水轮发电机组异常振动的原因分析及应对措施

水轮发电机组异常振动的原因分析及应对措施
发表时间：2019-09-05T10:37:17.423Z 来源：《中国电业》2019年第09期作者：容明[导读] 本文主要对水轮发电机组的剧烈振动原因及应对措施进行了探讨。

海南省水利灌区管理局松涛灌区管理分局海南儋州 571700 摘要：水轮发电机组运行中出现异常振动是不可避免的，掌握引起机组异常振动的振源的类型、特征、危害以及振动规律等，对机组不同的异常振动进行分析、判断，迅速、准确地消除引起机组异常振动的振源或采取有效措施减小振动，确保机组安全、稳定、可靠、经济运行。

本文主要对水轮发电机组的剧烈振动原因及应对措施进行了探讨。

关键词：振动原理异常振动原因分析应对措施1 水轮发电机组振动原理
在机组运转的状态下，在水轮机作为其原动力的前提下，水能的作用能够直接有效激发水轮发电机组振动，还能够间接维持机组振动。

流体、机械、电磁三者是相互影响相互作用的，由于气隙在不对称的状态下，由于发电机定子与转子之间的磁拉力不平衡的情况，当流体激起机组转动部分振动时会造成机组转动部分的振动，而发电机的磁场和水轮机的水流流场也会受到转动部分的运动状态的影响。

2 水轮发电机组异常振动的危害
旋转机械的振动是难以避免的，如果可以把振幅控制在允许范围之内，就可以保证机组安全、正常的运行，但是如果是剧烈的振动，必然会不利于机组的安全运行，其主要表现为：机组的各个连接部件出现松动，所有静止部件和转动部件之间产生摩擦甚至是扫膛而损坏；导致零部件和焊缝疲劳，形成裂缝甚至出现断裂；尾水管低频压力脉动可使尾水管壁出现裂缝，当发电机或电力系统固有频率与其频率一致的时候，会发生共振，造成机组出现剧烈振动，有可能会导致发电机组从电力系统中解列，甚至会损坏厂房和水工建筑物。

3 水轮发电机组常见异常振动的原因分析及应对措施3.1 机械因素造成的剧烈振动的原因及应对措施
机械因素引起的振动是指由机械部位摩擦力和惯性力以及其他力造成的振动，其特征是振动频率相当于机组旋转频率或是机组转动频率的几倍。

引起振动的机械因素主要是导轴承缺陷、机组轴线不正、转子质量不平衡等。

（1）振动的原因分析
1）转子质量不平衡：因为转子质量的不平衡，转子的中心会对轴心产生偏心距，当轴以角速度开始旋转的时候，因为失衡质量受到离心惯性力的影响，在轴上出现弓状回旋，此类的振动也被称为振摆。

其特征是，振幅随着转速的变化而产生变化。

2）机组的轴线不正：旋转中心和机组中心及轴线三者重合是在旋转机器中最理想的状态。

单元轴线偏差的主要表现形式是轴线推力头底平面不垂直和轴线结合面的曲折，因为轴线的曲折和倾斜，机组转子轴向力在没有通过推力轴承中心就产生了一个偏心力矩。

伴随转子转动，与此同时偏心力矩也在旋转，脉动力是各个支柱螺栓的受力，当转速频率应和脉动频率相一致时，会出现推力轴承支撑螺栓的轴向振动，此时转子也会产生振摆。

轴线不正是造成径向振动的主要原因之一。

3）轴承的缺陷：当导轴松动，轴承和固定不同心，间隙过大或者润滑不好都会引起干摩擦，造成了机组的水平振动。

（2）应对措施
机械原因导致的振动应使用以下措施处理：通过动态平衡调整轴瓦间隙或调整轴线来提高精密度以及同心度。

3.2 水力因素导致的剧烈振动原因及应对措施
（1）剧烈振动的原因
当机组处于过渡工况和非设计工况条件下运行的时候，由于水流的状态发生变化，机组各个部件的振动明显增加。

因为单位体积水流能量主要依赖于水头，所以机组的振动通常是随着水头的降低而降低，低负荷、高水头的时候振动相对比较剧烈。

水力因素导致的振动主要包括水力不平衡、空腔汽蚀、尾水管低频水压脉冲、射流间隙和卡门涡列等。

1）水力不平衡：具有动能和位能的水流是由蜗壳的作用而形成的环流，它是经过均匀分布的固定以及活动导叶片作用到旋转轮上，旋转轮被激活而旋转。

因为加工、安装误差，导水叶叶片、流量通道的形状大小差异比较大的时候，作用旋转轮的水流在失去轴对称的情况下就会出现不平衡横向力，从而导致转轮振动，当无负载和低负荷运行的时候，振动比较强烈。

2）尾管的低频率水压脉冲：水轮机在非设计工况条件下运行的时候，由于转轮受到出口处的脱流旋涡和旋转水流以及汽蚀等影响，在尾水管内常常会引起水压脉动，特别是在尾水管内出现大型涡带之后，涡带以近似固定的频率在管内转动，从而导致低频压力脉动。

当水流在管道中流动时，压力脉动会激起尾管壁、转子、蜗壳、导水机构和压力管的剧烈振动。

3）空腔汽蚀：水轮机有水流通过的时候，流速、流向受到流道的影响发生变化，在流速增加或脱流部位压力减少到汽化压力的时候，水流中会出现汽泡，气泡在进入高压区之后会溃灭，从而导致汽浊出现。

空腔汽蚀是在流道中由于漩涡带引起负压、脱流而导致压力交变造成的。

因空腔汽蚀造成机组的推力轴承和顶盖产生剧烈的垂直振动，相较于横向振动，垂直振动的危害更大。

4）卡门涡列：围绕着物体的恒流通过时，在出口的两侧边缘出现了漩涡，形成了有规则交错排列、向相反方向旋转的旋涡，从而相互吸引、相互干扰，形成了非线形的涡列，通常被称为卡门涡列。

当卡门涡列冲击频率和旋转物体叶片固有频率比较接近的时候，叶片的固有频率会产生共振，并带有强烈且频率单一的噪声以及金属共振的声音。

（2）应对措施
对于水力因素引起的强烈振动，可以采取下列措施处理：1）气浊和尾水管涡流引起机组的强烈振动，可以使用补气措施进行消振或是减振，也可以使用安装导流瓦和导流翼板等在尾水管入口处，可以减少和消除涡带引起的振动；2）对于卡门涡列造成的振动，可以采取改变叶片固有频率或卡门涡列频率的方法，也可以改型或削薄叶片出水边，也就是说，抵消、削弱正反双方侧面构成的交变漩涡，避免造成共振；3）对止漏间隙不当造成的振动的消除方法，可以通过调整间隙使其均匀的方法。

实践证明：适当增加外止漏环间隙，可明显减弱转轮偏心运动对背压止漏环间隙压力的影响，进而减少振动。

比如：李家峡水电站一号和四号水轮机组，由于止漏环开焊导致水力的振动剧烈，在更换后，其振动的幅度明显下降了。

3.3 电磁因素导致的剧烈振动原因及应对措施
（1）电磁导致的剧烈振动的原因分析
电磁因素导致的振动主要指的是振动中产生的干扰是来自于发电机电气部分的电磁力。

引起电磁振动的主要因素是空气间隙不均匀和转子绕组短路等。

1）转子绕组短路：当磁极短路而引起磁动势降低时，而其它的磁极磁动势没有改变，因此出现与转子共旋转的横向不平衡磁拉力，引起转子剧烈振动。

振动的振幅与励磁电流的大小有关，磁电流增加，振幅也增加出现剧烈振动。

当激励被移走，振动会立即消失，因此很容易将此类振动区别于其他原因引起的振动。

2）空气间隔不均匀：当发电机组转子摆度或是转子不圆的时候，会出现空气间隙不均匀，导致单边不平衡磁拉力，随着转子的转动引起的空气间隙变化，单边磁拉力不平衡在沿着圆周做周期性运动，引起机组剧烈振动。

（2）应对措施
对于电磁因素造成的剧烈振动，除制造厂家应遵守国家有关规定外，更需要设备使用单位定期进行检修，并加强运行监测，做到及早发现及时处理。

4 结语
水轮发电机组的振动问题是其应用过程中最为常见的一个问题。

振动不仅会影响机组运行的质量，还会对设备造成损坏，因此必须采取有效措施进行预防和解决。

参考文献：
[1] 余冬.水轮机发电组振动异常分析[J].云南电力技术，2015（S1）.
[2] 黄汤民，黄竹霞.水力发电机组的振动特征[J].水利水电技术，2013（7）：53-57.。