水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象及歸因分析

樂紅

(德宏師范高等?？茖W(xué)校,云南德宏 678400)

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象及歸因分析

樂紅

(德宏師范高等?？茖W(xué)校,云南德宏 678400)

隨著電力發(fā)展的不斷加速,我國對水輪發(fā)電機(jī)組性能指標(biāo)的要求越來越高,已經(jīng)開始將其振動(dòng)控制作為研究的要點(diǎn),在一定程度上提升了水輪發(fā)電機(jī)組的工作效益。文章從水輪發(fā)電機(jī)組著手,對水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、發(fā)展?fàn)顩r、振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析,依照ANSYS方法對水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要原因進(jìn)行研究,望為水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供一些參考。

水輪發(fā)電機(jī)組 振動(dòng) 原因

1 水輪發(fā)電機(jī)組概述

1.1 水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

關(guān)于水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，一般分為臥式和立式，其中立式結(jié)構(gòu)多用于大容量和中容量水輪發(fā)電機(jī)，臥式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于小容量水輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的發(fā)電機(jī)軸，一般分為剛性軸和柔性軸，在水輪發(fā)電機(jī)組中，使用較多的是對剛性和強(qiáng)度有著高要求的剛性軸。水輪發(fā)電機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)時(shí)，較容易出現(xiàn)共振的狀況，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)外部形狀較為細(xì)長，在與水輪機(jī)組合后，更容易受到壓力影響，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組整體不穩(wěn)定，振動(dòng)現(xiàn)象明顯。

1.2 水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)展?fàn)顩r

水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)展與我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有著極大的關(guān)聯(lián)，其單機(jī)容量也在逐步加大，大功率的電機(jī)組正成為水利發(fā)電的主流設(shè)備，但在我國很多水利發(fā)電站處于環(huán)境惡劣的地區(qū)，小型水輪發(fā)電機(jī)組無法滿足實(shí)際需求，導(dǎo)致產(chǎn)生諸多問題，使用高容量的水輪發(fā)電機(jī)組是目前國內(nèi)水利發(fā)電的趨勢。在水電站的工程招標(biāo)中，對于水輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)評標(biāo)愈發(fā)重視，特別是機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和振動(dòng)損壞方面。國內(nèi)外很多水電站都有水輪發(fā)電機(jī)組因振動(dòng)而出現(xiàn)事故的案例，機(jī)組損壞事故的頻發(fā)，促使人們在發(fā)展大容量發(fā)電機(jī)的同，將更多的關(guān)注放在了對水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)控制上。

2 發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象及振動(dòng)分析

2.1 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)振源狀況

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問題與水力發(fā)電站的正常運(yùn)行緊密相關(guān)，一旦出現(xiàn)振動(dòng)問題，則可能造成整個(gè)水電站的重大事故。水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，其振源狀況與水力、機(jī)械、電磁方面有著必然的關(guān)系。作為水輪發(fā)電機(jī)組工作的前提條件，水為水輪發(fā)電機(jī)組提供了轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，但也因?yàn)樗橇黧w的原因，造成了機(jī)組的振動(dòng)。由水力因素引起的振動(dòng)，包括轉(zhuǎn)輪葉片蝸殼的設(shè)計(jì)缺陷造成水力不均，或尾水管壓力脈動(dòng)引起水流低頻頻繁，還有一部分原因是水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與運(yùn)行，與預(yù)期不一致，導(dǎo)致一部分能量轉(zhuǎn)化為水力振動(dòng)；當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組工作時(shí)，機(jī)組內(nèi)部機(jī)械之間的各種作用力，如慣性力、摩擦力等，極易造成機(jī)組自身出現(xiàn)振動(dòng)。由機(jī)械引起的振動(dòng)，包括機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子自身振動(dòng)、軸線歪斜等因素，其他機(jī)械區(qū)域的如機(jī)組軸線缺陷、軸承和調(diào)速器因素等，也會(huì)造成振動(dòng)的發(fā)生；發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中，容易出現(xiàn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子問題、氣隙問題、三相負(fù)荷不均問題、電力系統(tǒng)的波動(dòng)、磁極次序顛倒等問題，所以水輪發(fā)電機(jī)組的電磁振動(dòng)，是不可避免的一個(gè)因素。

2.2 ANSYS對振動(dòng)振源的分析

對于水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)振源分析，可以通過ANSYS軟件的幫助，經(jīng)過前期處理、計(jì)算求解過程、后期整理三個(gè)階段，建立有效的模型，提取有用信息。使用ANSYS軟件，一般過程為，通過實(shí)際分析求解，對求解域進(jìn)行有限大小、形狀的離散域劃分，以此精確計(jì)算最終結(jié)果，確定一組定量即關(guān)于物理問題的微分方程，推出有限單元的列式，形成單元矩陣，進(jìn)行符合條件的離散域的總矩陣方案的求解，查看結(jié)果的有限元法最終聯(lián)立方程組。對聯(lián)立方程組機(jī)械求解時(shí)，可采用直接、迭代、隨機(jī)等方法，而求解的結(jié)果則是單元結(jié)點(diǎn)的變量近似值。

3 引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要原因

3.1 機(jī)械部件偏離平衡結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，在旋轉(zhuǎn)和支承部件中存在著偏離對稱性的設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致了機(jī)組工作時(shí)的振動(dòng)。因?yàn)闄C(jī)械自身的設(shè)計(jì)缺陷和產(chǎn)生的故障，如發(fā)電機(jī)組的質(zhì)量問題、安裝問題、軸系彎曲變形等，都會(huì)引發(fā)機(jī)械內(nèi)部水平方向的不平衡力的產(chǎn)生，由此引發(fā)的振動(dòng)是轉(zhuǎn)頻的幾倍。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓同定子內(nèi)圓的圓心偏離，因氣隙不均而出現(xiàn)不平衡磁拉力，該力與離心力共同作用在機(jī)組的軸系上時(shí)，極易引發(fā)軸系出現(xiàn)橫向、扭曲的振動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的自身頻率和外界頻率干擾相等時(shí)，還會(huì)引發(fā)共振。機(jī)械因不平衡力而出現(xiàn)徑向離心力，即

而引起機(jī)械不平衡的原因，除去機(jī)械內(nèi)部的元件質(zhì)量不平衡因素外，還與機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)、固定元件安裝連接、各元件之間的摩擦、潤滑不良等有關(guān)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的氣隙中有磁力線通過，而磁力線又有縮短自身長度的傾向，這就使得定子與轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生了力的作用，即磁拉力。當(dāng)機(jī)械內(nèi)部磁場不均勻，甚至因機(jī)械部件原因出現(xiàn)失磁現(xiàn)象時(shí)，這就在磁拉力的作用下使得機(jī)組出現(xiàn)了故障。在水輪發(fā)電機(jī)組中，轉(zhuǎn)子和定子是產(chǎn)生不平衡磁拉力的主要部件區(qū)域，機(jī)械內(nèi)部產(chǎn)生的不平衡離心力和不平衡磁拉力都是發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)的重要因素。

3.2 電磁部件偏離平衡結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)的電氣部分會(huì)產(chǎn)生干擾機(jī)組運(yùn)行的電磁力，從而引起電磁振動(dòng)，包括轉(zhuǎn)頻振動(dòng)和極頻振動(dòng)。轉(zhuǎn)頻振動(dòng)是機(jī)組振動(dòng)的主要振源之一，因轉(zhuǎn)子磁極圓度問題，使其與定子之間產(chǎn)生不平衡磁拉力，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)會(huì)引起空氣的周期性變化，不平衡力在沿著圓做周期性運(yùn)動(dòng)，使得轉(zhuǎn)子與定子間形成轉(zhuǎn)頻激擾力，導(dǎo)致振動(dòng)的產(chǎn)生，而振動(dòng)的大小與短路的線圈匝數(shù)有關(guān)。而極頻振動(dòng)則是定子鐵芯軛部的固有振動(dòng)，在發(fā)電機(jī)的定子繞組內(nèi)，每極的分?jǐn)?shù)槽繞組都會(huì)因特殊諧波形成磁場，由此引起的磁拉力通過磁場的放大作用，定子在波數(shù)少的地方會(huì)因磁拉力而產(chǎn)生諸多現(xiàn)象，在負(fù)載電流增大的同時(shí)，其振動(dòng)振幅也在增大，可以認(rèn)為其振級與電流呈線性關(guān)系。定子的鐵芯組合縫出現(xiàn)松動(dòng)，或者定子的鐵芯松動(dòng)了，都會(huì)引發(fā)定機(jī)組轉(zhuǎn)速異常，或電流變化明顯，而振幅在機(jī)組機(jī)載達(dá)到一定負(fù)載后，會(huì)隨時(shí)間而減小，同樣定子的次諧波磁勢、反轉(zhuǎn)磁勢不穩(wěn)定定子不圓等因素也會(huì)引起振動(dòng)的產(chǎn)生。

3.3 水利部件偏離平衡結(jié)構(gòu)

3.3.1 卡門規(guī)則渦流

卡門渦流是指，若把圓柱或平板放在流動(dòng)的水里，在圓柱或平板的負(fù)壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生比較有規(guī)則的渦流，該渦流是尾部脫流而產(chǎn)生的。根據(jù)流體力學(xué)知識，在雷諾數(shù)很大的時(shí)候，圓柱的繞流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻徊鏈u列，即卡門渦列。卡門渦流的頻率f為：

在水輪發(fā)電機(jī)組中，若卡門渦流的頻率與轉(zhuǎn)輪葉片或其他部件的固有振動(dòng)頻率相同，或者接近時(shí)，都會(huì)使得機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象?？ㄩT渦列的頻率與水流速度、水輪葉片厚度等因素有關(guān)，而振動(dòng)的產(chǎn)生，會(huì)對機(jī)組的固定導(dǎo)葉造成損壞，出現(xiàn)疲勞性裂紋，一般的表現(xiàn)為過機(jī)流量在增大的同時(shí)，振幅也在增大。

3.3.2 尾水管低頻渦流

大型的水輪發(fā)電機(jī)組中，發(fā)生振動(dòng)故障最多的是尾水管渦帶，且發(fā)生頻率較高，多會(huì)引發(fā)機(jī)組的壓力脈動(dòng)。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組未處于最佳工作狀態(tài)時(shí)，水流會(huì)在離心力作用下，夾帶大量的氣泡進(jìn)入到尾水管渦帶，水流與氣泡會(huì)影響尾水管渦帶的周期性平衡，造成偏心的產(chǎn)生，引發(fā)機(jī)械內(nèi)部巨大的共振現(xiàn)象，輕則使得轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋或碎裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成廠房振動(dòng)，甚至使發(fā)電機(jī)組無法繼續(xù)工作。尾水管的渦帶所引發(fā)的尾水管內(nèi)的低頻壓力脈動(dòng)，其頻率同渦帶的頻率相同，且在尾水管的每個(gè)地方都相同，頻率大概為水輪機(jī)的1/3到1/5之間，其中，旋轉(zhuǎn)水流的頻率f為：

3.3.3 壓力管水體自振

當(dāng)水電站正常工作時(shí)，在壓力管道的兩端有開口存在，使得水體有自振現(xiàn)象產(chǎn)生，而在水輪機(jī)過流時(shí)，其水流脈動(dòng)同壓力管道的水體自振在頻率上可能接近或相同，極易發(fā)生共振現(xiàn)象，或倍頻共振現(xiàn)象。壓力管道內(nèi)的水體振動(dòng)若通過水流，經(jīng)頻率傳導(dǎo)至水輪機(jī)，則會(huì)加重這種共振效果。而一旦水輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷突然改變，則會(huì)在壓力管道和水輪機(jī)的進(jìn)出水道中發(fā)生水擊現(xiàn)象，在水擊作用影響下，會(huì)引發(fā)機(jī)組內(nèi)部的周期性壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)的擴(kuò)大化，振動(dòng)頻率f為：

3.3.4 其他水利因素

除以上因素外，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)的原因還有很多，如轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的壓力出現(xiàn)波動(dòng)、水流沖擊機(jī)組的渦殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪等部件引起的受力不均等等。機(jī)組的進(jìn)水口攔污柵若有雜物堵塞，會(huì)引發(fā)振動(dòng)，而雜物若進(jìn)入機(jī)組機(jī)械內(nèi)部，會(huì)引起機(jī)組運(yùn)行故障突發(fā)，而出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)現(xiàn)象。水輪的轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)設(shè)計(jì)不合理，造成水流沖擊受力不均，水流中流沙等物體對轉(zhuǎn)輪等水輪部件的撞擊、磨損等，水輪機(jī)的安裝不合理導(dǎo)致與預(yù)期效果偏差過大等，都會(huì)造成水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

對于水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問題，不應(yīng)等同于一般機(jī)械的振動(dòng)考量，需要將機(jī)械自身的轉(zhuǎn)動(dòng)問題和其他固定部件的振動(dòng)因素，與發(fā)電機(jī)組電磁力、水力影響等各方因素考慮進(jìn)去，在實(shí)際的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)的原因很多，簡單的消振工作并不能夠達(dá)到預(yù)期效果，哪怕已經(jīng)查找到了振動(dòng)原因，也難以做好消振工作。所以，對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)研究和原因分析還是十分必要的，是水利發(fā)電發(fā)展必須面對的問題。

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