水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)分析

龔斌輝（湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠，湖南安化413508）

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)分析

龔斌輝（湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠，湖南安化413508）

水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)部常常會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而出現(xiàn)振動(dòng)，這種振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)破壞固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，從而降低水電站的經(jīng)濟(jì)效益，甚至威脅水電站運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。因此，深入探究引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因至關(guān)重要。對(duì)此，本文首先對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行了介紹，然后對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障成因進(jìn)行了分析，并對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)問(wèn)題處理對(duì)策進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

水輪發(fā)電機(jī)組；振動(dòng)；處理

1 引言

水利工程在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著十分重要的作用，因此，采取有效措施保障水利工程項(xiàng)目?jī)?nèi)部機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行十分重要。為了提升水利工程機(jī)電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，必須加強(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)組日常管理，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中常見(jiàn)的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)探究。

2 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)概述

在水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組振動(dòng)一般是將水輪機(jī)作為其原動(dòng)力，水能的作用能夠有效激發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)，同時(shí)，通過(guò)間接的方式，其還能夠維持機(jī)組振動(dòng)。值得注意的是，水輪機(jī)組本身的特殊性，也會(huì)造成水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。比如，從水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)方面而言，水輪機(jī)組是由兩個(gè)部分所組成的，即轉(zhuǎn)動(dòng)與固定，在水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果任意部件產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中較為常見(jiàn)的現(xiàn)象，如果采取有效措施控制水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，則能夠有效提升機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。但是，如果水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題比較嚴(yán)重，并且無(wú)法采取有效措施將其控制在一定范圍內(nèi)，則會(huì)導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組安全性降低，甚至?xí)斐刹糠至悴考霈F(xiàn)松動(dòng)或者其他質(zhì)量問(wèn)題。

3 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障成因

相比于普通的動(dòng)力機(jī)械而言，水輪發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境以及工作特性都是與眾不同的，因此，導(dǎo)致其產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題的原因也有很多種。一般可以將水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)成因分為三類(lèi)，即：機(jī)械因素、水力因素以及電氣因素。

3.1 機(jī)械因素

（1）主軸的剛度或者直徑不夠，兩軸承之間具有較大的間隙等原因都可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，同時(shí)機(jī)組的負(fù)荷變化會(huì)嚴(yán)重影響到機(jī)組的振幅。

（2）機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)不平衡，或者工藝質(zhì)量不高，沒(méi)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求也會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。這種情況下，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速變大時(shí)，機(jī)組振幅也會(huì)變大。

（3）緊固件松動(dòng)、水輪發(fā)電機(jī)組未能中心對(duì)稱(chēng)以及軸線彎折等情況出現(xiàn)時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)組會(huì)在低負(fù)荷以及空載時(shí)出現(xiàn)很明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。

（4）機(jī)組內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)現(xiàn)象的振幅較大，同時(shí)伴隨著撞擊的聲音。

3.2 水力因素

（1）水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、蝸殼以及活動(dòng)導(dǎo)葉內(nèi)部的非均勻流會(huì)形成漩渦，并發(fā)展成渦帶，從而導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。這種振動(dòng)現(xiàn)象明顯受到機(jī)組運(yùn)行工況的影響，一般在最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)現(xiàn)象最輕。

（2）轉(zhuǎn)輪葉片出口處所形成卡門(mén)渦街也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。如圖1所示，該卡門(mén)渦街和流體的速度與翼型的尾部形狀有關(guān)，由此可知，大流量工況下，由卡門(mén)渦街所引起的振動(dòng)幅度會(huì)更大。

圖1 卡門(mén)渦街

（3）當(dāng)水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，特別是在低負(fù)荷、低水頭情況下，轉(zhuǎn)輪葉片出口處很容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的水流，從而在尾水管中形成偏心渦帶，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。所以，水輪機(jī)的運(yùn)行工況會(huì)直接影響機(jī)組的振動(dòng)情況，同時(shí)振動(dòng)的區(qū)域性比較顯著。

3.3 電氣因素

（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)受到很多不平衡力，比如定轉(zhuǎn)子之間不均勻的空氣隙所引起的作用力。這種情況下，上機(jī)架的振動(dòng)狀況會(huì)比較顯著，同時(shí)振動(dòng)的幅度也會(huì)隨勵(lì)磁電流的變化而發(fā)生變化。

（2）發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部所形成的諧波會(huì)產(chǎn)生磁拉力，然而小波數(shù)的磁拉力很容易使得定子產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)現(xiàn)象同樣會(huì)在上機(jī)架處更為顯著，且振幅隨定子電流成正比例變化。

（3）定子鐵芯出現(xiàn)松動(dòng)也會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)的強(qiáng)弱影響較為明顯，通常情況下，機(jī)組振動(dòng)頻率一般為電流頻率的雙倍。

（4）如果在安裝時(shí)未能良好的固定定子繞組，那么當(dāng)電氣負(fù)荷和電磁負(fù)荷較高時(shí)，機(jī)組也很容易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。

4 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)處理實(shí)例

4.1 工程概況

某電廠2號(hào)機(jī)組系超超臨界、1000MW水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為SF8000-16/3300，定子鐵心直徑3300mm，額定出力8000kW，采用水內(nèi)冷卻的方式進(jìn)行冷卻該機(jī)組自試運(yùn)行，在運(yùn)行初始階段，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)振動(dòng)特點(diǎn)以及振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生原因進(jìn)行詳細(xì)探究，制定出現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)動(dòng)平衡方案。

4.2 振動(dòng)原因分析

通過(guò)對(duì)2#機(jī)組振動(dòng)特征進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，6～8號(hào)軸振具有較大熱變量，并且主要成分為基領(lǐng)成分。另外，在發(fā)電機(jī)發(fā)生接地故障前，8號(hào)軸振良好，由此可見(jiàn)，勵(lì)端小軸本身平衡狀況。由此推斷，導(dǎo)致6～8號(hào)軸振熱變量大的主要原因可能是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的熱彎曲，或者是大負(fù)荷工況下發(fā)勵(lì)對(duì)輪連接不良。

（1）通流器件中水力穩(wěn)定性較差。水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，一旦出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，就會(huì)造成橫向作用力穩(wěn)定性變差，從而使器件發(fā)生喘振，在低載荷或者零載荷運(yùn)行狀態(tài)下，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生高強(qiáng)度振動(dòng)問(wèn)題。

（2）尾部流通管產(chǎn)生渦流帶。渦流帶是一種流體形式，比較復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，尾部流通管中的渦流帶一般為螺旋形狀，其渦流核心一般會(huì)朝向某一方向運(yùn)轉(zhuǎn)，這就會(huì)造成尾部流通管流體出現(xiàn)大幅度的低壓脈沖，脈沖率為Fw=n（/3-6）。當(dāng)40～70%器件開(kāi)度時(shí)，脈沖壓力會(huì)達(dá)到最大值，這就會(huì)造成機(jī)組發(fā)生不正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果渦流帶脈沖率和發(fā)電機(jī)部件的振動(dòng)領(lǐng)率發(fā)生共振，則單元器件就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題，并且發(fā)電量也會(huì)減?。蝗绻}沖率和剛性管道流體振動(dòng)領(lǐng)率或者壓力鋼管自有振蕩領(lǐng)率相似，則就會(huì)導(dǎo)致剛性管道出現(xiàn)出現(xiàn)較大流體振動(dòng)。

（3）卡門(mén)渦流。如果流體繞經(jīng)輪片片入口一側(cè)輸出，一般會(huì)在輸出口出現(xiàn)渦流列，如果出現(xiàn)輪片正反面間斷輪流，則會(huì)導(dǎo)致輪片受到流體的巨大撞擊。如果撞擊領(lǐng)率和輪片自身振動(dòng)領(lǐng)率十分接近，則會(huì)產(chǎn)生共振。通常情況下，只有當(dāng)處于某一范圍內(nèi)的水頭和開(kāi)度時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)振蕩問(wèn)題，同時(shí)還會(huì)造成輪葉邊緣出現(xiàn)裂痕，在此過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生較大聲響。

（4）尾部流通管妥裝位置偏低。通常情況下，轉(zhuǎn)槳式流體輸送機(jī)的尾管安裝位置比較低，因此，流體輸出口可能會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性較差的流體，如果在拐彎前，穩(wěn)定性依然比較低，則會(huì)造成流體與彎道管入口之間的距離不斷縮小。另外，穩(wěn)定性較差的流體在進(jìn)行拐彎時(shí)，可能會(huì)受到周期的作用力干擾，從而造成單元部件出現(xiàn)振蕩問(wèn)題。

4.3 處理措施

（1）將整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組拆開(kāi)，并且將機(jī)組轉(zhuǎn)輪、底環(huán)以及頂蓋等零部件送至生產(chǎn)廠家進(jìn)行維修。加大機(jī)組頂蓋和底環(huán)之間間隙，從而有效減少底環(huán)和頂蓋發(fā)生碰撞的可能性，這樣能夠有效降低振動(dòng)問(wèn)題發(fā)生幾率。

（2）將機(jī)組主軸聯(lián)接螺檢的材料修改為35CrMo，并且將螺檢拉伸值更改為0.32mm。

（3）通過(guò)運(yùn)用打磨機(jī)，對(duì)機(jī)組下環(huán)和座環(huán)進(jìn)行打磨，同時(shí)調(diào)整其水平度，并且將其控制在一定范圍內(nèi)。

（4）對(duì)機(jī)組進(jìn)行盤(pán)車(chē)，在鏡板與推力瓦之間合理運(yùn)用絕緣板，在對(duì)主軸與絕緣板進(jìn)行填補(bǔ)時(shí)，可以采用鏟削的方式，取消紫銅墊。

（5）適當(dāng)增加水輪機(jī)頂部的排水管數(shù)量，增加至4個(gè)，通過(guò)排水廊道排出積水，加大對(duì)于閥門(mén)的控制力度。

（6）在安裝加工完成的底環(huán)和頂蓋時(shí)，必須嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，確保符合安裝規(guī)范。

（7）嚴(yán)格依據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組說(shuō)明書(shū)以及相關(guān)規(guī)定進(jìn)行回裝，確保機(jī)組重新啟動(dòng)后能夠達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

通過(guò)采用上述措施，該水輪發(fā)電機(jī)組能夠達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)，并且沒(méi)有發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組作為水電站的核心組成部分，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎整個(gè)水電站的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行效益。但是水電站的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，常常會(huì)出現(xiàn)或多或少的振動(dòng)故障，這些振動(dòng)故障會(huì)嚴(yán)重破壞水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，首先需要對(duì)振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，一般包括機(jī)械因素、水力因素以及電氣因素，然后，需要結(jié)合振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生原因，采取有針對(duì)性的解決措施有效解決機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，提升水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

[1]劉元秀.水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)分析[J].四川水力發(fā)電，2013（06）：141～145.

[2]邵永斌.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析及處理[J].電站系統(tǒng)工程，2010（04）：71～72.

[3]蘭 富.水輪發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)及處理[J].四川水力發(fā)電，2010（04）：117～118.

TM312

A

2095-2066（2016）24-0073-02

2016-8-15

龔斌輝（1974-），男，工程師，大專(zhuān)，主要從事水輪機(jī)發(fā)電運(yùn)行工作。