水輪機(jī)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)原因及處理研究

隋欣

摘? ?要：隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了顯著的成效。伴隨我國水利發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展，保障水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)等水電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。水輪發(fā)電機(jī)組在偏工況運(yùn)行時(shí)常出現(xiàn)振擺異常情況，引起諸如“轉(zhuǎn)輪葉片開裂、水輪機(jī)嘯叫、機(jī)組損壞”等一系列機(jī)組不能穩(wěn)定運(yùn)行的問題。為研究機(jī)組在偏工況下的振擺情況，分析其對機(jī)組穩(wěn)定性的影響，對某機(jī)組機(jī)架和導(dǎo)軸承振擺進(jìn)行真機(jī)試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)處理和頻譜分析，揭示了機(jī)組振擺的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)發(fā)電機(jī);振動(dòng);原因;改造

中圖分類號：TV738? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.07.035

振動(dòng)超標(biāo)通常意味著機(jī)組軸系或支承系統(tǒng)出現(xiàn)較大異常，容易誘發(fā)零部件疲勞破壞，威脅機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確診斷處理振動(dòng)測量系統(tǒng)故障，確保其真實(shí)反映設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)，對保障水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有著十分重要的意義。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲現(xiàn)象的因素分析

1.發(fā)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲因素。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要發(fā)電機(jī)維持較高的轉(zhuǎn)速水平。從這一層面看，發(fā)電機(jī)也是引起發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲現(xiàn)象的主要部件。通常發(fā)電機(jī)比參數(shù)大概設(shè)定為 3.3，也就能使其轉(zhuǎn)速在 6000r/min 左右浮動(dòng)。但是，若發(fā)電機(jī)組件部分進(jìn)入高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，隨之導(dǎo)致冷風(fēng)扇部分組件、不平衡力帶來的噪聲更加嚴(yán)重。從 NVH 的觀點(diǎn)出發(fā)，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行控制，在將其降低的同時(shí)，保證支架安裝結(jié)構(gòu)的剛度，這樣就能實(shí)現(xiàn)激勵(lì)源的控制和降低。在水輪機(jī)發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)下，傳動(dòng)比水平主要取決于發(fā)電機(jī)組件的冷卻需求，這就必須將發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流因素、發(fā)電機(jī)技術(shù)組件的安裝位置等因素置于優(yōu)先考慮范圍。

2.節(jié)氣門進(jìn)行打開/關(guān)閉操作因素。節(jié)氣門是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備內(nèi)部的重要組件，不論是執(zhí)行打開還是關(guān)閉操作，都會讓發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)入瞬態(tài)響應(yīng)階段，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)擺動(dòng)情況時(shí)，處于扭轉(zhuǎn)反向狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)速度也會出現(xiàn)變化，在變化中也會受到傳動(dòng)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)余量的影響。在出現(xiàn)擺動(dòng)幅度不斷增強(qiáng)的情況時(shí)，扭轉(zhuǎn)脈沖信號將借助驅(qū)動(dòng)輪組件、懸架組件等部分傳遞到整個(gè)車體，這就引起了振動(dòng)、噪聲情況的發(fā)生。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行中，若出現(xiàn)扭矩速度不斷增加的情況，實(shí)際引起的瞬態(tài)響應(yīng)也會表現(xiàn)得更加劇烈。在進(jìn)行節(jié)氣門打度時(shí)，主要是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的通矩增加幅度，這一參數(shù)需要進(jìn)氣歧管組件的容積進(jìn)行限制。不難發(fā)現(xiàn)的是，這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)間存在一定的指數(shù)關(guān)系。當(dāng)瞬時(shí)空燃混合物能夠穩(wěn)定在均勻技術(shù)條件時(shí)，進(jìn)氣歧管組件的容積也會具有較大的容積參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備扭矩增加的速度也會變緩。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備振動(dòng)現(xiàn)象與噪聲現(xiàn)象的有效解決方法

1.補(bǔ)氣方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化補(bǔ)氣方式，減小低負(fù)荷工況下尾水壓力脈動(dòng)等，從而減小水力作用的頂蓋振動(dòng)的影響。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般采取強(qiáng)迫補(bǔ)氣或者優(yōu)化補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)等方式。如采取強(qiáng)制補(bǔ)氣方式，需在頂蓋上導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前增加強(qiáng)制補(bǔ)氣孔，將強(qiáng)迫補(bǔ)氣孔引接至電站低壓氣系統(tǒng)，在機(jī)組低負(fù)荷段及振動(dòng)較大負(fù)荷段進(jìn)行補(bǔ)氣試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)情況決定強(qiáng)迫補(bǔ)氣運(yùn)行方式;如采取優(yōu)化補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)方式，參考模型試驗(yàn)尾水管渦帶情況、壓力脈動(dòng)及補(bǔ)氣情況測試數(shù)據(jù)及有關(guān)文獻(xiàn)資料的試驗(yàn)成果，加長大軸中心孔補(bǔ)氣管至轉(zhuǎn)輪下環(huán)出口位置，可改善大軸中心孔補(bǔ)氣效果，從而減小流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)。鑒于強(qiáng)迫補(bǔ)氣需根據(jù)不同負(fù)荷情況啟動(dòng)低壓氣系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣，運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜，綜合以上情況，推薦采用補(bǔ)氣管結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式。

2.加強(qiáng)筋處理

從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的總成結(jié)構(gòu)出發(fā)，為了使其獲得較高硬度數(shù)值，應(yīng)采取加強(qiáng)筋處理的方案，較少發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備本身的重量，使其制造成本大大降低，從而更好地控制和削弱發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的振動(dòng)和噪聲問題。在具體實(shí)施中，要通過使用兩個(gè)螺栓形成穩(wěn)定連續(xù)的連接面，確保加強(qiáng)筋材料長度能夠支持最大連續(xù)。再者，在加強(qiáng)筋材料的布置上，要從空間區(qū)域和空間角度兩方面入手，分別考慮模態(tài)變形最大值的和維持彎曲模態(tài)振型全息成像下邊沿。其次，在對發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的加強(qiáng)筋進(jìn)行處理時(shí)，要確保加強(qiáng)筋材料能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)配件凸臺部分能夠順利混合，只有達(dá)成這一條件，才能為發(fā)動(dòng)機(jī)提供剛性連接點(diǎn)支持。此外，在諸多實(shí)際運(yùn)用的場景中，出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的加強(qiáng)筋，應(yīng)能夠與鑄件結(jié)構(gòu)相銜接，使得材料單位的組合技術(shù)性能得以發(fā)揮?；谶@一步驟，通過增加加強(qiáng)筋材料的運(yùn)用數(shù)目、增設(shè)斷面結(jié)構(gòu)層的數(shù)量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在鑄件加工中更加穩(wěn)定，更有利于減少和控制廢料的產(chǎn)生。

3.運(yùn)行穩(wěn)定性分析

水電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性是評估其水力性能的重要指標(biāo)，運(yùn)行區(qū)域的劃分要從關(guān)鍵位置的振擺、水壓力脈動(dòng)和噪聲等多方面考慮，從振擺方面劃分了機(jī)組的禁止、限制、穩(wěn)定三個(gè)運(yùn)行區(qū)。禁止運(yùn)行區(qū)是強(qiáng)振區(qū)，此區(qū)域振擺幅值大且伴有噪音，水能效率偏低;限制運(yùn)行區(qū)各部振擺幅值較大，尾水管可能產(chǎn)生渦帶且伴有較大的噪音，機(jī)組不宜在此區(qū)域長時(shí)間運(yùn)行;穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)機(jī)組各部指標(biāo)正常，振擺和壓力幅值較小，發(fā)電效率高，可在此工況區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行。

三、結(jié)語

水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行的過程中，出現(xiàn)振動(dòng)問題是不可避免的，因此，機(jī)組檢修人員在日常的維護(hù)中應(yīng)根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)結(jié)合機(jī)組運(yùn)行理論，深入分析水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)原因，提出針對性的振動(dòng)解決措施。此外，在對機(jī)組進(jìn)行日常維護(hù)的過程中，應(yīng)對機(jī)組進(jìn)行全面的檢查，確保水輪機(jī)組的安全精度與質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)，提升機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

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（國家能源集團(tuán)和禹水電開發(fā)公司太平哨發(fā)電廠? 遼寧丹東? 118200）