水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析及處理方法

乳源瑤族自治縣麻布水電力有限責(zé)任公司 512725

摘要：隨著電力發(fā)展的不斷加速，我國對水輪發(fā)電機(jī)組性能指標(biāo)的要求越來越高，已經(jīng)開始將其振動(dòng)控制作為研究的要點(diǎn)，在一定程度上提升了水輪發(fā)電機(jī)組的工作效益。本文首先總結(jié)了水輪發(fā)電機(jī)組的典型振動(dòng)故障，描述了振動(dòng)故障的發(fā)生機(jī)理，為系統(tǒng)開發(fā)工作提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組；振動(dòng)故障分析；處理方法

隨著我國水電事業(yè)的迅速發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組（以下簡稱水電機(jī)組）裝機(jī)容量和單機(jī)容量越來越大，其發(fā)電量在電力系統(tǒng)中所占比例越來越高，水電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也日趨重要。水輪機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測參量通常包括：功率、電壓、電流、溫度、液位、轉(zhuǎn)速、壓力、流量、效率、位移、振動(dòng)、噪聲、水壓脈動(dòng)、絕緣、油汽水、力扭矩、軸電流、汽蝕等。而振動(dòng)監(jiān)測是狀態(tài)監(jiān)測的主要項(xiàng)目之一。振動(dòng)嚴(yán)重地威脅著機(jī)組供電質(zhì)量、使用壽命和安全運(yùn)行。水電機(jī)組的振動(dòng)，多數(shù)由于機(jī)械、水力、電磁等因素耦合作用的結(jié)果，振動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜，憑直觀判斷或簡單的測試一般難以找到根本原因。水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測及診斷裝置能反映出機(jī)組的異常振動(dòng)現(xiàn)象及發(fā)展趨勢，通過預(yù)測振動(dòng)的發(fā)展趨勢，判斷機(jī)組整體運(yùn)行狀況，避免由于異常振動(dòng)引發(fā)機(jī)組部件和設(shè)備的結(jié)構(gòu)松動(dòng)、變形、斷裂等重大故障，減少設(shè)備不必要停運(yùn)、降低維修成本、增加可利用時(shí)間，從而提高設(shè)備運(yùn)行與維修的效益。因此，研究水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測及故障診斷具有重要意義。

1、水輪機(jī)組的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

水輪機(jī)基本技術(shù)條件對振動(dòng)的要求是：

1）在各種運(yùn)行工況下，包括甩負(fù)荷，水輪機(jī)各部件不應(yīng)產(chǎn)生共振和有害變形。

2）頂蓋垂直振動(dòng)和主軸擺度應(yīng)不大于GB8564中所規(guī)定的允許值，

3）大中型機(jī)組計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速一般不低于飛逸轉(zhuǎn)速的1.25倍。水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動(dòng)允許值如下表：

表1： GB8564-2003 （單位：mm）

2、水輪機(jī)組振動(dòng)故障

造成水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因很多而且復(fù)雜，機(jī)組振動(dòng)除了機(jī)組本身轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外，還需考慮發(fā)電機(jī)的電磁力以及作用于水輪機(jī)過流部分的流動(dòng)壓力對系統(tǒng)及其部件振動(dòng)的影響。因此，一般將引起水輪機(jī)組振動(dòng)的原因分為電磁、機(jī)械、水力三個(gè)方面。

2.1電磁引起的振動(dòng)。

1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分因受不平衡力（這些不平衡力主要來自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、轉(zhuǎn)子不均勻空氣隙所引起的作用力，轉(zhuǎn)子線圈短路時(shí)引起的力和發(fā)電機(jī)在不對稱工況下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力）的作用下產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)。

2）發(fā)電機(jī)定子繞組每極分?jǐn)?shù)槽繞組形成的磁場特殊諧波成分引起的磁拉力，而定子在波數(shù)較少的磁拉力作用下就要產(chǎn)生振動(dòng)。

3）因定子鐵芯組合縫松動(dòng)或定子鐵芯松動(dòng)所引起的機(jī)組振動(dòng)，其特征為：振動(dòng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化較明顯，且當(dāng)機(jī)組載上一定負(fù)荷后，其振幅又隨時(shí)間增長而減小，對因定子鐵芯組合縫松動(dòng)所引起的振動(dòng)。

4）定子繞組固定不良，在較高電氣負(fù)荷和電磁負(fù)荷作用下使繞組及機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。

2.2機(jī)械引起的振動(dòng)。

機(jī)械原因引起振動(dòng)的機(jī)理、振動(dòng)的各種特征以及對機(jī)組的影響均與一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)沒有本質(zhì)上的區(qū)別。值得注意的是，大中型水輪發(fā)電機(jī)組一般是立軸的，從理論上講各部導(dǎo)軸承不承受靜載荷，軸頸無靜偏心，這與一般臥軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械不同。

1）因機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡引起的機(jī)組振動(dòng)。

2）因機(jī)組軸線曲折、緊固零部件松動(dòng)、機(jī)組對中心不準(zhǔn)、推力軸承調(diào)整不良所引起的機(jī)組振動(dòng)。

3）機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件相碰（或摩擦）所引起的振動(dòng)。

4）因主軸過細(xì)、軸的剛度不夠所引起的振動(dòng)。

2.3水力引起的振動(dòng)。如尾水管中渦帶引起振動(dòng)、汽蝕及導(dǎo)葉引水不均的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖擊、卡門渦列等。將機(jī)組改調(diào)相如振動(dòng)消失就是水力振動(dòng)，如不消失即為機(jī)械振動(dòng)。

1）尾水管渦帶。在水輪機(jī)組中，振動(dòng)故障中最常見的且發(fā)生頻率最高的是尾水管渦帶，并時(shí)常引起壓力脈動(dòng)。它的機(jī)理是：在正常情況下，從轉(zhuǎn)輪流出的水流應(yīng)為軸向流動(dòng)，但在低負(fù)荷工況下（或者水頭低的情況）則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的旋轉(zhuǎn)成分；而在超負(fù)荷工況下（或者水頭高的情況）則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的旋轉(zhuǎn)成分。因此，在尾水管中心范圍將產(chǎn)生渦流，造成壓力下降，產(chǎn)生空腔。該漩渦中心在超負(fù)荷情況下大多比較穩(wěn)定，而在部分負(fù)荷時(shí)漩渦中心如龍卷風(fēng)狀在尾水管內(nèi)激烈旋轉(zhuǎn)，形成螺旋狀渦帶。渦帶擺動(dòng)不僅可能造成水輪機(jī)或機(jī)組振動(dòng)，也可能引起與鋼管間耦合共振形式的引水系統(tǒng)振動(dòng)及廠房振動(dòng)，這種振動(dòng)有時(shí)還會(huì)誘發(fā)電網(wǎng)的功率擺動(dòng)。尾水管渦帶可以通過在尾水管進(jìn)入孔附近出現(xiàn)的“扎、扎”聲響以及尾水管壓力脈動(dòng)測量加以判別。旋轉(zhuǎn)水流形成的渦帶，在尾水管中引起低頻壓力脈動(dòng)，其頻率與渦帶的頻率相同，渦帶頻率在尾水管中各處都是一樣的，它為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的 1/3～1/5。

式中，f 為旋轉(zhuǎn)水流的頻率，Hz；n為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；z 通常取 3～5。

2）汽蝕。汽蝕一般可分為三類：翼形汽蝕、空腔汽蝕、間隙汽蝕。翼形汽蝕是由輪葉翼形的形狀所引起的，通常發(fā)生在葉片背面出水邊下部靠輪環(huán)處和葉片背面與輪轂靠近處?？涨黄g由于尾水管內(nèi)的水流旋轉(zhuǎn)，使中心空腔處形成了真空而造成的，通常發(fā)生在水輪機(jī)座環(huán)內(nèi)側(cè)和尾水管上半段。間隙汽蝕由于水流通過某些間隙時(shí)，因局部流速升高，壓力降低到汽化壓力時(shí)而產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)輪室、葉片周緣、葉片法蘭下表面以及轉(zhuǎn)輪體局部發(fā)生破壞。由水輪機(jī)的汽蝕現(xiàn)象，一方面導(dǎo)致水輪機(jī)工作表面受到侵蝕和剝落，另一方面則往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。在機(jī)組部分負(fù)荷時(shí)，振動(dòng)現(xiàn)象最為明顯，經(jīng)常出現(xiàn)“啪啦”的聲響。汽蝕引起的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，它的頻率是 300～500Hz。

3）卡門渦流。即將圓柱或平板置于流動(dòng)的水體中時(shí)，在其負(fù)壓側(cè)產(chǎn)生的一種較有規(guī)則渦旋，是尾部脫流所產(chǎn)生的渦流。出現(xiàn)卡門渦流時(shí)，物體與水流垂直方向作用有側(cè)向力?？ㄩT渦的頻率為：

式中，f 為卡門渦的頻率，Hz；

St為流體力學(xué)中的斯特羅哈數(shù)，實(shí)驗(yàn)測得St= 0.18～0.22；v 為水流速度，m/s；

t為繞流體尾部的最大寬度，m。卡門渦流的頻率與轉(zhuǎn)輪葉片或?qū)~等結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。卡門渦列的頻率與葉片厚度和流速有關(guān)，僅在一定負(fù)荷下發(fā)生。卡門渦流產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致固定導(dǎo)葉的疲勞裂紋，特別對大型混流式機(jī)組的導(dǎo)葉更為突出。該振動(dòng)特征為振幅隨過機(jī)流量增加而明顯增大。

4）轉(zhuǎn)輪進(jìn)口壓力波動(dòng)

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口壓力波動(dòng)可由兩方面引起：一是由導(dǎo)葉片數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)匹配不當(dāng)引起，二是轉(zhuǎn)輪輪葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的間隔過小引起。誘發(fā)的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口壓力波頻率為：

式中，f 是壓力波的頻率，Hz；

n 是轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度，r/min；zr 是轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)。

當(dāng)導(dǎo)葉片數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)匹配不當(dāng)時(shí)，會(huì)因水流在渦殼與轉(zhuǎn)輪室間流道內(nèi)的相互干涉，而產(chǎn)生參數(shù)共振。轉(zhuǎn)輪葉片每經(jīng)過一個(gè)導(dǎo)水葉間進(jìn)流時(shí)，