混流式水輪發電機組振動因素淺析

楊書

【摘要】通過針對混流式水輪發電機組常見的各種振動現象及其發生原因進行分析，提出了水輪發電機組振動判斷的基本方法，找出振動原因，探討解決及消除振動方法。

【關鍵詞】混流式水輪發；電機組；振動分析；穩定運行

1、水輪發電機組振動概述

水輪發電機組的振動是以水輪機為原動力，水的能量是激發或維持機組振動的最根本能源，水流流經水輪機蝸殼、座環、固定導葉、活動導葉、轉輪以及尾水管等過流部件時，由于這些過流部件在設計、制造、安裝過程中的誤差，形成不對稱的水流作用力矩及水流脫流，同時當轉輪遠離無撞擊進口和最優水流出口運行時，內部流動狀況變壞，產生脫流和渦帶，形成壓力脈動，引起水輪機本體甚至相鄰混凝土結構振動，嚴重時會導致構件疲勞破壞。運行工況變化時，葉片進口水流的沖角、出口環量的大小和方向也隨之變化，誘發水輪機水力振動，它既可直接激發并維持機組的振動，也可間接激發或維持機組振動，從振動的發生情況看，有的是水輪機本身的水力特性所決定的，有的是由于水輪機設計流道問題產生的。發電機是將水輪機的機械能轉換為電能的裝置，在轉換過程中，由于某些方面如設計、制造、安裝或參數配合不當也會引起發電機的振動。從結構上講，水輪發電機組可以分成兩大部分：轉動部分和固定部分，它們中任何一個部件存在機械缺陷時都可能引起機組的振動，而這些缺陷可能是由設計、制造、安裝等任何一個環節所引起。因此通常來說水輪發電機組有五大振動部件上機架、定子、下機架、頂蓋、轉動部分。

2、水輪發電機組振動的類別

常規振動大概可分為以下四種情況：水輪機水力振動；高中低頻壓力脈動振動；尾水管壓力脈動振動；空腔氣蝕引起的振動；異常振動主要分為以下三種情況：共振，它可能出現在機組的轉動部分、葉片、水體、定子鐵心等處；自激振動，水輪機中自激振動主要由梳齒迷宮泄漏所引起；水體共振及其引起的機組強烈振動，流道中任何部分的水體部分都可能發生共振。

在水輪發電機組振動中，轉子不平衡也是一個非常突出的問題，不平衡是旋轉機械最常見的故障。不平衡包括機械、水力、電氣不平衡。無論什么不平衡，產生的根源缺陷一定在轉動部分上，不平衡的頻率一定是轉速頻率。

2.1 機械不平衡

立軸機組擺度包含主軸軸線曲折、軸的彈性變形、導軸承間隙。轉子不平衡主要產生于制造和安裝階段各種偏差以及材質不均勻，運行階段部件磨損松動和脫落等；其他情況以不平衡的面貌出現，屬于不平衡的范疇。引起轉子不平衡的原因可以分為轉動質量不平行原因、軸線原因，如軸線的曲折度弓狀回旋引起，軸線與推力鏡板不垂直，鏡板和推力軸承不水平，各種軸承不同心等所引起。

2.2 磁力不平衡

磁力不平衡主要指沿發電機轉子四周磁拉力不對稱的情況。其產生原因是轉子不圓，轉子旋轉中心與幾何中心不一致；電氣方面的原因，如磁極匝間短路。經驗表明，磁不平衡常與機械不平衡共生，磁不平衡力只與空載勵磁電流以下的范圍成比例關系。

2.3 水力不平衡

水力不平衡由轉輪葉片和流道形狀以及活動導葉數量不匹配所引起，它與機組的過流量成一定比例關系。常規情況下也把由梳齒間隙周期變化引起的間隙壓力脈動歸入其內。間隙的周期變化可由梳齒轉動部分不圓或軸的擺度所引起，由此可見，機組機械不平衡、電磁不平衡和水力不平衡之間可以相互影響，并且能夠共同存在。

3、機械原因引起的振動及分析

機械故障引起的振動，其頻率和轉頻相同或成整倍數關系。不同原因引起的振動還有自己的特征，機械故障的偶然性和多樣性，不像有些水力或電磁振動那樣有一定的規律。要識別它們，需要對機組各部分的結構、性能、加工、安裝工藝等有一定的了解，同時，實踐經驗和同類別的電站情況的積累有助于迅速地識別和排除故障，以下來分析混流式水輪發電機引起機械振動的原因。

3.1 軸線中心偏移

由于軸承中心線偏斜或偏移、主軸的彎曲、滑轉子與軸承的間隙以及承載后轉子與軸承的變形等原因都將引起軸線中心。其影響是產生不平衡離心力，增大轉子弓狀回旋半徑，引起梳齒中較強的壓力脈動，有時還會引起機組的自激振動；有的水電站運行經驗表明，軸線偏差情況還會產生兩倍頻的附加徑向力和擺度，還會有一個轉頻的附加軸向力作用在推力軸承上。

3.2 軸瓦間隙超差

其它條件不變時，軸瓦間隙的大小直接決定轉子弓狀回旋半徑，基本規律是間隙有多大，擺度幅值就有多大；軸瓦間隙增大，大多是在機組運行一段時間后出現的，主要原因分為兩點，一是徑向不平衡力較大導致磨損增大，二是軸瓦鎖定支持部件的設計不夠合理導致軸瓦松動。

3.3 鏡板水平

鏡板不平主要是由于加工和安裝上的缺陷所造成的，在機組盤車過程中可以通過數據檢查，運行過程中其特征為擺度波形上有明顯的兩倍頻。

3.4 推力頭松動

推力頭松動指推力頭內孔和軸頸間存在間隙。當推力頭松動時機組振動、擺度的特點為機組運行時的動態軸線姿態會發生突然變化，機組的振動、擺度忽大忽小，呈不穩定狀態；而且推力頭松動也會給機組單次盤車帶來不穩定的數據。

3.5導水機構不匹配

導水機構活動導葉葉片與轉輪葉片不匹配也是會引起相位振動，水流在蝸殼與轉輪室流道中相互干擾，水流每經過一個導葉間流道沖擊轉輪葉片時，均產生周期性壓力脈動，這種壓力脈動會根據機組負荷的增加而增大，從而引起壓力鋼管、蝸殼、頂蓋及整個廠房的共振，直接影響水電站安全運行。

4、電磁因素引起的振動及分析

按照振動頻率，水輪發電機的電磁振動可分為磁轉頻振動和極頻振動兩類。理論上極頻磁振動的頻率是100赫茲及其整倍數，實際上主要為100赫茲。極頻磁振動只在共振時才比較明顯。因此實際工作中要特別注意共振的情況。

4.1 極頻振動產生的主要原因：

（1）定子分數槽次諧波磁勢，它引起的振動頻率為100赫茲，振幅隨負載電流的增大而增大。

（2）定子并聯支路內環流產生的磁勢，定子各相沿圓周分布有很多線圈，它們并聯在一起構成支路，把支路再組合起來構成繞組；并聯支路有兩種布置方式，一種是分布布置，另一種是集中布置；水輪發電機通常采用集中布置方式，當支路集中時，轉子的偏心將在支內引起環流，它能產生一系列的不對稱的次諧波勢，與分數槽次諧波類似，它也能引起定子的極頻振動，振動頻率為100赫茲。

（3）負序電流引起的反轉磁勢，當定子三相負載不對稱時，繞組會產生負序電流，即相序相反的磁場，它與主磁場疊加產生一個空間次數P=0的磁場，引起定子鐵芯作駐波式的振動。

（4）機座合縫錯位、定子鐵心疊片松動等均會引起振動。

4.2 振動原因的判斷

不同原因引起的振動特點，主要表現為其振型不同，測出定子鐵芯對應某一振型的固有頻率來判斷共振，一般試驗項目為以下四個部分：

（1）變負荷試驗，在同步轉速下逐次改變發電機的負荷，測量100赫茲振動隨定子電流變化情況，由此確定是否由定子電流次諧波引起。

（2）小負荷變速試驗，通過變速試驗確定鐵芯固有頻率，通過對共振時振型的測量確定產生共振的力波的次數和諧波的次數。

（3）空載，分別在并聯支路打開和閉合的情況下進行衡勵變速試驗，如果兩種情況下振動沒有差別，表明環流影響較大，在后一種情況下，還可以確定鐵芯的共振頻率和相應的振型。

（4）負序電流變速試驗，分別改變負序電流和轉速，測出定子鐵芯100赫茲振動隨負序電流的變化和定子鐵芯振型。

5、水力因素所引起的振動及分析

水力振動相對于水力工況而言是比較穩定的，由水力所激發的壓力脈動的完全相似是十分困難的，而且完全的水力計算目前還無法進行，只能進行一些局部的計算，但是壓力脈動的影響是可以預防的，水輪發電機組的水力振動主要有以下幾個方面：

5.1 尾水管渦帶

渦帶有實心渦帶和空腔渦帶兩種形態，螺旋狀渦帶將引起壓力脈動，注意渦帶壓力脈動與工況的關系（水頭、流量、空化系數），尾水管渦帶壓力脈動的特點有頻率約為轉速頻率的四分之一，出現在以50%額定負荷為中心的30%～70%范圍；渦帶壓力脈動對機組運行的影響主要在于振動、擺度、功率擺動及其它附加影響，一般采用尾水管補氣來減少尾水管的渦帶壓力脈動，補氣效果的關鍵在于自然補氣的補氣量及補氣方位。

5.2 類轉頻壓力脈動

所謂類轉頻，是指其頻率接近轉速而又不等于轉速，其頻率范圍為（1.01～1.3）fn；（0.7～0.99）fn。它對機組振動的影響主要是機組的垂直振動和全水力系統的強烈壓力脈動，一般出現在額定功率25%或75%左右（隨水頭大小而變化），振動范圍很小；值得注意的是，類轉速壓力脈動只有在水體共振的情況小才顯示其影響，所以其預防的關鍵在于進行共振校核。

5.3 梳齒止漏裝置中的壓力脈動

當梳齒中間隙發生周期性變化時，就會在其間隙中產生壓力脈動，梳齒壓力脈動一般為轉頻，并作為總水力不平衡的一部分；梳齒迷宮中壓力脈動達到一定程度并且和大軸的擺度方向成一定角度時，就可能引起轉動部分的自激振動，梳齒迷宮引起的自激振動的情況主要與梳齒迷宮的結構和尺寸密切相關。

5.4 卡門渦

卡門渦是水流繞流物體在尾部兩側交替產生的周期性流動分離現象，水輪機中的卡門渦受工況和結構的影響特別強烈，它主要影響在于引起水輪機固定導葉、活動導葉、轉輪葉片和局部水體的共振，在進行轉輪葉片共振判斷分析時，主要觀察其是否有強的頻率比較單一的噪音或金屬共鳴聲。

5.5 其他類型的水力振動

在水輪發電機組中，還存在一些如轉輪葉片進口邊附近的脫流引起的振動和噪音及導葉葉道流速分布不均勻產生的壓力脈動等類型。

5.6 振動原因判斷基本方法

利用已有的知識對試驗和觀察結果進行分析、歸納、比較，然后做出判斷；分析和判斷水力、機械和電磁三者的影響；和已知的振動實例進行比較分析，查找相關的學術文章；分析振動部件的振型及部位，對比各測量值之間的關系；分析振動性質，有無共振及異常情況，論證進行下一步試驗工況。

6、結束語

造成機組振動的因素很多，水輪發電機組如出現以上任何因素的振動對水電站安全穩定運行危害都特別大，現實中看到的振動是由許多獨立振動體系耦合成的系統，有相互削弱的，也有疊加加強的，還有改變方位的，通過研究消除降低振動的方法，應該從系統中找出獨立振動源，根據其特性逐個加以解決，消除水輪發電機組本身運行中存在的超標振動，才以保證水電站的長期安全穩定運行生產。