水輪發電機組振動產生的原因分析

何芙蓉

摘 要：本文從大灣二級電站#1水輪發電機組振動超標的故障出發，闡述水輪發電機組常見振動現象、振動原因及振動判斷方法，為水電站生產管理、運行、檢修人員提供參考意見，以便制定出相應的預防和消振措施。

關鍵詞：水輪發電機組 振動原因 分析

中圖分類號：TM312文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2020）06-0-01

一、概述

大灣二級電站總裝機容量為3×2096.5KW。水輪發電機組由南寧發電設備總廠生產，機組設有上導軸承、推力軸承、水導軸承。機組的上導軸承、下導軸承和推力軸承均采用油浸式自循環冷卻方式。

#1機組于2017年3月份開機后，機組振動在規定范圍之內，連續運行兩個月后機組徑向振動開始增大，最大達到65μm。8月份檢修時我們對下導軸承軸瓦間隙重新進行了調整，調整后軸瓦間隙均符合檢修標準。檢修后機組在空載情況下，導軸承和推力軸承溫度均勻正常再次開機運行，機組振動降到規定范圍之內。運行到9月底振動再次升高，達到67μm。

二、水輪發電機組振動過大的危害

振動是旋轉機械不可避免的現象，若能將其振幅限制在允許范圍內，就能確保機組安全平穩運行。但較大振動對機組安全是不利的，會造成如下危害：

a）使機組各連接部件松動，使各轉動部件與靜止部件之間產生摩擦甚至碰撞而損壞;

b）引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴大裂縫甚至斷裂;

c）尾水管低頻壓力脈動可使尾水管壁產生裂縫;當其頻率與發電機或電力系統的自振頻率接近時，將發生共振，引起機組出力大幅度波動，可能會造成機組從電力系統中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。

三、水輪發電機組振動產生的原因

1.水力因素

振動的水力因素系指振動中的干擾力來自水輪機水力部分的動水壓力。其特征是帶有隨機性，且當機組處在非設計工況或過渡工況運行時，因水流狀況惡化，機組各部件的振動亦明顯增大。由于單位體積水流的能量取決于水頭，所以機組的振動一般是隨水頭的降低而減弱，高水頭、低負荷時振動相對而言較為嚴重。

2.機械因素

振動的機械因素系指振動中的干擾力來自機械部分的慣性力、摩擦力及其它力。其特征是振動頻率等于機組的轉動頻率或整倍數的機組轉動頻率。振動的主要表現為機械磨擦和油膜振蕩。在不考慮共振的情況下（可使工作轉速避開臨界轉速來減小共振），機組振動的種類從故障發生的頻率分析主要有軸線不正、轉子質量不平衡和各種壓力脈動產生的振動。一般特征是故障振動頻率等于機組轉動或整倍數的機組轉動頻率;從振動相位分析有相位不變化（同步）的強迫振動和相位變化（不同步）的自激振動或其它振動。

2.1機組軸線不正

旋轉機械中，最理想的是機組中心、旋轉中心及軸線三者重合，實際中三者完全重合是不可能的，但只要控制在一定范圍內，對設備安全運行和使用壽命不會造成太大危害。一旦超出許可值，則對旋轉機械的運行參數產生重大影響，導致事故增加甚至設備損壞。水輪發電機組軸線不正的表現形式主要來自兩個方面，一是軸線與推力頭底平面不垂直（即軸線傾斜），二是軸線在聯軸器的法蘭結合面發生曲折（或是主軸彎曲）。由于軸線傾斜或曲折，使機組轉子的總軸向力不能通過推力軸承中心，而產生一個偏心力矩。隨著轉子的旋轉，偏心力矩也同時旋轉，使得推力頭與鏡板的聯接螺栓和推力軸瓦各支柱螺栓承受的是脈動力，其脈動頻率與轉速頻率相同，從而導致各個部件，特別是聯接件的軸向和徑向振動。

2.2轉子質量不平衡

轉子質量不平衡的形式有靜不平衡和動不平衡。靜不平衡表現在轉子垂直方向的同一相位，形成偏離軸線的偏心力。動不平衡表現在轉子垂直方向的反向相位，形成偏離軸線的偏心力偶。兩者都會造成轉子質量失衡離心慣性力，當轉軸以角速度旋轉時， 在失衡離心慣性力的作用下，軸的旋轉產生弓狀回旋，其中心偏離原來的軸線，軸心線的回轉半徑Y就是振幅，這種振動也叫振擺。其特征是：振幅的大小隨旋轉速度變化而變化。

2.3 鏡板不平

鏡板不平主要是由于加工和安裝上的缺陷所造成的，其特征為擺度波形上有明顯的2倍頻。

2.4 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盤車帶來困難。

2.5油膜振蕩引起機組振動

油膜振蕩同樣也會導致機組異常振動。油膜振蕩是“由于滑動軸承中的油膜作用而引起的旋轉軸的自激振蕩，可產生與轉軸達到臨界轉速時同等的振幅或更加激烈。油膜振蕩不僅會導致高速旋轉機械的故障，有時也是造成軸承或整臺機組損壞的原因”。引起油膜振蕩的主要原因有：軸系結構設計不合理、軸承負載不均勻、軸承潤滑油溫度變化及軸瓦間隙等。

3.電磁因素

振動的電磁因素系指振動中的干擾力來自發電機電氣部分的電磁力。其特征是振動隨勵磁電流的增大而增大。引起電磁振動的主要因素有轉子繞組短路、空氣間隙不均勻等。

經過認真的分析和討論，認為#1機振動超標的主要原因是機組軸線不正，因為一般情況下運行時間較長的機組振動過大的原因只有兩個，一是大修后機組軸瓦間隙沒有達到標準規定值。二是鏡板不平。#1機組軸向振動較小，在規定范圍之內，所以只有第一種情況，就是在8月份停水期間，僅調整下導瓦間隙是不夠的，還必須調整水導瓦，才能保證機組軸線中心，從而使振動在要求范圍之內。針對此種情況，冬季機組停運后，我們對上下導瓦和水導瓦間隙重新進行了調整，機組啟動后振動在規定范圍之內，運行正常。

結語

以上內容主要分析了水輪發電機組振動原因。只有了解水輪發電機組振動過大的原因，并利用信息技術對主軸旋轉部分的振動現象進行適時監測，及時對反饋數據進行分析，做出準確的故障診斷，才能為水輪發電機組安全平穩運行提供可靠的保證。