水電站機組及廠房振動特性研究

徐曉犁

【摘要】隨著我國社會經濟的不斷發展，電力行業也在逐漸崛起，而發電機在水電站的運行過程中起著非常重要的作用，一定要確保發電機的良好運行。異常振動就是一項非常常見的故障，而且也是非常重要的，一定要對其引起重視，該文對水電站發電機和機房異常振動故障造成的危害以及發生的原因和解決措施進行了詳細分析，希望能夠確保發電機在水電站中有效運行。

【關鍵詞】水電站;機組;廠房;振動;特性

1、水電機組運行振動分析

振動問題是水力發電技術中發電機組普遍存在的問題，基本上難以避免。水電機組的各部件在工作當中不可避免的會產生振動，但是振動幅度一般有固定的范圍，若是振幅超出范圍之外，很有可能會直接影響整個水電機組的安全，使之使用壽命減少。在水電機組運行過程中，受機械慣性、摩擦力的影響不免會出現震動問題，這些因素所導致的震動往往是機械震動，其原因是由于轉子質量不平衡、軸承存在缺陷、機組軸線位置錯誤所造成的。如果水電機組是由于動水壓力而導致振動現象的出現，那么其水利部分造成震動問題則主要是由于以下三個因素造成的，即水力不均、渦輪開裂、尾水管不穩定所造成的。除此之外，如果水電機組受電磁干擾過大也會導致振動現象的發生，其主要原因是由于電機短路、發電機相位不對稱造成的。但不論是何種因素造成振動問題，需要認識到的是，任何振動現象都會對水電機組造成非常大的危害，正因如此，在水電機組的維護上必須要采取科學合理有效的措施及時預防、出現問題技術處理才能夠避免故障發生。

2、水電機組運行中的穩定性與產生振動的具體改進措施

2.1 加強設計的合理性

在設計水電機組的過程當中，不能只盲目追求參數高，有時候參數較低的水電機組的穩定性也相當好。在通常要求機組高效率工作的時候，就必須適當減少葉片數目與厚度，這樣就直接造成了水電機組的穩定性過低。在設計葉片的時候，可以考慮采用×型并且有負傾角的葉片，這種葉片能夠很好的適應變化較大的高水頭。同時，還可以依照各個水電站的不同情況來選用合適的葉片數目與長度。

2.2 制造工藝的改進

水輪機過流表面形成翼型是最為理想的水利設計，但是要想實現這一理想，必須加強工藝改進措施。精鋼型的鑄件，經數控機床加工過的轉輪葉片等等一些措施都能改善因水利不平衡和重量差異引發的問題。同時，為了避免出現裂紋，還可以選用探傷、焊接及熱處理工藝來降低機組殘余力。在岸灘電站中，曾出現過因為轉輪葉片出口中出現的壓力脈動而導致共振的現象，甚至會因為共振引發水邊裂紋。要想避免這一狀況的出現，可以采用先進的制造工藝來進行真空精煉，有效預防這一問題的產生。

2.3 安全運行

水電機組在運行過程當中必須要嚴格依照相關操作規程與技術規范進行，如機組啟動、停機、加載卸載等環節都應該科學合理對待，一旦盲目操作水電機組或急開急、停機組都會導致葉片出現開裂現象。尤其是對于一些額定水頭值較低的機組而言，必須要加大高水頭符合穩定性的改善力度，只有這樣才能夠真正緩解和提升發電機出力程度，進而拓寬水電機組的負荷調節范圍，防止避免葉片出現開裂，造成水電機組運行振動。

3、水電站廠方結構振動原因分析

3.1 水輪機組動荷載相對增大。大型水輪機由于流量大、容易受到干擾的原因，其壓力相對于中小型機組要大得多。大型水輪機組用以承受壓力動脈部件的面積越大，其產生的動荷載也隨之變大。

3.2 振動體固有頻率降低，而共振可能性增大。水輪發電機組的轉速屬于十低轉速旋轉，其各種激發力的頻率都比較低。大型水輪機組振動部件的固有頻率也相對較低，易十被低頻激振力激發時，則會產生共振，共振體可以是水體也可以使固體。如普遍存在于水電站發電過程中的引水管路水體共振情況，其可能會引起個別發電機組在停機過程中產生劇烈的振動現象。

3.3 振動體剛度相對降低。在保持靜應力和幾何相似相等的情況下，機組部件及廠房結構的剛度會隨著其線性尺寸的增大而減小。所以，可以定性的說，中小型機組的的支持部件及轉輪葉片的剛度要比大型機組高。在相同的激振荷載下，大型機組的振動相對于中、小型機組大很多。此外，還應注意到，單純以強度作為設計的目標、簡單的幾何放大，且不采取有效的預防措施，可能是致使某些大型水力機組穩定性不好的根本原因。

4、水電站廠房抗振設計研究

4.1 振動傳遞途徑的優化。由于廠房剛度、強度以及抗振的需要，大、中型水電站的風罩的設計要求是，不采用有利于垂直抗振的設彈性墊層簡支的連接方式，而應使風罩整體連接發電機層樓板。電機層樓板下的立柱可以增強樓板的剛度，但在蝸殼頂板上一般要盡量避免布置，因此，對于立柱的設置問題要進行充分的考慮。對于水電站廠房的構架柱，則應將力直接傳到廠房一期混凝土上，同時不宜設計在尾水管的頂板上，最合適的方式是恰好落在尾水管的分流墩上。

4.2 鋼蝸殼外圍混凝土澆筑方式的選擇。為提高水輪機組的基礎剛性，應采用“充水保壓”蝸殼外圍混凝澆筑方式進行澆筑，我國三峽水電站就是采用了這一方式。其原理是，鋼蝸殼外圍二期混凝土的建立采用了彈性墊層方案，蝸殼外圍不能有效的嵌固蝸殼中可能存在的水壓脈動，如果采用“充水保壓”的澆筑方式，有利于鋼蝸殼與其外圍鋼筋混凝土緊密接合而成為一個整體，從而使外圍混凝土有效嵌固座環和蝸殼，提高水輪發電機機組運行時的穩定性。

4.3 廠房結構布置通常水電站廠房的上、下游邊墻適宜采用實體墻結構進行建造，且應和發電機層的樓板固結，現澆鋼筋混凝土肋形樓蓋應用于發電機層樓板的建造。對于根據相關參數計算得出可能較容易發生較大振動的部位，應對其加大板厚，而后在其板內連續配筋。此外，在發電機層樓板上不應鑿設過多的用于通風等的孔口，預防割裂發電機層樓板的整體性。

參考文獻：

[1]張存慧.大型水電站廠房及蝸殼結構靜動力分析[D].大連理工大學，2010，17（08）：650-653

[2] 楊平，周令.水電站水輪發電機端部渦流損耗計算研究綜述[J].湖南農機，2013（3）：60-61.