混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)因素淺析

楊書(shū)

【摘要】通過(guò)針對(duì)混流式水輪發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)的各種振動(dòng)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(dòng)判斷的基本方法，找出振動(dòng)原因，探討解決及消除振動(dòng)方法。

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

1、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)概述

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是以水輪機(jī)為原動(dòng)力，水的能量是激發(fā)或維持機(jī)組振動(dòng)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(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管等過(guò)流部件時(shí)，由于這些過(guò)流部件在設(shè)計(jì)、制造、安裝過(guò)程中的誤差，形成不對(duì)稱(chēng)的水流作用力矩及水流脫流，同時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)輪遠(yuǎn)離無(wú)撞擊進(jìn)口和最優(yōu)水流出口運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部流動(dòng)狀況變壞，產(chǎn)生脫流和渦帶，形成壓力脈動(dòng)，引起水輪機(jī)本體甚至相鄰混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件疲勞破壞。運(yùn)行工況變化時(shí)，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(dòng)，它既可直接激發(fā)并維持機(jī)組的振動(dòng)，也可間接激發(fā)或維持機(jī)組振動(dòng)，從振動(dòng)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(wèn)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(guò)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(huì)引起發(fā)電機(jī)的振動(dòng)。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(dòng)部分和固定部分，它們中任何一個(gè)部件存在機(jī)械缺陷時(shí)都可能引起機(jī)組的振動(dòng)，而這些缺陷可能是由設(shè)計(jì)、制造、安裝等任何一個(gè)環(huán)節(jié)所引起。因此通常來(lái)說(shuō)水輪發(fā)電機(jī)組有五大振動(dòng)部件上機(jī)架、定子、下機(jī)架、頂蓋、轉(zhuǎn)動(dòng)部分。

2、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的類(lèi)別

常規(guī)振動(dòng)大概可分為以下四種情況：水輪機(jī)水力振動(dòng)；高中低頻壓力脈動(dòng)振動(dòng)；尾水管壓力脈動(dòng)振動(dòng)；空腔氣蝕引起的振動(dòng)；異常振動(dòng)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(dòng)部分、葉片、水體、定子鐵心等處；自激振動(dòng)，水輪機(jī)中自激振動(dòng)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(dòng)，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(dòng)中，轉(zhuǎn)子不平衡也是一個(gè)非常突出的問(wèn)題，不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見(jiàn)的故障。不平衡包括機(jī)械、水力、電氣不平衡。無(wú)論什么不平衡，產(chǎn)生的根源缺陷一定在轉(zhuǎn)動(dòng)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(xiàn)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(dòng)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(dòng)質(zhì)量不平行原因、軸線(xiàn)原因，如軸線(xiàn)的曲折度弓狀回旋引起，軸線(xiàn)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(duì)稱(chēng)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(lì)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(dòng)導(dǎo)葉數(shù)量不匹配所引起，它與機(jī)組的過(guò)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(dòng)歸入其內(nèi)。間隙的周期變化可由梳齒轉(zhuǎn)動(dòng)部分不圓或軸的擺度所引起，由此可見(jiàn)，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(dòng)及分析

機(jī)械故障引起的振動(dòng)，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(dòng)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(dòng)那樣有一定的規(guī)律。要識(shí)別它們，需要對(duì)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(shí)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和同類(lèi)別的電站情況的積累有助于迅速地識(shí)別和排除故障，以下來(lái)分析混流式水輪發(fā)電機(jī)引起機(jī)械振動(dòng)的原因。

3.1 軸線(xiàn)中心偏移

由于軸承中心線(xiàn)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(xiàn)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(dòng)，有時(shí)還會(huì)引起機(jī)組的自激振動(dòng)；有的水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，軸線(xiàn)偏差情況還會(huì)產(chǎn)生兩倍頻的附加徑向力和擺度，還會(huì)有一個(gè)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(shí)，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(shí)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(dòng)。

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(pán)車(chē)過(guò)程中可以通過(guò)數(shù)據(jù)檢查，運(yùn)行過(guò)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(dòng)

推力頭松動(dòng)指推力頭內(nèi)孔和軸頸間存在間隙。當(dāng)推力頭松動(dòng)時(shí)機(jī)組振動(dòng)、擺度的特點(diǎn)為機(jī)組運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)軸線(xiàn)姿態(tài)會(huì)發(fā)生突然變化，機(jī)組的振動(dòng)、擺度忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)；而且推力頭松動(dòng)也會(huì)給機(jī)組單次盤(pán)車(chē)帶來(lái)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(dòng)導(dǎo)葉葉片與轉(zhuǎn)輪葉片不匹配也是會(huì)引起相位振動(dòng)，水流在蝸殼與轉(zhuǎn)輪室流道中相互干擾，水流每經(jīng)過(guò)一個(gè)導(dǎo)葉間流道沖擊轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，均產(chǎn)生周期性壓力脈動(dòng)，這種壓力脈動(dòng)會(huì)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(gè)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(dòng)及分析

按照振動(dòng)頻率，水輪發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)可分為磁轉(zhuǎn)頻振動(dòng)和極頻振動(dòng)兩類(lèi)。理論上極頻磁振動(dòng)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(dòng)只在共振時(shí)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(dòng)產(chǎn)生的主要原因：

（1）定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢(shì)，它引起的振動(dòng)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(shì)，定子各相沿圓周分布有很多線(xiàn)圈，它們并聯(lián)在一起構(gòu)成支路，把支路再組合起來(lái)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(shí)，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(duì)稱(chēng)的次諧波勢(shì)，與分?jǐn)?shù)槽次諧波類(lèi)似，它也能引起定子的極頻振動(dòng)，振動(dòng)頻率為100赫茲。

（3）負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢(shì)，當(dāng)定子三相負(fù)載不對(duì)稱(chēng)時(shí)，繞組會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，即相序相反的磁場(chǎng)，它與主磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生一個(gè)空間次數(shù)P=0的磁場(chǎng)，引起定子鐵芯作駐波式的振動(dòng)。

（4）機(jī)座合縫錯(cuò)位、定子鐵心疊片松動(dòng)等均會(huì)引起振動(dòng)。

4.2 振動(dòng)原因的判斷

不同原因引起的振動(dòng)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為其振型不同，測(cè)出定子鐵芯對(duì)應(yīng)某一振型的固有頻率來(lái)判斷共振，一般試驗(yàn)項(xiàng)目為以下四個(gè)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(cè)量100赫茲振動(dòng)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(guò)變速試驗(yàn)確定鐵芯固有頻率，通過(guò)對(duì)共振時(shí)振型的測(cè)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(kāi)和閉合的情況下進(jìn)行衡勵(lì)變速試驗(yàn)，如果兩種情況下振動(dòng)沒(méi)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(cè)出定子鐵芯100赫茲振動(dòng)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(dòng)及分析

水力振動(dòng)相對(duì)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(dòng)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(wú)法進(jìn)行，只能進(jìn)行一些局部的計(jì)算，但是壓力脈動(dòng)的影響是可以預(yù)防的，水輪發(fā)電機(jī)組的水力振動(dòng)主要有以下幾個(gè)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(dòng)，注意渦帶壓力脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響主要在于振動(dòng)、擺度、功率擺動(dòng)及其它附加影響，一般采用尾水管補(bǔ)氣來(lái)減少尾水管的渦帶壓力脈動(dòng)，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(lèi)轉(zhuǎn)頻壓力脈動(dòng)

所謂類(lèi)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(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響主要是機(jī)組的垂直振動(dòng)和全水力系統(tǒng)的強(qiáng)烈壓力脈動(dòng)，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(dòng)范圍很?。恢档米⒁獾氖?，類(lèi)轉(zhuǎn)速壓力脈動(dòng)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(dòng)

當(dāng)梳齒中間隙發(fā)生周期性變化時(shí)，就會(huì)在其間隙中產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，梳齒壓力脈動(dòng)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(dòng)達(dá)到一定程度并且和大軸的擺度方向成一定角度時(shí)，就可能引起轉(zhuǎn)動(dòng)部分的自激振動(dòng)，梳齒迷宮引起的自激振動(dòng)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(mén)渦

卡門(mén)渦是水流繞流物體在尾部?jī)蓚?cè)交替產(chǎn)生的周期性流動(dòng)分離現(xiàn)象，水輪機(jī)中的卡門(mén)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(dòng)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(shí)，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(lèi)型的水力振動(dòng)

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(dòng)和噪音及導(dǎo)葉葉道流速分布不均勻產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)等類(lèi)型。

5.6 振動(dòng)原因判斷基本方法

利用已有的知識(shí)對(duì)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(dòng)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(dòng)部件的振型及部位，對(duì)比各測(cè)量值之間的關(guān)系；分析振動(dòng)性質(zhì)，有無(wú)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(yǔ)

造成機(jī)組振動(dòng)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(dòng)對(duì)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(dòng)是由許多獨(dú)立振動(dòng)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(guò)研究消除降低振動(dòng)的方法，應(yīng)該從系統(tǒng)中找出獨(dú)立振動(dòng)源，根據(jù)其特性逐個(gè)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(dòng)，才以保證水電站的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行生產(chǎn)。