水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的影響因素與處理方案研究

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊寧 835000）

近年來，我國的水力發(fā)電事業(yè)獲得了長足進(jìn)步，各類大中小型的水輪發(fā)電機(jī)組相繼建成并投入使用。在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的過程中，常常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問題，這對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行造成了一定程度的影響。新疆山口水電站的水輪發(fā)電機(jī)組為立軸滾流式機(jī)組，其額定轉(zhuǎn)速為111.1 r/min.水輪機(jī)的型號(hào)為HLA551C-LJ-450，額定出力為47 MW.發(fā)電機(jī)的型號(hào)為SF47-54/10400，其額定容量為47 MW.該機(jī)組于2010年8月正式并網(wǎng)發(fā)電，截止到目前并未進(jìn)行過A、B級(jí)檢修（A級(jí)為全面的解體檢查與修理；B級(jí)為針對(duì)機(jī)組某些設(shè)備存在的問題對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行解體檢查與修理）。在機(jī)組的運(yùn)行過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。本文重點(diǎn)分析振動(dòng)的影響因素，并提出有效的處理方案。

1 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要影響因素分析

1.1 電磁因素引起的振動(dòng)

當(dāng)某個(gè)磁極出現(xiàn)短路之后，會(huì)導(dǎo)致磁動(dòng)勢(shì)減小，而與之相對(duì)稱的磁極的磁動(dòng)勢(shì)卻不會(huì)發(fā)生改變，由此便會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)的不平衡磁拉力，這樣便會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。同時(shí)，定子鐵芯的組合縫若是出現(xiàn)松動(dòng)，或是鐵芯本身出現(xiàn)松動(dòng)也會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。此外，如果定子繞組的固定不良，當(dāng)電氣負(fù)荷較高時(shí)，便會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。

1.2 機(jī)械因素引起的振動(dòng)

與一般臥軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，中大型水輪發(fā)電機(jī)組均為立軸，新疆山口水電站水電站的機(jī)組為立軸滾流式。通常情況下，各部導(dǎo)軸承一般不承受靜載荷，軸頸也無靜偏心。機(jī)械因素引起的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）若發(fā)電機(jī)組在空載低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的狀態(tài)下出現(xiàn)明顯振動(dòng)，那么引起振動(dòng)的原因可能包括機(jī)組緊固零部件松動(dòng)、軸線曲折、中心不準(zhǔn)、推力軸承調(diào)整不良等因素[1]。

（2）若發(fā)電機(jī)組振幅與機(jī)組轉(zhuǎn)速的二次方成正比，并且水平振動(dòng)較大，那么引起機(jī)組振動(dòng)的原因可能為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡。

（3）若發(fā)電機(jī)組振動(dòng)較為強(qiáng)烈，并伴有撞擊聲，那么引起振動(dòng)的原因可能是機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件相碰撞。

（4）若發(fā)電機(jī)組振幅隨機(jī)組負(fù)荷變化較為明確，那么引起振動(dòng)的原因可能是主軸過細(xì)或軸的剛度不夠。

1.3 水力因素引起的振動(dòng)

1.3.1 汽蝕引起的振動(dòng)

汽蝕屬于水力因素的范疇，一般可分為三種類型，即間隙汽蝕、空腔汽蝕、翼形汽蝕[2]。間隙汽蝕會(huì)破壞轉(zhuǎn)輪室、葉片法蘭、葉片周緣以及轉(zhuǎn)輪體局部等部位，如圖1（a）所示；空腔汽蝕常見于水輪機(jī)座環(huán)內(nèi)側(cè)和尾水管上半段；翼形汽蝕常發(fā)生在葉片背面與輪翼靠近處，如圖1（b）所示。受汽蝕影響，不僅會(huì)嚴(yán)重侵蝕和破壞水輪機(jī)工作表面，而且還會(huì)引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。尤其在機(jī)組部分負(fù)荷時(shí)，機(jī)組振動(dòng)最為明顯，并會(huì)發(fā)生振動(dòng)噪聲，其振動(dòng)頻率在300~500 Hz，屬于高頻振動(dòng)。

圖1水輪機(jī)葉片汽蝕

1.3.2尾水管渦帶引起的振動(dòng)

尾水管渦帶是水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)中最為常見的一種振動(dòng)源，其除了會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)之外，還會(huì)引起壓力脈動(dòng)。通常情況下，渦帶擺動(dòng)時(shí)，不但會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)振動(dòng)，還可能造成引水系統(tǒng)和廠房共振，由此容易誘發(fā)電網(wǎng)功率擺動(dòng)。

2 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的處理方案

2.1 合理運(yùn)用振動(dòng)測(cè)試方法

水電站內(nèi)的水輪發(fā)電機(jī)組存在振動(dòng)現(xiàn)象是不可避免的，想要了解振動(dòng)是否在允許范圍之內(nèi)，就必須采用合理的測(cè)試方法。目前，較為常用的振動(dòng)測(cè)試方法有以下幾種。

（1）儀表法。這是比較簡單且實(shí)用性較強(qiáng)的一種振動(dòng)測(cè)試方法，主要的儀器有：測(cè)振儀（帶筆式記錄裝置）、百分和千分表等等[3]。其中，測(cè)振儀能夠測(cè)量出機(jī)械振動(dòng)的時(shí)間歷程，通過比較分析，可獲得機(jī)組振動(dòng)的頻率、波形、周期以及相位等指標(biāo)；百分和千分表可以準(zhǔn)確測(cè)得機(jī)組振動(dòng)的振幅。

（2）振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是由以下幾個(gè)部分組成：傳感器、信號(hào)變換、處理、放大和測(cè)量裝置、分析儀器以及顯示記錄設(shè)備等等。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)主要是借助專業(yè)的傳感器和信號(hào)變換裝置將采集到的振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量，再利用放大器進(jìn)行放大，通過示波器進(jìn)行記錄，最后由分析儀器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]。系統(tǒng)的特點(diǎn)是靈敏度較高、頻率范圍較廣，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和自動(dòng)控制。需要注意的是，使用該系統(tǒng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須采取相應(yīng)的屏蔽措施，以免外界電磁場干擾影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2 發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的處理方案

2.2.1 電磁因素引起振動(dòng)的處理

（1）可按照轉(zhuǎn)子磁極鍵的實(shí)際情況，并在反復(fù)測(cè)定轉(zhuǎn)子圓度合格后，將長出的磁極鍵割掉，并在上部位置處加裝一個(gè)擋板。同時(shí)對(duì)磁極鍵固定，防止其出現(xiàn)偏斜或是山竄等情況。當(dāng)磁極修復(fù)處理完畢后，應(yīng)當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保檢測(cè)結(jié)果與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)相符。

（2）可對(duì)定子鐵芯進(jìn)行定期檢查，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)要及時(shí)進(jìn)行處理，并加強(qiáng)保護(hù)監(jiān)控。

2.2.2 機(jī)械因素引起振動(dòng)的處理

提高精密度和同心度是減小機(jī)械因素引起振動(dòng)的主要途徑，其具體方法為改變軸瓦間隙、調(diào)整軸線以及平衡相對(duì)改動(dòng)。本機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了較大幅度的振動(dòng)，最大振動(dòng)幅度值高達(dá)0.15 mm，通過對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查，排除了機(jī)組定子、轉(zhuǎn)子磁極、機(jī)架緊固螺絲等因素。經(jīng)過振動(dòng)測(cè)試顯示，在變速試驗(yàn)中振動(dòng)變化明顯，因此判斷為機(jī)械因素引起的振動(dòng)。通過空載試驗(yàn)及帶負(fù)荷試驗(yàn)中的勵(lì)磁電流恒定測(cè)試可以看出，有功負(fù)荷和勵(lì)磁電流均會(huì)影響振動(dòng)。在實(shí)測(cè)機(jī)組導(dǎo)軸承間隙的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)間隙最大值達(dá)到0.45 mm，超過出標(biāo)準(zhǔn)值0.25mm，所以對(duì)導(dǎo)軸承間隙進(jìn)行重新調(diào)整，使其在標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mm范圍內(nèi)。在此之后，啟動(dòng)機(jī)組，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，振幅小于0.04 mm，消除了機(jī)械因素引起的振動(dòng)問題。

2.2.3 水力因素引起振動(dòng)的處理

（1）對(duì)于尾水管渦帶引起的振動(dòng)，可通過如下措施加以解決處理：在低負(fù)荷區(qū)內(nèi)補(bǔ)充足夠的氣量，以此來降低尾水管的壓力脈動(dòng)振幅。同時(shí)也可以加裝延伸泄水錐借此來降低渦帶的壓力脈動(dòng)。在超負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，則可通過加裝帶有導(dǎo)流作用的減振裝置或采用角向切割葉片出水邊的方法，來達(dá)到降低渦帶壓力脈動(dòng)、提高出力的目的[5]。

（2）對(duì)于汽蝕原因引起的機(jī)組振動(dòng)，可以通過在尾部流通管入口處加裝導(dǎo)流瓦和導(dǎo)流翼板或是對(duì)轉(zhuǎn)輪葉型進(jìn)行修正等方法加以解決出力。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)盡可能避免機(jī)組在低壓負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，這樣也能有效消除汽蝕引起的機(jī)組振動(dòng)。

2.3 機(jī)組振動(dòng)維護(hù)要點(diǎn)

每月應(yīng)測(cè)量一次發(fā)電機(jī)定子和勵(lì)磁回路絕緣電阻，測(cè)量發(fā)電機(jī)定子回路絕緣電阻采用2500 V兆歐表，與歷年測(cè)量值相比不應(yīng)有顯著降低，吸收比不應(yīng)低于1.6，否則應(yīng)查明原因并將其消除。測(cè)量發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路絕緣電阻采用500 V～1000 V兆歐表，絕緣電阻值不應(yīng)小于0.5MΩ，若低于上數(shù)值，應(yīng)采取措施加以恢復(fù)。若一時(shí)不能恢復(fù)，機(jī)組是否允許運(yùn)行由電廠總工程師決定；發(fā)生發(fā)電機(jī)外部短路后，應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)主要部件以及發(fā)電機(jī)定子端部進(jìn)行外觀檢查；發(fā)電機(jī)的運(yùn)行管理人員與發(fā)電機(jī)專責(zé)應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行定期和不定期檢查和考核，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況良好。

3 結(jié)束語

本文以新疆山口水電站的水輪發(fā)電機(jī)組為實(shí)例，對(duì)機(jī)組振動(dòng)的主要影響因素進(jìn)行了分析，隨后提出了有效的解決處理方案。由于水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問題是不可避免的，所以，對(duì)于該問題的處理應(yīng)當(dāng)盡可能以預(yù)防為主、治理為輔，通過采取一些科學(xué)的方法和措施，最大限度地消除振動(dòng)源，以此來確保機(jī)組安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

[1]姚 澤，黃青松.動(dòng)平衡方法處理水電機(jī)組振動(dòng)故障實(shí)例[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2012，17(12):61-63.

[2]桂中華，潘羅平，等.HM9000水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)綜合分析系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2011，4(10):32-35.

[3]陳予恕，張大寬，等.非線性動(dòng)力學(xué)理論與大型水電機(jī)組振動(dòng)故障診斷綜合治理技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，2010，6(9):66-68.

[4]沈 德，茍廷青.大型水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析與處理[J].西北水電，2012，3(4):69-71.

[5]賈 嶸，白亮，羅興綺.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷專家系統(tǒng)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，8(6):120-122.