淺析水輪發(fā)電機組振動

劉學(xué)林++++趙正輝++++魏中正

摘 要：對水電工程中經(jīng)常出現(xiàn)的機組振動問題進行分析，并結(jié)合國內(nèi)外水電工程的特點，提出了機組振動問題的解決思路和建議。

關(guān)鍵詞：國際水電工程；水輪機；機組振動

隨著我國水電建設(shè)的不斷發(fā)展，我國建設(shè)的水輪發(fā)電機組的水頭、容量不斷增多，機組振動問題日益突出，對電站的安全運行和設(shè)備使用壽命造成了不利影響[1]。而水輪發(fā)電機組的運行工況復(fù)雜，振源較多，引起機組振動的因素往往疊加出現(xiàn)，振動的測試、分析與消減難度很大。所以研究機組振動的產(chǎn)生原因、危害和防治具有重要的理論意義和經(jīng)濟意義。

一、水輪發(fā)電機組振動的產(chǎn)生

由于水輪發(fā)電機組在實際運行過程中工況復(fù)雜，所以引起機組振動的原因很多，主要有水力振動、電磁振動和機械振動。

（一）水力振動

水輪發(fā)電機組水力振動主要由于機組出力和水頭波動、過流部件的水壓力脈動和調(diào)速器系統(tǒng)震蕩引起的。例如，尾水管渦帶、卡門渦列和狹縫射流誘發(fā)的振動都與水壓力脈動有關(guān)。

（二）電磁振動

電磁振動主要由設(shè)計參數(shù)不匹配或是制造、安裝不當(dāng)，造成發(fā)電機工作時磁拉力不平衡而產(chǎn)生的機組振動。轉(zhuǎn)子圓度不夠、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心偏移或定子鐵芯松動都是造成磁拉力不平衡的原因。

（三）機械振動

機械振動主要由轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡、偏心或軸承間隙調(diào)整不當(dāng)引起。其中轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡而引起的弓狀回旋是機組振動的最常見現(xiàn)象。

我們把轉(zhuǎn)子（如圖）理想化為一質(zhì)密圓盤來分析并假定：

1、當(dāng)角速度ω=0時，圓盤的幾何中心與回轉(zhuǎn)中心重合；

2、忽略轉(zhuǎn)軸的阻尼效應(yīng)；

3、由于質(zhì)量分布不均所產(chǎn)生的偏心距（重心w至o1的距離）為e；

當(dāng)軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，由于失衡質(zhì)量慣性力的作用，軸將產(chǎn)生彎曲變形，其中心o1獲得撓度y?，F(xiàn)將o、o1、w三點表示在與旋轉(zhuǎn)中心線垂直的A-A平面上（如圖c）由于不考慮阻尼，o、o1、w將共線，并且隨同旋轉(zhuǎn)的離心力作用帶動圓盤轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生彎曲變形，其中心o作圓周運動。這種運動狀態(tài)稱為弓狀回旋，幾何中心的回轉(zhuǎn)半徑（撓度）就是振幅。

作用于圓盤上的離心力

P=m（y+e）ω2 式中m為圓盤質(zhì)量

由于軸的彎曲變形而作用在圓盤上的彈性恢復(fù)力為ky（k為彈性系數(shù)）。對于穩(wěn)定的弓狀回旋，上述二力必須相等。

m（y+e）ω2=ky

即：y=meω2/（k-mω2） （1）

上式表明：1）回轉(zhuǎn)半徑隨偏心距的增大而增大；

2）回轉(zhuǎn)半徑是角速度ω的函數(shù)。

即：y=f（ω）

當(dāng)k-mω2=0，即ω=時，y，在理論上軸將折斷，但實際上由于存在軸承的限制作用和其他一些因素的影響，最終出現(xiàn)軸的劇烈振動。這一角速度稱為臨界角速度，并以ωc表示。

c可以用每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)表示如下：

（2）

我們知道，質(zhì)量——彈簧系統(tǒng)的自振頻率=圓盤與軸組成的系統(tǒng)，同樣可以看成是一個簡單質(zhì)量——彈簧系統(tǒng)。因此式（2）表明，n與帶有圓盤之軸的自振頻率重合：

c就是通常所說的“臨界轉(zhuǎn)速”。

當(dāng)軸以臨界轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生劇烈的橫向振動，這正是一種共振現(xiàn)象。這種共振對水力機組的安全穩(wěn)定運行危害非常大，而且最為常見。

二、水輪發(fā)電機組振動的危害

劇烈的振動會破壞機組的正常工作狀況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間的摩擦加劇影響零部件使用壽命。經(jīng)常性的振動還能引起金屬疲勞，使各連接處和接合處發(fā)生松動，導(dǎo)致部件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂[2]。當(dāng)振源頻率與機組或廠房固有頻率接近引起共振時，可能引起機組解列甚至水工建筑損壞。如果振動值長期超過振動允許值，不僅對機組正常運行不利，更將危及電站安全運行。由此可見，減小機組振動對于提高機組運行的可靠性和延長機組的使用壽命具有重大意義[1，2]。

三、水輪發(fā)電機組振動的防治

（一）振動的防治

根據(jù)以上對機組振動產(chǎn)生的原因的分析可知，有些機組振動是可以消除的，但有些機組振動是不可避免的。因此，我們只能盡可能的把機組振動限制在一定范圍內(nèi)。機組在安裝或檢修后必須進行試運轉(zhuǎn)，我國根據(jù)長時間的工程經(jīng)驗規(guī)定了在額定轉(zhuǎn)速下對振動進行測量其測量部位及振動允許值并收入標(biāo)準《GB/T8564-2003 水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》。

為了解機組的振動值大小和分析振動產(chǎn)生的原因，現(xiàn)場振動測試得到了普遍應(yīng)用。振動測試為保證機組振動值在允許值范圍內(nèi)和解決振動問題提供了依據(jù)[3]。在機組安裝完成后，根據(jù)測試數(shù)據(jù)可分析振動產(chǎn)生的原因并采取相應(yīng)的措施。

下面簡單介紹下工程實際中一些常見的避免或減輕、消除機組振動的方法：

1、機組設(shè)計時采取措施，盡量減小磁軛不均勻產(chǎn)生的徑向位移，優(yōu)化接線方式，減小次諧波的值；

2、根據(jù)轉(zhuǎn)動部件在水中的模態(tài)和頻率，應(yīng)用斷裂力學(xué)預(yù)測部件的疲勞破壞[4]；

3、在制造、安裝過程中嚴格把控定子、轉(zhuǎn)子的圓度及同心度；

4、提高制造、安裝質(zhì)量，減小誤差，保證機組支承件有足夠的強度；

5、對因轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，產(chǎn)生弓狀回旋而引起的振動，大、中型低轉(zhuǎn)速機組可以在轉(zhuǎn)子組裝前對磁極、輪轂支臂、磁軛壓板、制動閘板、磁極引線稱重，進行靜平衡計算。并在磁軛鐵片迭裝前按規(guī)范要求對磁軛鐵片按重量進行分類，并按分類情況編制磁軛鐵片堆積表，按表堆積。磁軛組裝完成后，根據(jù)堆積情況和每個磁極重量，掛裝位置計算轉(zhuǎn)子整體不平衡重量，如不平衡重量仍超過規(guī)范要求，則需要在相應(yīng)位置進行配重，并進行動平衡試驗，根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整配重，以減小或消除由于轉(zhuǎn)子靜不平衡所產(chǎn)生的振動；

6、對由于主軸出現(xiàn)不同心或折線而引起的振動，可在盤車是著重控制進行調(diào)整；

7、對因發(fā)電機磁拉力不均勻引起機組振動，可通過軸線調(diào)整使發(fā)電機空氣間隙均勻來消除或減小磁拉力不均勻引起機組振動；

8、對因?qū)лS承間隙過大、推力軸承各支柱變形值偏差過大而引起機組振動，可通過調(diào)整導(dǎo)軸瓦間隙和調(diào)整推力軸承各支柱受力來減小機組振動；

9、在機組運行過程中，將機組振動測試運用到振動分析中，增強決策的依據(jù)[5]。

參考文獻：

[1]董毓新.水輪發(fā)電機組振動[M].大連理工大學(xué)出版社，1989

[2]李啟章.對大型機組振動、裂紋問題的探討[J].水電站機電技術(shù)，2003（s1）：17-19

[3]黃長征，李錦.水輪發(fā)電機組振動技術(shù)研究[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報2013，34（12）：30-35

[4] LIU Xiao-bing，CAO Shu-you.Numerical prediction of vortex flowing hydraulic turbine draft tube for LES[J].J.of Hydrodynamics，2005，17（4）：448—454.

[5]江學(xué)文，劉海燕，王興芳.水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究[J].水電與新能源，2013（2）：17-22.endprint