基于金屬水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的因素及處理對(duì)策

胡寶玉

（中國(guó)水電十五局，陜西 西安 710000）

在水輪發(fā)電機(jī)組及內(nèi)部金屬構(gòu)件運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)故障不僅僅會(huì)對(duì)出現(xiàn)此類故障的部件造成塑性變形或者是彈性變形，同時(shí)也會(huì)使其出現(xiàn)裂紋甚至斷裂現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。因此，在發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行中，運(yùn)行維護(hù)人員一定要全面了解機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題的產(chǎn)生原因，并以此為依據(jù)來(lái)進(jìn)行處理。這樣才可以有效避免振動(dòng)故障所導(dǎo)致的機(jī)組運(yùn)行故障，讓設(shè)備得以正常運(yùn)行，維護(hù)電網(wǎng)安全。

1 金屬水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)概述

在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)現(xiàn)象主要是將機(jī)組作為其原動(dòng)力，借助于水能作用對(duì)發(fā)電機(jī)組起到激發(fā)振動(dòng)和維持振動(dòng)的作用，因此在水電站的整個(gè)發(fā)電過(guò)程中，水庫(kù)中的水能不僅僅能夠直接對(duì)金屬水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)起到激發(fā)和維持作用，同時(shí)也可以以這種間接的方式對(duì)發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)起到激發(fā)和維持作用。具體應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)組自身的特征直接決定著發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)情況。就結(jié)構(gòu)而言，金屬水輪發(fā)電機(jī)組的主要組成部分有兩個(gè)，其一是轉(zhuǎn)動(dòng)部分，其二是固定部分，具體運(yùn)行中，如果其中的任何一個(gè)金屬構(gòu)件出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)發(fā)電機(jī)組都可能會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)情況[1]。

作為一種旋轉(zhuǎn)類的機(jī)械設(shè)備，振動(dòng)是發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中不可避免的一個(gè)現(xiàn)象，所以只要將機(jī)組振動(dòng)控制在合理的范圍內(nèi)（主要頻率在1-5Hz，高頻和工作頻率在100Hz 以內(nèi)），振動(dòng)情況就不會(huì)影響整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行，并使其安全性和穩(wěn)定性得以有效保障。但是如果發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了過(guò)大幅度的振動(dòng)，且振動(dòng)超出了機(jī)組振動(dòng)的允許上限，就會(huì)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組連接松動(dòng)，靜止部件與轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間也會(huì)出現(xiàn)摩擦，進(jìn)而損壞掃堂，對(duì)機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)不利影響。下圖1 為立式混流式水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 混流式水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 金屬水輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)的危害分析

金屬水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)的主要危害表現(xiàn)在以下的幾個(gè)方面：第一，機(jī)組中的金屬部件焊縫將會(huì)出現(xiàn)疲勞損壞區(qū)域，如果原來(lái)有此類區(qū)域，則會(huì)導(dǎo)致區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致金屬部件斷裂報(bào)廢。第二，機(jī)組中的連接部件會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂情況，進(jìn)而導(dǎo)致其連接部位振動(dòng)加劇，加速部件連接處的損壞。第三，機(jī)組中各個(gè)金屬構(gòu)件的磨損程度將會(huì)加劇，比如，當(dāng)大軸出現(xiàn)劇烈振動(dòng)時(shí)，軸和軸瓦都會(huì)出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，如果溫度過(guò)高，就會(huì)將軸瓦或者是軸承燒毀；再比如，當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)劇烈振動(dòng)時(shí)，碳刷和滑環(huán)之間的磨損程度就會(huì)加大，進(jìn)而導(dǎo)致碳刷跳火花情況發(fā)生[2]。第四，如果振動(dòng)劇烈，尾水管內(nèi)的水流就會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)壓力過(guò)大現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致尾水管裂縫，嚴(yán)重的情況下可能導(dǎo)致鋼板整塊脫落。第五，如果出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，將會(huì)引起更加嚴(yán)重的后果，比如，當(dāng)機(jī)組設(shè)備與廠房之間出現(xiàn)共振時(shí)，整體設(shè)備以及廠房都有可能被毀壞；再比如，當(dāng)卡門渦列振動(dòng)接近葉片固有的振動(dòng)頻率時(shí)，將很容易導(dǎo)致共振現(xiàn)象發(fā)生，這種情況不僅會(huì)產(chǎn)生極大噪音，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。

3 發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)的產(chǎn)生因素

在金屬水輪發(fā)電機(jī)組的日常運(yùn)行過(guò)程中，異常振動(dòng)情況的主要產(chǎn)生因素有三種，第一是水力因素，第二是機(jī)械因素，第三是電磁因素，具體情況如下。

表1 金屬水輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)主要產(chǎn)生因素

4 發(fā)電機(jī)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常振動(dòng)問(wèn)題的處理策略

通過(guò)以上的分析可知，設(shè)備在具體運(yùn)行過(guò)程中，金屬構(gòu)件異常振動(dòng)故障的主要原因包括水力方面的原因、機(jī)械方面的原因以及電磁方面的原因。而在具體的異常振動(dòng)問(wèn)題處理過(guò)程中，運(yùn)行維護(hù)人員需要憑借足夠的專業(yè)知識(shí)和豐富的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，采用觀、聽(tīng)、感等的多種方法來(lái)進(jìn)行故障確定。在確定了故障原因及其位置之后，便可以采取有效的措施來(lái)解決異常振動(dòng)故障，保障機(jī)組的正常運(yùn)行。

4.1 不同因素所導(dǎo)致的異常振動(dòng)處理

一是導(dǎo)葉開(kāi)度比較小，剪斷銷被剪斷，或者是蝸殼內(nèi)存在渣滓等的情況下，水力就會(huì)失去平衡，金屬水輪發(fā)電機(jī)組也就會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng)現(xiàn)象。這種振動(dòng)的主要特征是從轉(zhuǎn)輪室內(nèi)發(fā)出噪聲，水導(dǎo)軸承擺渡大于允許值，水機(jī)室內(nèi)出現(xiàn)較大振感，頂蓋位置的水平板也超出允許范圍。在此類故障的處理中，首先應(yīng)對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行檢查，如果開(kāi)度不一致，就需要立刻停機(jī)，將前池閘門和尾水閘門關(guān)閉，然后對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，在此過(guò)程中應(yīng)做好相應(yīng)的安全措施。在調(diào)整好導(dǎo)葉開(kāi)度之后，應(yīng)對(duì)上下導(dǎo)軸承以及水導(dǎo)軸承進(jìn)行全面檢查，并做好異常處理，處理好后再開(kāi)機(jī)試運(yùn)行。如果剪斷銷被剪斷，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)程來(lái)進(jìn)行處理。如果蝸殼內(nèi)存在過(guò)多渣滓，應(yīng)將前池閘門和尾水閘門關(guān)閉，然后將進(jìn)入孔打開(kāi)，對(duì)蝸殼內(nèi)部進(jìn)行清理，清理好后應(yīng)對(duì)上下導(dǎo)軸承以及水導(dǎo)軸承進(jìn)行全面檢查，并做好異常處理，處理好后再開(kāi)機(jī)試運(yùn)行[3]。

二是調(diào)速器出現(xiàn)溜負(fù)荷現(xiàn)象，在某一個(gè)寬度自動(dòng)關(guān)閉，前有太多渣滓，泄水錐從準(zhǔn)輪內(nèi)脫落或者是前池水位過(guò)低等的情況，都會(huì)導(dǎo)致尾水管出現(xiàn)渦帶或者是空腔壓力過(guò)大情況，機(jī)組便會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)。對(duì)于此類振動(dòng)故障，在處理過(guò)程中，如果是調(diào)速器出現(xiàn)了溜負(fù)荷現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)其開(kāi)度進(jìn)行迅速調(diào)整，運(yùn)行中將振動(dòng)區(qū)域避開(kāi)，并對(duì)機(jī)組具體振動(dòng)狀況進(jìn)行檢查，如果頂蓋垂直或水平振動(dòng)依然在允許值以上，應(yīng)立即停機(jī)處理，并做好相應(yīng)的安全措施。具體處理中，需要對(duì)上下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承、定子和轉(zhuǎn)子間隙、推力軸承等進(jìn)行全面檢查，如果定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙不夠均勻，轉(zhuǎn)子中心偏移，應(yīng)對(duì)其中心重新調(diào)整，并對(duì)上下導(dǎo)軸承、推力軸承以及水導(dǎo)軸承進(jìn)行重新調(diào)整。調(diào)整好后再開(kāi)機(jī)試運(yùn)行。如果前池存在過(guò)多渣滓，需要停機(jī)清理后再開(kāi)機(jī)試運(yùn)行，如果頂蓋依然存在異常振動(dòng)，則需要依照調(diào)速器溜負(fù)荷的處理方法進(jìn)行停機(jī)處理。如果前池水位過(guò)低，應(yīng)立刻停機(jī)注水，待到水位達(dá)標(biāo)之后再開(kāi)機(jī)試運(yùn)行。

4.2 機(jī)械因素所導(dǎo)致的異常振動(dòng)處理

對(duì)于金屬水輪發(fā)電機(jī)組上下導(dǎo)軸承、推力軸承或者是水導(dǎo)軸承產(chǎn)生的異常振動(dòng)，其軸承部位會(huì)出現(xiàn)噪聲和松動(dòng)情況，噪聲越來(lái)越大，頂蓋和上機(jī)架位置振動(dòng)也越來(lái)越大，垂直或水平振動(dòng)超過(guò)了限值，各軸承擺渡可能在允許值以上。此時(shí)，上下導(dǎo)軸承或者是水導(dǎo)軸承可能出現(xiàn)升溫現(xiàn)象。對(duì)于這種情況，一定要及時(shí)進(jìn)行處理，否則將會(huì)導(dǎo)致推力瓦或者是軸瓦被燒毀、抗震螺栓斷裂或者是軸承破壞等的諸多嚴(yán)重事故，甚至?xí)捎谵D(zhuǎn)子與定子之間摩擦嚴(yán)重而出現(xiàn)不同程度的破壞。在對(duì)此類故障進(jìn)行處理的過(guò)程中，應(yīng)立刻停止機(jī)組運(yùn)行，并做好相應(yīng)的安全措施，然后按照機(jī)組具體異常振動(dòng)特征來(lái)進(jìn)行各個(gè)軸承的檢查，并對(duì)定子和轉(zhuǎn)子間隙進(jìn)行檢查，如果只有上下導(dǎo)軸承或者是水導(dǎo)軸承出現(xiàn)了軸瓦松動(dòng)情況，其他部件都正常，則可以對(duì)上下導(dǎo)軸承或者是水導(dǎo)軸承進(jìn)行調(diào)整[4]。如果定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙變得不均勻，轉(zhuǎn)子中心發(fā)生偏移，則需要對(duì)其中心進(jìn)行重新調(diào)整，同時(shí)應(yīng)該對(duì)上下導(dǎo)軸承、推力軸承以及水導(dǎo)軸承進(jìn)行合理調(diào)整。在處理好之后應(yīng)開(kāi)機(jī)空轉(zhuǎn)試運(yùn)行，在確定無(wú)異常之后方可正常使用。

4.3 電磁因素所導(dǎo)致的異常振動(dòng)處理

一是轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路或者是鐵芯松動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)異常，在啟動(dòng)時(shí)變會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)，勵(lì)磁電流也會(huì)隨之增加，其振動(dòng)幅度會(huì)越來(lái)越大，如果將勵(lì)磁去掉，振動(dòng)也將隨之消失。對(duì)于此類問(wèn)題，在處理中需要停機(jī)，且需要做好相應(yīng)的安全措施，對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯以及線圈進(jìn)行檢查和處理，待到處理好之后再開(kāi)機(jī)試運(yùn)行。

二是定子鐵片、鐵芯出現(xiàn)松動(dòng)而引起了機(jī)組的異常振動(dòng)，其主要的特征是時(shí)常會(huì)出現(xiàn)“吱吱”聲，或者是“嗡嗡”聲形式的電磁感應(yīng)噪聲，且定子鐵芯會(huì)出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，在定子的徑向以及切向上將會(huì)出現(xiàn)50HZ ～100HZ 的振幅頻率，如果將勵(lì)磁去掉，振動(dòng)也將隨之消失[5]。對(duì)于此類問(wèn)題，需要進(jìn)行停機(jī)處理，在做好相應(yīng)的安全措施之后，首先需要對(duì)定子鐵芯進(jìn)行檢查，將壓力加大，讓定子鐵芯被頂緊，以此來(lái)保障其固定效果。在處理好之后需要開(kāi)機(jī)試運(yùn)行，待到確認(rèn)恢復(fù)正常之后再投入正式運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在發(fā)電機(jī)組的具體運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)是一種常見(jiàn)現(xiàn)象，如果可以將振動(dòng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，機(jī)組的正常運(yùn)行就能得到有效保障，但是一旦振動(dòng)超過(guò)了允許的限值，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性就會(huì)受到一定程度的不利影響。通過(guò)大量的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組及內(nèi)部金屬構(gòu)件異常振動(dòng)問(wèn)題的主要原因是水力、機(jī)械以及電磁這三個(gè)方面的問(wèn)題。所以在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，運(yùn)行維護(hù)人員一定要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)準(zhǔn)確分析具體的振動(dòng)產(chǎn)生原因，并通過(guò)合理的措施來(lái)加以處理。通過(guò)這樣的方式，才可以有效消除金屬水輪發(fā)電機(jī)組的異常振動(dòng)問(wèn)題，保障發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為水電站的良好發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。