淺析水輪發電機組振動

劉學林++++趙正輝++++魏中正

摘 要：對水電工程中經常出現的機組振動問題進行分析，并結合國內外水電工程的特點，提出了機組振動問題的解決思路和建議。

關鍵詞：國際水電工程；水輪機；機組振動

隨著我國水電建設的不斷發展，我國建設的水輪發電機組的水頭、容量不斷增多，機組振動問題日益突出，對電站的安全運行和設備使用壽命造成了不利影響[1]。而水輪發電機組的運行工況復雜，振源較多，引起機組振動的因素往往疊加出現，振動的測試、分析與消減難度很大。所以研究機組振動的產生原因、危害和防治具有重要的理論意義和經濟意義。

一、水輪發電機組振動的產生

由于水輪發電機組在實際運行過程中工況復雜，所以引起機組振動的原因很多，主要有水力振動、電磁振動和機械振動。

（一）水力振動

水輪發電機組水力振動主要由于機組出力和水頭波動、過流部件的水壓力脈動和調速器系統震蕩引起的。例如，尾水管渦帶、卡門渦列和狹縫射流誘發的振動都與水壓力脈動有關。

（二）電磁振動

電磁振動主要由設計參數不匹配或是制造、安裝不當，造成發電機工作時磁拉力不平衡而產生的機組振動。轉子圓度不夠、轉子旋轉中心偏移或定子鐵芯松動都是造成磁拉力不平衡的原因。

（三）機械振動

機械振動主要由轉動部件質量不平衡、偏心或軸承間隙調整不當引起。其中轉動部件質量不平衡而引起的弓狀回旋是機組振動的最常見現象。

我們把轉子（如圖）理想化為一質密圓盤來分析并假定：

1、當角速度ω=0時，圓盤的幾何中心與回轉中心重合；

2、忽略轉軸的阻尼效應；

3、由于質量分布不均所產生的偏心距（重心w至o1的距離）為e；

當軸以角速度ω旋轉時，由于失衡質量慣性力的作用，軸將產生彎曲變形，其中心o1獲得撓度y。現將o、o1、w三點表示在與旋轉中心線垂直的A-A平面上（如圖c）由于不考慮阻尼，o、o1、w將共線，并且隨同旋轉的離心力作用帶動圓盤轉軸產生彎曲變形，其中心o作圓周運動。這種運動狀態稱為弓狀回旋，幾何中心的回轉半徑（撓度）就是振幅。

作用于圓盤上的離心力

P=m（y+e）ω2 式中m為圓盤質量

由于軸的彎曲變形而作用在圓盤上的彈性恢復力為ky（k為彈性系數）。對于穩定的弓狀回旋，上述二力必須相等。

m（y+e）ω2=ky

即：y=meω2/（k-mω2） （1）

上式表明：1）回轉半徑隨偏心距的增大而增大；

2）回轉半徑是角速度ω的函數。

即：y=f（ω）

當k-mω2=0，即ω=時，y，在理論上軸將折斷，但實際上由于存在軸承的限制作用和其他一些因素的影響，最終出現軸的劇烈振動。這一角速度稱為臨界角速度，并以ωc表示。

c可以用每分鐘的轉數表示如下：

（2）

我們知道，質量——彈簧系統的自振頻率=圓盤與軸組成的系統，同樣可以看成是一個簡單質量——彈簧系統。因此式（2）表明，n與帶有圓盤之軸的自振頻率重合：

c就是通常所說的“臨界轉速”。

當軸以臨界轉速旋轉時，將產生劇烈的橫向振動，這正是一種共振現象。這種共振對水力機組的安全穩定運行危害非常大，而且最為常見。

二、水輪發電機組振動的危害

劇烈的振動會破壞機組的正常工作狀況，導致轉動部件和靜止部件之間的摩擦加劇影響零部件使用壽命。經常性的振動還能引起金屬疲勞，使各連接處和接合處發生松動，導致部件出現裂紋甚至斷裂[2]。當振源頻率與機組或廠房固有頻率接近引起共振時，可能引起機組解列甚至水工建筑損壞。如果振動值長期超過振動允許值，不僅對機組正常運行不利，更將危及電站安全運行。由此可見，減小機組振動對于提高機組運行的可靠性和延長機組的使用壽命具有重大意義[1，2]。

三、水輪發電機組振動的防治

（一）振動的防治

根據以上對機組振動產生的原因的分析可知，有些機組振動是可以消除的，但有些機組振動是不可避免的。因此，我們只能盡可能的把機組振動限制在一定范圍內。機組在安裝或檢修后必須進行試運轉，我國根據長時間的工程經驗規定了在額定轉速下對振動進行測量其測量部位及振動允許值并收入標準《GB/T8564-2003 水輪發電機組安裝技術規范》。

為了解機組的振動值大小和分析振動產生的原因，現場振動測試得到了普遍應用。振動測試為保證機組振動值在允許值范圍內和解決振動問題提供了依據[3]。在機組安裝完成后，根據測試數據可分析振動產生的原因并采取相應的措施。

下面簡單介紹下工程實際中一些常見的避免或減輕、消除機組振動的方法：

1、機組設計時采取措施，盡量減小磁軛不均勻產生的徑向位移，優化接線方式，減小次諧波的值；

2、根據轉動部件在水中的模態和頻率，應用斷裂力學預測部件的疲勞破壞[4]；

3、在制造、安裝過程中嚴格把控定子、轉子的圓度及同心度；

4、提高制造、安裝質量，減小誤差，保證機組支承件有足夠的強度；

5、對因轉子質量不平衡，產生弓狀回旋而引起的振動，大、中型低轉速機組可以在轉子組裝前對磁極、輪轂支臂、磁軛壓板、制動閘板、磁極引線稱重，進行靜平衡計算。并在磁軛鐵片迭裝前按規范要求對磁軛鐵片按重量進行分類，并按分類情況編制磁軛鐵片堆積表，按表堆積。磁軛組裝完成后，根據堆積情況和每個磁極重量，掛裝位置計算轉子整體不平衡重量，如不平衡重量仍超過規范要求，則需要在相應位置進行配重，并進行動平衡試驗，根據試驗結果調整配重，以減小或消除由于轉子靜不平衡所產生的振動；

6、對由于主軸出現不同心或折線而引起的振動，可在盤車是著重控制進行調整；

7、對因發電機磁拉力不均勻引起機組振動，可通過軸線調整使發電機空氣間隙均勻來消除或減小磁拉力不均勻引起機組振動；

8、對因導軸承間隙過大、推力軸承各支柱變形值偏差過大而引起機組振動，可通過調整導軸瓦間隙和調整推力軸承各支柱受力來減小機組振動；

9、在機組運行過程中，將機組振動測試運用到振動分析中，增強決策的依據[5]。

參考文獻：

[1]董毓新.水輪發電機組振動[M].大連理工大學出版社，1989

[2]李啟章.對大型機組振動、裂紋問題的探討[J].水電站機電技術，2003（s1）：17-19

[3]黃長征，李錦.水輪發電機組振動技術研究[J].韶關學院學報2013，34（12）：30-35

[4] LIU Xiao-bing，CAO Shu-you.Numerical prediction of vortex flowing hydraulic turbine draft tube for LES[J].J.of Hydrodynamics，2005，17（4）：448—454.

[5]江學文，劉海燕，王興芳.水輪發電機組狀態監測技術應用研究[J].水電與新能源，2013（2）：17-22.endprint