲時(shí)的原因

a 定子鐵心固有振動(dòng)引起——?jiǎng)?lì)磁線圈產(chǎn)生的勵(lì)磁力頻率是電源頻率的2倍，當(dāng)勵(lì)磁頻率接近定子鐵心固有頻率時(shí)便引起電磁振動(dòng)、噪聲，該振動(dòng)頻率等于極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)頻之積。應(yīng)避免這兩種頻率的接近，可改變定子鐵心圓環(huán)整體的固有頻率。

b 磁拉力引起——轉(zhuǎn)子磁極形狀和安裝尺寸不準(zhǔn)確，磁極引力不同，形成磁拉力偏差，引起振動(dòng)、噪聲。其振頻等于轉(zhuǎn)頻。調(diào)整磁極表面處氣隙，或安裝重物進(jìn)行平衡可以解決。也可能因磁極線圈相間短路，引起電磁不平衡、振動(dòng)，可對(duì)勵(lì)磁線圈絕緣特性進(jìn)行檢測(cè)，如屬實(shí)應(yīng)進(jìn)行維修。

c 定子鐵心周向松動(dòng)引起——運(yùn)行中鐵心熱漲，而機(jī)座溫度較低，對(duì)鐵心有約束。鐵心產(chǎn)生周向內(nèi)應(yīng)力。停機(jī)時(shí)鐵心冷縮，熱漲冷縮導(dǎo)致分瓣鐵心合縫面間隙加大，鐵心圓環(huán)整體剛性降低，改變了固有頻率，在勵(lì)磁力作用下，產(chǎn)生電磁振動(dòng)、噪聲。提高鐵心圓環(huán)剛度可以解決。在消除合縫面間隙時(shí)，可插入彈性墊（合成樹脂）。

d 定子鐵心軸向松動(dòng)引起——運(yùn)行年久，鐵心疊裝厚度減薄，引起松動(dòng)，在磁極勵(lì)磁力作用下，發(fā)生軸向松動(dòng)、振動(dòng)，特別是鐵心齒部，由于腐蝕而變色、損壞。防止措施是壓緊鐵心，并在其齒部、背部浸泡樹脂，使其固化，提高整體剛性。

2.3 聲響劇烈伴有振動(dòng)的原因

這是負(fù)荷擺動(dòng)引起的，應(yīng)通過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)，使其均衡化解決。

3 機(jī)組結(jié)構(gòu)機(jī)械原因

3.1 空載低速時(shí)振動(dòng)的原因

a 主軸彎曲變形引起——主軸同固定部分局部接觸會(huì)引起振動(dòng)，此時(shí)主軸彎曲。推力頭與軸配合不當(dāng)也會(huì)因軸系不穩(wěn)定而導(dǎo)致軸振動(dòng)。提高安裝精度，使推力頭與軸配合好，可解決。

b 推力軸承調(diào)整不良引起——必須在安裝調(diào)整時(shí)確保推力軸承滑動(dòng)面的水平度和鏡板與主軸的垂直度，否則就會(huì)引起軸系振動(dòng)。

c 軸承間隙過(guò)大引起——導(dǎo)軸承間隙應(yīng)調(diào)準(zhǔn)，使其均勻，間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致軸系振動(dòng)加大。

d 法蘭把合不引起——為了確保聯(lián)軸質(zhì)量，就必須使主軸擺度調(diào)整達(dá)到足夠精度。連接法蘭部分的軸線偏析度應(yīng)調(diào)整到要求的擺度。

e 找中心不良引起——定中心時(shí)應(yīng)使上導(dǎo)軸承，定子，下導(dǎo)軸承，水輪機(jī)軸承的中心在一條鉛垂線上。定中心不良時(shí)，各軸承處就會(huì)強(qiáng)迫主軸轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，從而引起主軸振動(dòng)，軸承溫升。

3.2 振動(dòng)劇烈伴有聲響的原因

這是轉(zhuǎn)輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部分接觸引起的，應(yīng)消除接觸部位。

3.3 轉(zhuǎn)速上升振動(dòng)增強(qiáng)的原因

a 轉(zhuǎn)動(dòng)部分不平衡引起——磁極分布不均，磁軛機(jī)械精度不高，磁軛沖片，磁極沖片厚度不均等會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)部分不平衡，從而引起振動(dòng)。應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)做好動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)解決。也可能因整體剛性不足和水力因素疊加而引起振動(dòng)，應(yīng)確診哪種原因。

b 機(jī)組體系振動(dòng)引起——這是水電站的特殊，罕見情況即包括轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分在內(nèi)的成套機(jī)組體系的固有頻率與轉(zhuǎn)頻一致或接近時(shí)就引起振動(dòng)。應(yīng)避免這種接近。

c 軸承支承剛性不足引起——軸承支承系統(tǒng)包括上機(jī)架、下機(jī)架、水輪機(jī)軸承座等，其中任何一件剛性不足都會(huì)引起振動(dòng)。應(yīng)保證它們具有足夠的剛性。

d 軸系剛性不足引起——當(dāng)主軸過(guò)長(zhǎng)，過(guò)細(xì)或軸承分布的軸向距離過(guò)大時(shí)，軸承剛性不足。臨界轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)它接近工作轉(zhuǎn)速時(shí)，極小的不平衡量或外力都會(huì)使振動(dòng)加大。加裝中間軸承可解決。

在上述項(xiàng)2.3中，由機(jī)組結(jié)構(gòu)機(jī)械原因引起的振動(dòng)頻率都與轉(zhuǎn)數(shù)頻率相等。

4 其他原因

（1）調(diào)節(jié)失靈引起的：這是調(diào)速器與水位調(diào)節(jié)器失靈引起的振動(dòng)、噪聲。

（2）機(jī)組中心不良引起的：當(dāng)水輪機(jī)基礎(chǔ)下沉?xí)r并導(dǎo)致機(jī)組中心不良而引起振動(dòng)、噪聲。

（3）共振引起振動(dòng)劇烈：這是廠房、設(shè)備強(qiáng)度不足及共振引起的。

5 結(jié)語(yǔ)

水電設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲的現(xiàn)象比較普遍，國(guó)內(nèi)外都常發(fā)生，有時(shí)還很嚴(yán)重，危及設(shè)備和廠房的安全運(yùn)行。根據(jù)調(diào)查研究，分析了發(fā)生原因及其對(duì)策，必將有助于此類問(wèn)題的解決。