沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)振動分析及處理

摘 要：現(xiàn)階段水輪發(fā)電機(jī)的廣泛運(yùn)用，為相關(guān)行業(yè)帶來了較高的經(jīng)濟(jì)利益，然而在其機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果發(fā)生振動故障，不僅會使對設(shè)施設(shè)備造成影響，還會阻礙水電站的正常運(yùn)行。所以文章主要針對沖擊立式發(fā)電機(jī)的振動原因及危害進(jìn)行分析，并結(jié)合阿鳩田水電站實(shí)際工作經(jīng)驗，提出幾點(diǎn)解決措施，以期為水電行業(yè)提供一定的理論借鑒依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)組；振動分析；應(yīng)對措施

1 阿鳩田水電站工程簡介

阿鳩田水電站位于云南省保山市龍陵縣境內(nèi)的蘇帕河上，壩址位于龍陵縣象達(dá)鄉(xiāng)朝陽村下游6公里，電站首部距保山公路里程為175km，距龍陵縣城公路里程為66km。電站為引水式，是蘇帕河流域規(guī)劃梯級的第四級電站。水電站設(shè)計裝機(jī)容量35*3MW，水庫總庫容15.8×104m3，屬Ⅲ等中型工程，永久性主要建筑物為3級，永久性次要建筑物為4級，臨時性建筑物為5級。

2 沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)振動帶來的危害

2.1 固件松動或者斷裂

由于使用過程的磨損或者維修保養(yǎng)不當(dāng)，水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的部分固件會發(fā)生松動及斷裂情況，如果此時不采取一定的措施，就會連帶其他機(jī)組發(fā)生振動，從而使相關(guān)部件及連接部位變得脆弱，降低了使其使用年限。如果該現(xiàn)象比較嚴(yán)重，就會在零件的各個部件之間以及金屬和焊縫之間出現(xiàn)疲勞損壞區(qū)，長此以往，就會產(chǎn)生大面積損壞區(qū)，不僅影響整個機(jī)組的使用，而且還可能會出現(xiàn)報廢情況。

2.2 廠房的的損壞

比上述情況更為嚴(yán)重的沖擊立式水輪機(jī)組共振，會發(fā)生機(jī)組設(shè)備與廠房共振的現(xiàn)象，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對廠房建筑及附近相關(guān)機(jī)組造成影響，而且也會使得水輪發(fā)電機(jī)的振動機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分發(fā)生更劇烈的摩擦。

2.3 破壞尾水管設(shè)備

水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，會在尾水管中形成渦流脈動壓力，伴隨著使用的頻繁及維護(hù)的不到位，會使尾水管壁在遭受強(qiáng)壓情況下發(fā)生斷裂情況，從而影響整個尾水設(shè)備的使用。

3 沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)組振動的原因分析

沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)不同于一般應(yīng)用動能的機(jī)械機(jī)組，其運(yùn)轉(zhuǎn)程序更加復(fù)雜一些。因此，對其振動因素的分析情況也更加復(fù)雜。首先，要考慮的因素是，水輪機(jī)組在自己作業(yè)運(yùn)行的情況下，一定會伴隨著強(qiáng)烈的振動情況；其次，沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行會伴隨著自身壓力，而且發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會帶來自身的電磁力及相關(guān)零部件的振動，使得零件及連接部位發(fā)生相互撞擊及碰撞，從而產(chǎn)生大幅度是振動。圖1是沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)組的剖面圖。

以下針對沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)組的振動原因進(jìn)行分析。

3.1 機(jī)械方面的原因

沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)在自身運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生一定的干擾力，其形成原因主要是機(jī)械機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的摩擦力以及部件運(yùn)動產(chǎn)生的慣性，再加上其他一些作用力，就會使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中無法保持自身的平衡，如果在這種情況下，主軸的剛度不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)組的軸線不正，就會帶來機(jī)械損壞的嚴(yán)重后果。上述的這些原因都可以歸結(jié)為機(jī)械方面的因素。發(fā)生這種振動的主要特征是機(jī)組轉(zhuǎn)動的頻率及轉(zhuǎn)速是同步的，此時的振幅頻率及轉(zhuǎn)速的平方成正比。

3.2 水力方面的原因

水輪機(jī)在水中運(yùn)轉(zhuǎn)時，會經(jīng)歷水的壓力干擾，其特點(diǎn)是水的不可控制性。這種振動會在水輪發(fā)電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行或者無標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時較為嚴(yán)重，一些機(jī)組部件會在水力不受控制或者流量不夠均衡的情況下發(fā)生劇烈振動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機(jī)組及零部件斷裂。水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)組振動規(guī)律主要是取決于水頭的流量，一般會在具有較高負(fù)荷以及較低水頭的情況下，振動頻率才會降低，主要的振動原因取決于以下幾個方面：

第一，通流器件中水力不平穩(wěn)。水流的不可控制性，使其在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪時，發(fā)生不對稱的現(xiàn)象，從而會對機(jī)組產(chǎn)生一定的橫向阻力，從而使器件發(fā)生振動，這種情況會在低荷載或者零荷載時對機(jī)組造成高強(qiáng)度的振動。因此，通流器中的水力不穩(wěn)定情況會進(jìn)而造成流體的不對稱現(xiàn)象。

第二，尾部流通管產(chǎn)生渦流帶現(xiàn)象。水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組中的渦流帶設(shè)計較為復(fù)雜，在計算流體負(fù)載時，定槳式的流體輸送機(jī)要求局部負(fù)載達(dá)到最優(yōu)化，即器件的開度控制在40%～70%之間，也可以是達(dá)到最優(yōu)流體載量的30%～80%之間。這種情況下會使尾部的流通管中出現(xiàn)不平穩(wěn)的流體模式。

第三，卡門渦流。這種渦流主要是流體在進(jìn)入輪片輸出口時，會形成渦流列，在當(dāng)渦流列在輪片間來回沖撞時，會使其輪片受到水流的沖擊，而此時如果撞擊流與輪片轉(zhuǎn)速的振動頻率相同，就會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。如果情況嚴(yán)重就會使得輪片的底部及邊緣產(chǎn)生裂痕，并伴隨一定的噪音。

第四，尾部流通管安裝的位置較低。一般的沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)在安裝流體出口時會選擇較低的位置，這樣一來會使其出口的水流呈現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以在安裝轉(zhuǎn)槳式的流體輸出口時，如果沒有在轉(zhuǎn)彎之間設(shè)定好穩(wěn)定的水流狀態(tài)，就會形成周期性的水流沖擊，從而導(dǎo)致周圍相關(guān)部件的振動。

3.3 電氣因素造成的振動

沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，自身會產(chǎn)生一定的磁場力，從而引發(fā)相關(guān)機(jī)組的振動，此時發(fā)電機(jī)組在水流沖擊不平衡的情況下，就會使其三相電流出現(xiàn)故障，再加上機(jī)組的轉(zhuǎn)子接地在運(yùn)行過程中的故障及磁場不均的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電氣振動。這些因素中的轉(zhuǎn)子接地主要是由于，發(fā)生故障導(dǎo)致接地后會伴隨一定的短路情況，進(jìn)而使其運(yùn)行阻值變小，特別是在故障點(diǎn)如果流經(jīng)較大的電流量，極容易造成整體運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)組的電壓不穩(wěn)，使其水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重的振動現(xiàn)象。

4 沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)振動的處理對策分析

4.1 機(jī)械方面原因的應(yīng)對措施

首先應(yīng)將機(jī)組的精密度及同心度進(jìn)行提高測試，可以通過調(diào)整軸線、改變軸瓦間隙或者平衡相對改動等方法進(jìn)行解決。應(yīng)在對其機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行一定的測試及數(shù)據(jù)統(tǒng)計后，進(jìn)行計算及對比分析，從而得出機(jī)組運(yùn)行時振動最小的一組情況，分析原因，找到相關(guān)機(jī)械部位，進(jìn)行振幅調(diào)試，從而減輕機(jī)組振動，保證沖擊立式水輪發(fā)電機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

4.2 水力因素造成振動的主要應(yīng)對措施

可以通過兩種方式進(jìn)行處理，一種是將葉輪替換成可以減小水流阻力的型號，或者是將葉輪在水流流出的一方進(jìn)行削薄處理，從而將兩端的交流漩渦摩擦力減小；另一種是將卡門的渦流頻率及葉輪原有的頻率進(jìn)行更換，從而保證不與水流發(fā)生共振現(xiàn)象。

4.3 電氣因素造成振動的主要應(yīng)對措施

對于電氣因素造成的振動，要定期檢修測驗，在運(yùn)行的時候做到早發(fā)現(xiàn)早處理，多加強(qiáng)保護(hù)監(jiān)控，及時找出電氣故障并加以處理。

5 結(jié)束語

水力發(fā)電在現(xiàn)階段屬于應(yīng)用比較廣泛的發(fā)電手段，具有發(fā)電量大、成本相對較低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，但在實(shí)際操作中也會存在一定的問題。因此，呼吁相關(guān)部門及工作人員，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組振動問題的處理時，一定要落實(shí)實(shí)際，加強(qiáng)故障分析及人員維護(hù)，及早查明故障原因，及早進(jìn)行防患，從而提升水電工程的運(yùn)行效率。

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