水輪機發電機組振動的影響因素與處理方案研究

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 伊寧 835000）

近年來，我國的水力發電事業獲得了長足進步，各類大中小型的水輪發電機組相繼建成并投入使用。在水輪發電機組運行的過程中，常常會出現振動問題，這對機組的安全、穩定、可靠運行造成了一定程度的影響。新疆山口水電站的水輪發電機組為立軸滾流式機組，其額定轉速為111.1 r/min.水輪機的型號為HLA551C-LJ-450，額定出力為47 MW.發電機的型號為SF47-54/10400，其額定容量為47 MW.該機組于2010年8月正式并網發電，截止到目前并未進行過A、B級檢修（A級為全面的解體檢查與修理；B級為針對機組某些設備存在的問題對部分設備進行解體檢查與修理）。在機組的運行過程中，有時會出現振動現象。本文重點分析振動的影響因素，并提出有效的處理方案。

1 水輪發電機組振動的主要影響因素分析

1.1 電磁因素引起的振動

當某個磁極出現短路之后，會導致磁動勢減小，而與之相對稱的磁極的磁動勢卻不會發生改變，由此便會出現一個與轉子同向旋轉的不平衡磁拉力，這樣便會引起機組振動。同時，定子鐵芯的組合縫若是出現松動，或是鐵芯本身出現松動也會引起機組振動。此外，如果定子繞組的固定不良，當電氣負荷較高時，便會引起機組振動。

1.2 機械因素引起的振動

與一般臥軸的旋轉機械相比，中大型水輪發電機組均為立軸，新疆山口水電站水電站的機組為立軸滾流式。通常情況下，各部導軸承一般不承受靜載荷，軸頸也無靜偏心。機械因素引起的水輪機發電機組振動具體表現在以下幾點：

（1）若發電機組在空載低轉速運行的狀態下出現明顯振動，那么引起振動的原因可能包括機組緊固零部件松動、軸線曲折、中心不準、推力軸承調整不良等因素[1]。

（2）若發電機組振幅與機組轉速的二次方成正比，并且水平振動較大，那么引起機組振動的原因可能為機組轉動部分質量不平衡。

（3）若發電機組振動較為強烈，并伴有撞擊聲，那么引起振動的原因可能是機組轉動部件與固定部件相碰撞。

（4）若發電機組振幅隨機組負荷變化較為明確，那么引起振動的原因可能是主軸過細或軸的剛度不夠。

1.3 水力因素引起的振動

1.3.1 汽蝕引起的振動

汽蝕屬于水力因素的范疇，一般可分為三種類型，即間隙汽蝕、空腔汽蝕、翼形汽蝕[2]。間隙汽蝕會破壞轉輪室、葉片法蘭、葉片周緣以及轉輪體局部等部位，如圖1（a）所示；空腔汽蝕常見于水輪機座環內側和尾水管上半段；翼形汽蝕常發生在葉片背面與輪翼靠近處，如圖1（b）所示。受汽蝕影響，不僅會嚴重侵蝕和破壞水輪機工作表面，而且還會引起強烈的振動和噪聲。尤其在機組部分負荷時，機組振動最為明顯，并會發生振動噪聲，其振動頻率在300~500 Hz，屬于高頻振動。

圖1水輪機葉片汽蝕

1.3.2尾水管渦帶引起的振動

尾水管渦帶是水輪發電機組振動中最為常見的一種振動源，其除了會引起機組振動之外，還會引起壓力脈動。通常情況下，渦帶擺動時，不但會導致水輪機振動，還可能造成引水系統和廠房共振，由此容易誘發電網功率擺動。

2 水輪發電機組振動的處理方案

2.1 合理運用振動測試方法

水電站內的水輪發電機組存在振動現象是不可避免的，想要了解振動是否在允許范圍之內，就必須采用合理的測試方法。目前，較為常用的振動測試方法有以下幾種。

（1）儀表法。這是比較簡單且實用性較強的一種振動測試方法，主要的儀器有：測振儀（帶筆式記錄裝置）、百分和千分表等等[3]。其中，測振儀能夠測量出機械振動的時間歷程，通過比較分析，可獲得機組振動的頻率、波形、周期以及相位等指標；百分和千分表可以準確測得機組振動的振幅。

（2）振動監測系統。該系統主要是由以下幾個部分組成：傳感器、信號變換、處理、放大和測量裝置、分析儀器以及顯示記錄設備等等。系統框架結構如圖2所示。

圖2 振動監測系統框架結構示意圖

該系統主要是借助專業的傳感器和信號變換裝置將采集到的振動量轉換為電量，再利用放大器進行放大，通過示波器進行記錄，最后由分析儀器對數據進行處理[4]。系統的特點是靈敏度較高、頻率范圍較廣，可實現遙測和自動控制。需要注意的是，使用該系統對機組振動進行測量時，必須采取相應的屏蔽措施，以免外界電磁場干擾影響測量的準確性。

2.2 發電機組振動故障的處理方案

2.2.1 電磁因素引起振動的處理

（1）可按照轉子磁極鍵的實際情況，并在反復測定轉子圓度合格后，將長出的磁極鍵割掉，并在上部位置處加裝一個擋板。同時對磁極鍵固定，防止其出現偏斜或是山竄等情況。當磁極修復處理完畢后，應當對轉子圓度進行復測，確保檢測結果與相應標準相符。

（2）可對定子鐵芯進行定期檢查，發現松動要及時進行處理，并加強保護監控。

2.2.2 機械因素引起振動的處理

提高精密度和同心度是減小機械因素引起振動的主要途徑，其具體方法為改變軸瓦間隙、調整軸線以及平衡相對改動。本機組在運行過程中出現了較大幅度的振動，最大振動幅度值高達0.15 mm，通過對機組進行檢查，排除了機組定子、轉子磁極、機架緊固螺絲等因素。經過振動測試顯示，在變速試驗中振動變化明顯，因此判斷為機械因素引起的振動。通過空載試驗及帶負荷試驗中的勵磁電流恒定測試可以看出，有功負荷和勵磁電流均會影響振動。在實測機組導軸承間隙的基礎上，發現間隙最大值達到0.45 mm，超過出標準值0.25mm，所以對導軸承間隙進行重新調整，使其在標準值0.2 mm范圍內。在此之后，啟動機組，進行振動測試，振幅小于0.04 mm，消除了機械因素引起的振動問題。

2.2.3 水力因素引起振動的處理

（1）對于尾水管渦帶引起的振動，可通過如下措施加以解決處理：在低負荷區內補充足夠的氣量，以此來降低尾水管的壓力脈動振幅。同時也可以加裝延伸泄水錐借此來降低渦帶的壓力脈動。在超負荷區域內，則可通過加裝帶有導流作用的減振裝置或采用角向切割葉片出水邊的方法，來達到降低渦帶壓力脈動、提高出力的目的[5]。

（2）對于汽蝕原因引起的機組振動，可以通過在尾部流通管入口處加裝導流瓦和導流翼板或是對轉輪葉型進行修正等方法加以解決出力。同時還應當盡可能避免機組在低壓負荷區運行，這樣也能有效消除汽蝕引起的機組振動。

2.3 機組振動維護要點

每月應測量一次發電機定子和勵磁回路絕緣電阻，測量發電機定子回路絕緣電阻采用2500 V兆歐表，與歷年測量值相比不應有顯著降低，吸收比不應低于1.6，否則應查明原因并將其消除。測量發電機勵磁回路絕緣電阻采用500 V～1000 V兆歐表，絕緣電阻值不應小于0.5MΩ，若低于上數值，應采取措施加以恢復。若一時不能恢復，機組是否允許運行由電廠總工程師決定；發生發電機外部短路后，應對發電機主要部件以及發電機定子端部進行外觀檢查；發電機的運行管理人員與發電機專責應對發電機進行定期和不定期檢查和考核，保證發電機運行狀況良好。

3 結束語

本文以新疆山口水電站的水輪發電機組為實例，對機組振動的主要影響因素進行了分析，隨后提出了有效的解決處理方案。由于水輪發電機組的振動問題是不可避免的，所以，對于該問題的處理應當盡可能以預防為主、治理為輔，通過采取一些科學的方法和措施，最大限度地消除振動源，以此來確保機組安全、穩定、可靠運行。

[1]姚 澤，黃青松.動平衡方法處理水電機組振動故障實例[J].水電自動化與大壩監測，2012，17(12):61-63.

[2]桂中華，潘羅平，等.HM9000水電機組狀態監測綜合分析系統的開發與應用[J].水電自動化與大壩監測，2011，4(10):32-35.

[3]陳予恕，張大寬，等.非線性動力學理論與大型水電機組振動故障診斷綜合治理技術[J].中國機械工程，2010，6(9):66-68.

[4]沈 德，茍廷青.大型水輪發電機組振動分析與處理[J].西北水電，2012，3(4):69-71.

[5]賈 嶸，白亮，羅興綺.基于神經網絡的水輪發電機組振動故障診斷專家系統[J].水力發電學報，2014，8(6):120-122.