立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)增大原因分析及處理辦法

黃磊

【摘 要】對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組來說，振動(dòng)始終都是影響水電站安全運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，因此，通過減小機(jī)組振動(dòng)的方式能夠有效延長機(jī)組的使用壽命，并大幅度提高運(yùn)行可靠性。與此同時(shí)，一旦機(jī)組振動(dòng)過大，輕則危及發(fā)電廠正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致焊縫、零部件疲勞破壞區(qū)的形成，縮短使用壽命，由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)零部件的相互磨損，燒毀軸承，由于劇烈振動(dòng)，使油管接頭松動(dòng)脫落，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

【關(guān)鍵詞】水輪發(fā)電機(jī)；振動(dòng)增大；原因分析；處理辦法

引言：

水輪發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)彈性組合體，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中，所受作用力無法做到絕對(duì)平衡，因而會(huì)不可避免的產(chǎn)生振動(dòng)。但是如果水輪機(jī)發(fā)電在機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常振動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械連接件產(chǎn)生松動(dòng)或者變形，導(dǎo)致一些零件或者部件出現(xiàn)疲勞、裂紋甚至是斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行事故和供電質(zhì)量，威脅機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

一、水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)增大的危害

水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)作過程中屬于不可避免的現(xiàn)象，一旦水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)幅度超出正常范圍將會(huì)造成嚴(yán)重后果，主要表現(xiàn)為：第一，水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)增大將會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)的零部件或焊縫部位出現(xiàn)疲勞，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)大的現(xiàn)象或零部件斷裂的現(xiàn)象出現(xiàn)；第二，水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)增大會(huì)讓水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)組連接部位出現(xiàn)不同程度的松動(dòng)現(xiàn)象，讓各轉(zhuǎn)動(dòng)部件及靜止部件之間產(chǎn)生較大的摩擦力，甚至出現(xiàn)掃膛損壞的現(xiàn)象；第三，水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)增大會(huì)引起尾水管出現(xiàn)低頻壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致尾水管壁出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)電機(jī)、電力系統(tǒng)與其頻率的自振頻率相接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，引起機(jī)組出力大幅度波動(dòng)現(xiàn)象，最終導(dǎo)致機(jī)組從電力系統(tǒng)中解列，對(duì)廠房和相關(guān)建筑造成危害。

二、立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)原因

機(jī)組振動(dòng)可以分為水力振動(dòng)、電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)三類。

（一）產(chǎn)生水力振動(dòng)的因素

水力不平衡：當(dāng)流入轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱時(shí)，就出現(xiàn)一個(gè)不平衡的橫向力，致使造成機(jī)組振動(dòng)。其水力不平衡主要表現(xiàn)于導(dǎo)葉開度的不均勻，或者止漏環(huán)制造過程圓度不夠以及安裝時(shí)其間隙調(diào)整的不均勻。

尾水管中水力不穩(wěn)定：尾水管中水壓不穩(wěn)定，水壓周期性變化，壓力脈動(dòng)作用于機(jī)組和基礎(chǔ)上，就會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)、噪音和出力波動(dòng)。

空腔汽蝕：空腔汽蝕會(huì)引起機(jī)組的頂蓋和上機(jī)架出現(xiàn)劇烈的垂直振動(dòng)。

空腔汽蝕：檢查汽蝕現(xiàn)象，如果沒有汽蝕，或者汽蝕輕微，則該機(jī)組振動(dòng)不是水力因素引起的，或者說水力因素影響甚微。

（二）電磁因素

振動(dòng)的電磁因素是指振動(dòng)中的干擾力來自發(fā)電機(jī)電氣部分的電磁力。引起電磁振動(dòng)的主要因素有：轉(zhuǎn)子繞組短路，空氣間隙不均勻等。

轉(zhuǎn)子繞組短路：當(dāng)一個(gè)磁極的磁動(dòng)勢因短路而減小時(shí)，與其相對(duì)的磁極的磁動(dòng)勢沒有變化，因而出現(xiàn)一個(gè)跟轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的不平衡磁拉力，引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)。

空氣間隙不均勻：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓，或機(jī)組中心不正時(shí)，空氣間隙就會(huì)不均勻，從而產(chǎn)生單邊的不平衡磁拉力，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而引起空氣間隙周期性變化，單邊不平衡磁拉力沿著圓周作周期性移動(dòng)，引起機(jī)組振動(dòng)。

（三）機(jī)械因素

設(shè)計(jì)及加工中的原因：在設(shè)計(jì)并制造水輪發(fā)電機(jī)的過程中，如果發(fā)電機(jī)的整體支撐結(jié)構(gòu)剛性較小，且制造過程中的加工精度較差，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的平衡校驗(yàn)存在誤差等，都會(huì)導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)振動(dòng)增大的情況。

安裝及運(yùn)行過程中的原因：為了保證水輪發(fā)電機(jī)正常工作，在安裝過程中應(yīng)該高度重視水輪發(fā)電機(jī)軸類零件、軸承類零件等重要連接件的安裝質(zhì)量和對(duì)中情況，如果對(duì)中不準(zhǔn)確，軸類零件就會(huì)出現(xiàn)上下晃動(dòng)，進(jìn)而增大振動(dòng)幅度。在安裝及檢修的過程中，機(jī)組的大軸中心線會(huì)與推力軸中心線重合，但由于兩軸上的絕緣墊薄厚不一致，設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)軸線偏移的情況，進(jìn)而引起振動(dòng)。新進(jìn)水輪發(fā)電機(jī)組在安裝過程中會(huì)容易出現(xiàn)軸套歪斜的情況，進(jìn)而引起機(jī)組振動(dòng)，主要原因是軸和孔在加工時(shí)會(huì)殘留一定的橢圓度，進(jìn)而導(dǎo)致軸和孔的中心線垂直度不一致，最終引起振動(dòng)。此外，老機(jī)組推力軸由于多次檢修，再加上套入及撥出軸承的次數(shù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致老機(jī)組的推力軸磨損嚴(yán)重，在套歪后極易導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象。

軸線的原因：水輪發(fā)電機(jī)軸線主要通過調(diào)節(jié)推力瓦及鏡板之間的絕緣墊調(diào)整軸承的振動(dòng)。因此，機(jī)組從穩(wěn)定的、安全的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)且逐漸增大的情況很可能是由于絕緣墊不平穩(wěn)導(dǎo)致的。此外，機(jī)組長期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致軸的高點(diǎn)變形，進(jìn)而導(dǎo)致軸線偏移，使振動(dòng)幅度增大。

動(dòng)不平衡力的原因：由于水的作用力較大，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)不平衡力增加，導(dǎo)進(jìn)而增大了機(jī)組的振動(dòng)幅度，導(dǎo)致這種現(xiàn)象主要原因是機(jī)組旋轉(zhuǎn)體不平衡或軸承間隙過大。如果機(jī)組的主軸和推力軸之間的間隙過大，或存在卡環(huán)不合格的情況，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行過程中推力軸擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體擺動(dòng)，最終增大振動(dòng)幅度。在安裝推力軸時(shí)，為了便于安裝需要將軸套加熱，而軸套冷卻時(shí)由于收縮不均勻，就會(huì)導(dǎo)致主軸與下端面出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。如果推力軸套內(nèi)孔下配合面存在生銹的現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致推力軸與主軸配合間隙增大，進(jìn)而分布在整個(gè)圓周之上，在推力軸受到不穩(wěn)定力的作用下，間隙會(huì)逐漸增大，最終導(dǎo)致振動(dòng)增大。

三、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的處理對(duì)策

（一）電磁振動(dòng)的處理對(duì)策

由于電磁振動(dòng)主要是由于發(fā)電機(jī)電磁力和磁拉力的異常而導(dǎo)致的振動(dòng)，而且主要是由于轉(zhuǎn)子磁極形狀、方向以及安裝等原因使磁極拉力不同而產(chǎn)生的振動(dòng)。因此，在建設(shè)、維修的過程中，工作人員要與安裝單位的技術(shù)人員、作業(yè)人員共同現(xiàn)場復(fù)核，盡可能的減小定子與磁極的距離，避免振動(dòng)的發(fā)生。

（二）機(jī)械振動(dòng)的處理對(duì)策

機(jī)械振動(dòng)的主要原因就是機(jī)組內(nèi)部的轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的機(jī)械故障占總故障的六成以上，所以，相關(guān)工作人員應(yīng)該高度重視轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡問題。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡主要分為靜不平衡與動(dòng)不平衡兩種。其中，靜不平衡主要是指在轉(zhuǎn)子的垂直方向產(chǎn)生了中偏離軸心的力，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)晃動(dòng)大。動(dòng)不平衡主要是指在轉(zhuǎn)子垂直方向的反方向產(chǎn)生了一種偏心力，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)子中心對(duì)軸的偏心距，進(jìn)而使振動(dòng)情況加劇。因此，維修人員在處理機(jī)械原因?qū)е碌乃啓C(jī)組振動(dòng)增大的問題時(shí)應(yīng)該檢測轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡狀態(tài)，明確振動(dòng)增大是由靜不平衡引起還是動(dòng)不平衡引起的。具體檢測時(shí)可以通過測量轉(zhuǎn)子圓度的方式，檢測轉(zhuǎn)子的中心是否與主軸的軸線重合，必須保證轉(zhuǎn)子軸心和主軸的中心在一定誤差范圍之內(nèi)，才能有效減小振動(dòng)，保證機(jī)組正常工作。

（三）水力振動(dòng)的處理對(duì)策

對(duì)于水力振動(dòng)來說，工作人員可以通過在導(dǎo)葉關(guān)閉油路中安裝分段關(guān)閉閥的方式，控制導(dǎo)葉關(guān)閉速度，即可有效解決問題。此外，現(xiàn)今絕大多數(shù)的水電站機(jī)組為軸流旋槳式，如果沒有做好協(xié)聯(lián)曲線則會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)無法處于最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系，這樣的狀態(tài)水流就會(huì)產(chǎn)生沖角，繼而引起水力不平衡，產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)組在運(yùn)行過程中如果能夠?qū)C(jī)組調(diào)速器槳葉切換為手動(dòng)運(yùn)行，也可明顯降低振動(dòng)。

四、結(jié)術(shù)語

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，減少水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)對(duì)提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長機(jī)組使用壽命具有重要的作用。在掌握各種振動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)組的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)，用科學(xué)的方法，逐一排除疑點(diǎn)，縮小故障原因的范圍，盡快得到正確的診斷結(jié)果，盡早處理，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，避免重大事故的出現(xiàn)，保障水輪機(jī)機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

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