大中型水輪發(fā)電機組振動原因分析及判斷

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

水輪發(fā)電機組的振動是一種非常有害的現(xiàn)象，影響機組的使用壽命。過分的振動會使焊縫開裂，零部件疲勞斷裂飛出，嚴(yán)重威脅著機組的運行安全。但這種振動又是不可避免的，故我們只能在一定的技術(shù)能力下將振動盡量地減小，使振動值限制在允許的范圍內(nèi)。

1 機組振動的分類

1.1 水力因素的振動

水力方面振動主要有卡門渦列、渦帶振動、水力不平衡、狹縫射流、非最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系、水輪機非設(shè)計工況下運行時的水力不穩(wěn)定等，在這里主要介紹卡門渦振動、渦帶振動及水力不平衡引起的振動。

(1)由卡門渦引起的振動

卡門渦頻率的振動頻率跟水輪機工況和葉片出水邊厚度有關(guān)。機組在一定的水頭和導(dǎo)葉開度下運行時，其渦振頻率有可能與葉片自振頻率相同，此時葉片就會劇烈振動起來而使葉片產(chǎn)生疲勞裂紋。例如:三峽右岸26#機在300～500MW負(fù)荷區(qū)間機組存在嘯叫聲，測量轉(zhuǎn)輪卡門渦頻率與其自振頻率發(fā)生共振，后對轉(zhuǎn)輪葉片及固定導(dǎo)葉出水邊進行了修型，嘯叫聲消失。

表1 渦帶與卡門渦列的區(qū)別

(2)水力不平衡

如果在轉(zhuǎn)輪范圍內(nèi)，水流失去軸對稱，就會產(chǎn)生一個不平衡的橫向力作用在轉(zhuǎn)輪上。經(jīng)常遇到的就是過流輪廓不對稱，它會引起水流失去軸對稱。

1.2 機械因素的振動

機械方面主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機組軸線不正、軸系曲折、推力頭調(diào)整不良和導(dǎo)軸承缺陷等。

(1)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡,轉(zhuǎn)子重心S對軸心O1產(chǎn)生一個偏心距e，如圖1(a)所示。當(dāng)軸以角速度旋轉(zhuǎn)時,由于不平衡質(zhì)量離心力的作用,軸將產(chǎn)生弓狀回旋,其中心O1獲得撓度y,如圖1(b)所示。O1繞O作圓周運動,回轉(zhuǎn)半徑y(tǒng)就是振幅,這種振動也叫振擺。其特征是:振幅是隨轉(zhuǎn)速變化而變化的。用公式表示為y=f(ω),ω升高,y增大;反之ω下降,y減小，并且振幅一般與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，且水平振動較大。

(a)產(chǎn)生偏心距 (b)獲得撓度y

(2)機組軸線不正

在旋轉(zhuǎn)機械中最理想的是機組中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線三者重合，最不理想的是機組中心、旋轉(zhuǎn)中心與軸線不重合的狀態(tài)。介于二者之間的是旋轉(zhuǎn)中心與機組中心重合，機組軸線不正的主要表現(xiàn)形式是軸線與推力軸承鏡板面不垂直。由于機組轉(zhuǎn)子的總軸向力不通過推力軸承中心，就產(chǎn)生一個偏心力矩。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，偏心力矩也同時旋轉(zhuǎn)，使各支柱螺栓受脈動力，其脈動頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同，從而產(chǎn)生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動，轉(zhuǎn)子也就隨之產(chǎn)生振擺。軸線不正，也是引起徑向振動的主要原因。其特征為機組在空載低轉(zhuǎn)速運行時，機組即有明顯振動。

(3)軸承缺陷

在運行中當(dāng)導(dǎo)軸承松動、剛性不足、導(dǎo)軸承間隙過大，運行不穩(wěn)而潤滑又不良時，就會發(fā)生干摩擦，引起反向弓狀回旋，即橫向振動力，其方向和軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，頻率相同。導(dǎo)軸承間隙過小，會把轉(zhuǎn)軸的振動傳給支座和基礎(chǔ)，導(dǎo)軸承間隙過大，轉(zhuǎn)軸振動大。機組轉(zhuǎn)動部件與固定部件相碰(或摩擦)所引起的機組振動，其特征為振動較強烈，并常常伴有撞擊聲；軸承間隙過大、主軸過細(xì)、軸的剛度不夠所引起的振動，其特征為機組振幅隨機組負(fù)荷變化較明顯。

(4)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。

(5)推力頭松動

推力頭松動指推力頭內(nèi)孔和軸頸間存在間隙。當(dāng)推力頭松動時，機組振動、擺度的特點為：機組運行時的動態(tài)軸線姿態(tài)會發(fā)生突然變化，機組的振動、擺度忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 電磁因素的振動

(1)不平衡磁拉力

發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分因受不平衡力(這些不平衡力主要來自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、轉(zhuǎn)子不均勻氣隙所引起的作用力，轉(zhuǎn)子線圈短路時引起的力和發(fā)電機在不對稱工況下運行時產(chǎn)生的力)的作用下產(chǎn)生的機組振動，其振動特征為振動隨勵磁電流增大而增大，且上機架處振動較為明顯。

(2)定子鐵心組合縫松動或定子鐵心松動

因定子鐵心松動所引起的機組振動，當(dāng)機組帶上一定負(fù)荷后，其振幅隨負(fù)荷增長而增大。因定子鐵心組合縫松動所引起的機組振動，加載某一負(fù)荷后，振幅又逐漸隨鐵心溫度增長而減小，振動頻率都為電流頻率的兩倍。

(3)定子繞組固定不良

定子繞組固定不良，在較高電氣負(fù)荷和電磁負(fù)荷作用下使繞組及機組產(chǎn)生振動。其振動特點為振動隨負(fù)荷運行工況變化而變化，上機架處振動亦較為明顯。

由于每極下的槽數(shù)不同，將產(chǎn)生由定子繞組電流引起的一系列分?jǐn)?shù)次諧波磁動勢，這些磁動勢和旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子有著不同的相對速度，各種不同的振動模式和頻率成為發(fā)電機電磁振動的激振力。它引起的振動頻率為100Hz，振幅隨負(fù)載電流的增大而增大。

(4)負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢

當(dāng)定子三相負(fù)載不對稱時，繞組會產(chǎn)生負(fù)序電流，即相序相反的磁場，它與主磁場疊加產(chǎn)生一個空間次數(shù)P=0的磁場，引起定子鐵心作駐波式的振動。

2 機組穩(wěn)定性試驗和振動測試關(guān)系

對水輪發(fā)電機組進行一系列穩(wěn)定性試驗，判別引起機組振動的主要因素。

2.1 機組起動試驗

在機組發(fā)出起動命令時就以較慢速度開啟錄波儀器，待機組轉(zhuǎn)動后，隨著機組轉(zhuǎn)速變化，按需要完整記錄機組起動過程的振動信號和其他狀態(tài)參數(shù)。

2.2 變速試驗

分別在各種轉(zhuǎn)速下測量機組典型部位，如上導(dǎo)、上機架、主軸聯(lián)接法蘭、水導(dǎo)軸承等的振幅或頻率。其中，振幅與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

A=f×n2

式中，A—雙振幅，mm；f—振動頻率，Hz；n—轉(zhuǎn)速，r/min。

2.3 空載有勵磁試驗

機組在額定轉(zhuǎn)速下，加載勵磁，改變勵磁電流，觀察各典型部位隨勵磁電流的變化而發(fā)生振動的情況。其中振幅與勵磁電流的關(guān)系為

A=f×i

式中，A—雙振幅，mm；f—振動頻率，Hz；i—電流，A。

若振幅隨勵磁電流增大而增大，則不平衡磁拉力是引起機組振動的主要原因。需檢查發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子空氣隙是否均勻，磁極線圈有無發(fā)生匝間短路、磁極背部與磁軛間是否出現(xiàn)氣隙等。

3 振動原因分析

3.1 以振動頻率分析振動原因

在機組典型部位帶有錄波存儲功能的測振儀，將記錄的振動記號，作時域、頻域變換，進行頻譜分析，以此來判斷振動原因。

(1)若振動頻率與機組轉(zhuǎn)動頻率一致，則機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、軸線曲折、導(dǎo)軸承間隙不適、主軸法蘭密封有偏磨是引起機組振動的主要原因。

(2)若振動頻率為發(fā)電機電流頻率(我國電流頻率為50Hz)的二倍，則可能是定子鐵心與鐵心組合縫松動、發(fā)電機負(fù)荷電流所引起的機組振動。

(3)若振動頻率為轉(zhuǎn)速頻率乘以發(fā)電機磁極對數(shù)，則多半是由于發(fā)電機氣隙不均勻所引起的機組振動。

(4)若振動頻率分別為轉(zhuǎn)速頻率乘以活動導(dǎo)葉數(shù)或轉(zhuǎn)速頻率乘以轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，則振動分別是因?qū)~開口不均勻或轉(zhuǎn)輪開口不均勻所致。

3.2 由振動部位判別振動原因

根據(jù)長期運行所積累的經(jīng)驗，由機組振動發(fā)生的不同部位，也可大致判別振動原因。

(1)若在水導(dǎo)軸承處的振動比其他部位較為明顯時，則可能是蝸殼、導(dǎo)葉中的水力不平衡(該水力不平衡主要來自蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場和導(dǎo)葉開口不均勻、轉(zhuǎn)輪線型、間隙、開口不均勻)所引起的機械振動。

(2)若上機架處振動較為明顯時，則振動原因多半來自于轉(zhuǎn)子機械與電磁不平衡、機組推力軸承(僅對懸式機組)、上導(dǎo)軸承缺陷(間隙擺度調(diào)整不適合)、故障或機組軸線有曲折、機組中心發(fā)生變化或發(fā)電機零部件有缺陷或故障。

(3)若因轉(zhuǎn)輪葉片出水邊線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的機組振動，則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測得明顯振動，蝸殼中會出現(xiàn)較大水壓波動。

4 結(jié)語

本文對水輪發(fā)電機組振動的幾種類型和原因進行了分析，并根據(jù)振動部位對振動原因進行了判別，希望對大中型水輪發(fā)電機組振動原因及分析提供一定的借鑒作用，同時對解決大中型水輪發(fā)電機組振動問題提供一定的參考作用。

[1] 董毓新.水輪發(fā)電機組振動.大連： 大連理工大學(xué)出版社，1982.1.

[2] 馬震岳，董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理.北京：中國水利水電出版社,2004.10.