水輪機發電機的振動原因及處理研究

隋欣

摘? ?要：隨著城鎮化進程的加快，我國重要基礎設施建設取得了顯著的成效。伴隨我國水利發電行業的迅速發展，保障水輪機與發電機等水電設備的穩定運行至關重要。水輪發電機組在偏工況運行時常出現振擺異常情況，引起諸如“轉輪葉片開裂、水輪機嘯叫、機組損壞”等一系列機組不能穩定運行的問題。為研究機組在偏工況下的振擺情況，分析其對機組穩定性的影響，對某機組機架和導軸承振擺進行真機試驗，通過數據處理和頻譜分析，揭示了機組振擺的變化規律。

關鍵詞：水輪機發電機;振動;原因;改造

中圖分類號：TV738? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.07.035

振動超標通常意味著機組軸系或支承系統出現較大異常，容易誘發零部件疲勞破壞，威脅機組穩定運行。因此，準確診斷處理振動測量系統故障，確保其真實反映設備振動狀態，對保障水輪發電機組安全穩定運行有著十分重要的意義。

一、發動機設備產生振動與噪聲現象的因素分析

1.發電機進行運轉時噪聲因素。在發動機設備進行實際運轉時，需要發電機維持較高的轉速水平。從這一層面看，發電機也是引起發動機設備出現振動、噪聲現象的主要部件。通常發電機比參數大概設定為 3.3，也就能使其轉速在 6000r/min 左右浮動。但是，若發電機組件部分進入高速運轉狀態，隨之導致冷風扇部分組件、不平衡力帶來的噪聲更加嚴重。從 NVH 的觀點出發，對發電機轉速參數進行控制，在將其降低的同時，保證支架安裝結構的剛度，這樣就能實現激勵源的控制和降低。在水輪機發電機工作狀態下，傳動比水平主要取決于發電機組件的冷卻需求，這就必須將發動機艙內的空氣流因素、發電機技術組件的安裝位置等因素置于優先考慮范圍。

2.節氣門進行打開/關閉操作因素。節氣門是發動機設備內部的重要組件，不論是執行打開還是關閉操作，都會讓發動機傳統系統及時進入瞬態響應階段，在發動機內部出現擺動情況時，處于扭轉反向狀態的發動機設備轉動速度也會出現變化，在變化中也會受到傳動系統中旋轉余量的影響。在出現擺動幅度不斷增強的情況時，扭轉脈沖信號將借助驅動輪組件、懸架組件等部分傳遞到整個車體，這就引起了振動、噪聲情況的發生。在發動機設備運行中，若出現扭矩速度不斷增加的情況，實際引起的瞬態響應也會表現得更加劇烈。在進行節氣門打度時，主要是依靠發動機產生的通矩增加幅度，這一參數需要進氣歧管組件的容積進行限制。不難發現的是，這兩個技術參數間存在一定的指數關系。當瞬時空燃混合物能夠穩定在均勻技術條件時，進氣歧管組件的容積也會具有較大的容積參數，發動機設備扭矩增加的速度也會變緩。

二、發動機設備振動現象與噪聲現象的有效解決方法

1.補氣方式優化設計

通過優化補氣方式，減小低負荷工況下尾水壓力脈動等，從而減小水力作用的頂蓋振動的影響。根據工程實踐經驗，一般采取強迫補氣或者優化補氣結構等方式。如采取強制補氣方式，需在頂蓋上導葉后轉輪前增加強制補氣孔，將強迫補氣孔引接至電站低壓氣系統，在機組低負荷段及振動較大負荷段進行補氣試驗，然后根據試驗情況決定強迫補氣運行方式;如采取優化補氣結構方式，參考模型試驗尾水管渦帶情況、壓力脈動及補氣情況測試數據及有關文獻資料的試驗成果，加長大軸中心孔補氣管至轉輪下環出口位置，可改善大軸中心孔補氣效果，從而減小流道內的壓力脈動。鑒于強迫補氣需根據不同負荷情況啟動低壓氣系統進行強迫補氣，運行維護比較復雜，綜合以上情況，推薦采用補氣管結構改進方式。

2.加強筋處理

從發動機設備的總成結構出發，為了使其獲得較高硬度數值，應采取加強筋處理的方案，較少發動機設備本身的重量，使其制造成本大大降低，從而更好地控制和削弱發動機帶來的振動和噪聲問題。在具體實施中，要通過使用兩個螺栓形成穩定連續的連接面，確保加強筋材料長度能夠支持最大連續。再者，在加強筋材料的布置上，要從空間區域和空間角度兩方面入手，分別考慮模態變形最大值的和維持彎曲模態振型全息成像下邊沿。其次，在對發動機內部的加強筋進行處理時，要確保加強筋材料能夠與發動機配件凸臺部分能夠順利混合，只有達成這一條件，才能為發動機提供剛性連接點支持。此外，在諸多實際運用的場景中，出現在發動機設備的加強筋，應能夠與鑄件結構相銜接，使得材料單位的組合技術性能得以發揮。基于這一步驟，通過增加加強筋材料的運用數目、增設斷面結構層的數量，使得發動機在鑄件加工中更加穩定，更有利于減少和控制廢料的產生。

3.運行穩定性分析

水電機組的運行穩定性是評估其水力性能的重要指標，運行區域的劃分要從關鍵位置的振擺、水壓力脈動和噪聲等多方面考慮，從振擺方面劃分了機組的禁止、限制、穩定三個運行區。禁止運行區是強振區，此區域振擺幅值大且伴有噪音，水能效率偏低;限制運行區各部振擺幅值較大，尾水管可能產生渦帶且伴有較大的噪音，機組不宜在此區域長時間運行;穩定運行區機組各部指標正常，振擺和壓力幅值較小，發電效率高，可在此工況區穩定運行。

三、結語

水輪機發電機組在運行的過程中，出現振動問題是不可避免的，因此，機組檢修人員在日常的維護中應根據自身工作經驗結合機組運行理論，深入分析水輪機發電機組的振動原因，提出針對性的振動解決措施。此外，在對機組進行日常維護的過程中，應對機組進行全面的檢查，確保水輪機組的安全精度與質量滿足標準，提升機組運行穩定性。

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（國家能源集團和禹水電開發公司太平哨發電廠? 遼寧丹東? 118200）