水電發(fā)電機組軸系徑向振動特性研究

【摘要】水電站運行中，水輪發(fā)電機是其主力核心，屬必不可少的核心裝備。水輪發(fā)電機工作運行的穩(wěn)定性決定著水電站的發(fā)電效率，因此有必要對水輪發(fā)電機的運行特點作詳細論述。本文從水電站水輪發(fā)電機的運行特性入手，對發(fā)電機軸系徑向振動進行研究，同時在此基礎(chǔ)上探討了提高水輪發(fā)電機組性能，改善水電站運行情況的方法，以供同行參考。

【關(guān)鍵詞】水電發(fā)電機；軸系；徑向振動；特性；影響因素

水電發(fā)電機組運行中，能夠影響其性能及振動的因素主要有三個，一是機械影，二是水力影響，三是電磁影響。伴隨著水電發(fā)電機組構(gòu)造的日趨復(fù)雜，體積日趨大型，機組的運行和振動現(xiàn)象越來越難以捉摸，稍不留神就會出現(xiàn)機組振動異常，發(fā)電機運行困難問題，因此必須對水電發(fā)電機振動和運行情況作詳細探討，找出影響機組振動的原因，采取有針對性的措施解決實際性難題。下面對水電發(fā)電機組是軸系振動特性作簡要論述。

一、水電發(fā)電機組軸系徑向振動及其特性分析

水輪發(fā)電機組軸振動分為兩種情況，一種是系統(tǒng)自振，一種是徑向振動。本文重點論述后者的徑向振動特性。

1、水電發(fā)電機組軸系徑向振動的涵義

首先，水電站所配置的水輪發(fā)電機屬于旋轉(zhuǎn)機械，從早期誕生到現(xiàn)在，該機械的性能已經(jīng)隨著科技進步得到了跨越性的提升。為了滿足更大范圍、更多容量的供電需求，水電發(fā)電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子的安全性能都被相應(yīng)提高，以便能支撐起更加龐大的機械運作工程。從時代發(fā)展上來說，水電發(fā)電機性能的提高是好事，但從技術(shù)角度來看，由于我國現(xiàn)階段的技術(shù)還尚未成熟，所以水電發(fā)電機性能和單機容量提升以后，面臨的難題比以前更多、更大，尤其是在機組振動上。機組軸系徑向振動屬機組振動情況中的一種，它的存在會直接影響到機組的運行環(huán)境和運行效率，情況嚴重時還有可能引發(fā)安全事故，所以必須采取措施對其制止。

2、引起水電發(fā)電機振動的原因

從水電發(fā)電機的工作性質(zhì)上推斷，工作環(huán)境中致使發(fā)電機組產(chǎn)生振動的情況只有三種，即機械、水力、電氣。對這三種情況作深入探析，可得出以下結(jié)論：1）機械振動是大多數(shù)機械設(shè)備運行時都會產(chǎn)生的，產(chǎn)生原因是因為機械出現(xiàn)故障，或者機械質(zhì)量不佳而導(dǎo)致機械不平衡，進而產(chǎn)生徑向振動；2）水力原因引起的振動比較復(fù)雜，可以細分為多個方面，如發(fā)電機組尾水管產(chǎn)生低頻壓力脈動、尾水管產(chǎn)生水力不平衡力，以及特殊情況下設(shè)備發(fā)生汽化汽蝕、間隙射流等，任意一種原因都有可能引發(fā)水力發(fā)電機組振動，給機組運行造成危害；3）電氣方面主要受到電磁作用的影響，機組在運行過程中因受到電磁力作用，被不平衡力拉力影響，以致機組產(chǎn)生振動。

二、不同因素對水電發(fā)電機軸系徑向振動的影響

1、不平衡磁拉力對徑向振動的影響

水電發(fā)電機運行中，由于設(shè)備內(nèi)部存在磁力線，且磁力線能夠任意縮短伸長自己的長度，所以當機組內(nèi)部轉(zhuǎn)子氣隙通過磁力線時，轉(zhuǎn)子和定子之間會及時產(chǎn)生一個拉力，通常我們把這個拉力叫做磁拉力。正常情況下，磁拉力發(fā)電機組的運行不會有影響，如果機組正常運行，機組內(nèi)部磁場便處于分布均勻狀態(tài)，機組內(nèi)定轉(zhuǎn)子所受的磁拉力為零，對機組運行五影響；但如果機組發(fā)生運行故障，或在運行中因某些因素影響而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子氣隙與磁場合分布不均勻，轉(zhuǎn)子勵磁組便很有可能發(fā)生故障，進而導(dǎo)致磁場中部分磁路失磁，形成不平衡的磁拉力，對機組運行產(chǎn)生影響。不平衡磁拉力不僅會導(dǎo)致發(fā)電機組產(chǎn)生振動，發(fā)出噪音，還有可能會損壞軸承，破壞發(fā)電機組的質(zhì)量和性能。

2、質(zhì)量不平衡的對機組徑向振動的影響

質(zhì)量不平衡屬機械故障，由機械原因引起。對于水電發(fā)電機組來說，如果機組設(shè)備制造力度不足、精度不夠；機械轉(zhuǎn)輪在長期運行中出現(xiàn)嚴重磨損；轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對稱等等，就極有可能導(dǎo)致機組在運行中出現(xiàn)噪音，發(fā)生振動，嚴重時甚至?xí)p壞機械設(shè)備，縮短水電發(fā)電機組的使用壽命。

3、水力不平衡的產(chǎn)生及其影晌

水力因素是引起機組振動的三大振源之一，作為工作介質(zhì)的水，由于其流動的特殊性，使得機組的振動情況非常復(fù)雜難以具體判斷和分析。水力因素又分為：尾水管低頻水壓脈動、水力不平衡、卡門渦列、間隙射流等。尾水管渦帶是引起機組振動的重要原因，是尾水管中出現(xiàn)的一種不穩(wěn)定的流動現(xiàn)象，在本文中并不對其作過多分析。

4、機械、電磁耦合的產(chǎn)生及其影響

機組的振動有時并不是單一因素引起的，有時是由某兩種或幾種因素相互影響產(chǎn)生的。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷、制造精度不夠或者安裝不當?shù)仍颍鶗斐砂l(fā)電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不均勻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡；與此同時可能會引起機組軸系的不平衡相應(yīng)的產(chǎn)生，這種情況通常會使發(fā)水輪電機定、轉(zhuǎn)子間的磁場的對稱性收到破壞，進而產(chǎn)生不平衡磁拉力或加劇，此情況下水輪發(fā)電機組軸系徑向的振動幅值也隨之增大。

5、水力、機械耦合的產(chǎn)生及其影響

機組正常運行時，機組轉(zhuǎn)輪葉片、固定導(dǎo)葉等部件可能在各種外力影響下會產(chǎn)生振動，如不平衡水力或者其他振源產(chǎn)生的激力；當這種情況發(fā)生頻率比較高或者持續(xù)時間比較長時，可能會造成機組各部件因疲勞而產(chǎn)生破壞或撕裂。各外力都會產(chǎn)生固定的頻率，當此頻率接近水輪發(fā)電機組本身的固有頻率時會產(chǎn)生非常強烈的振動，及共振。當共振發(fā)生時，機組結(jié)構(gòu)和材料常因疲勞而產(chǎn)生破壞，特別是轉(zhuǎn)輪葉片，常常會因為振動及空蝕破壞等原因產(chǎn)生破損甚至缺角、斷裂。

6、水力、電磁耦合的產(chǎn)生及其影響

混流式水輪機由于過流部件制造偏差或者長期運行產(chǎn)生的磨損等原因，而引起的作用在轉(zhuǎn)輪上的水力不平衡力，使水輪機導(dǎo)軸承處的轉(zhuǎn)軸擺度不穩(wěn)定，甚至使水輪機軸系及發(fā)電機軸擺度也不穩(wěn)定；與此同時可能會引起機組軸系的不平衡相應(yīng)的產(chǎn)生，這種情況通常會使發(fā)水輪電機定、轉(zhuǎn)子間的磁場的對稱性收到破壞，進而產(chǎn)生不平衡磁拉力或加劇。

三、結(jié)束語

水電發(fā)電機是水電站的核心設(shè)備，在水電站發(fā)電運行中占據(jù)著重要位置。本文著重對水電發(fā)電機運行的受限因素作了探析，論述了引起水電發(fā)電機軸系徑向振動的因素，指出水利、機械、電氣等三類因素都有可能造成機組產(chǎn)生徑向振動，必須在實際工作中加以及時的處理和管制，以免損壞發(fā)電機機組性能，縮短其使用壽命。