试论水轮发电机组常见振动原因

试论水轮发电机组常见振动原因

张超李京

张超李京

嫩江尼尔基水利水电有限责任公司黑龙江齐齐哈尔161005

摘要：随着我国经济的发展，对电力需求不断增加，水轮发电机组得到了广泛应用，但是出现振动故障的频率不断增加，严重影响机组的安全运行和发电效率，水轮机振动故障会引起结构上的疲劳破坏，甚至引起共振，造成固定导叶和转轮裂纹。要清除机组振动故障，必须认清振动的原因，找准振源。基于此，本文首先对水轮发电机组振动的危害进行了概述，详细探讨了水轮发电机组常见振动原因，旨在提高发电机组系统的稳定性。

关键词：水轮发电机组；常见振动原因；

人们的生活离不开电力，目前水利电力在我国的发展由生疏逐步走向成熟，电厂电力在社会经济中也占主要地位，因此发电机组的正常运作是不容忽视的。而水轮发电机组中的震动故障，是最典型的故障分析之一，引起的故障原因多、故障情况复杂等。更快、更及时找出故障，提高发电机组系统的稳定性，早日实现“少人值守”的新型水电运行方式是我们当前需要的。

1水轮发电机组振动的危害

和其他机械设备一样，水轮发电机组在运行中的振动是一种普遍存在的、不可能完全避免和消除的现象。只要将振动限制在允许的范围内，它对机组本身及其工作并无妨害。但是当振动超过一定限度时，对机组设备本身及对周围的建筑物甚至对整个水电站的运行都会带来很大的危害，主要有：

（1）引起机组零部件金属焊缝中疲劳破坏区的形成和扩大，从而使之发生裂纹，以至断裂损坏而报废。

（2）使机组各部位紧固连接部件松动，导致这些紧固件本身的断裂，加剧被其连接部分的振动，促使它们迅速损坏。

（3）加速机组转动部件的相互磨损，如：大轴的剧烈摆动可使轴与瓦的温度升高，使轴承烧毁；发电机转子的过大振动会增加滑环与电刷的磨损，当励磁机与发电机的轴是刚性连接时，转子的剧烈振动也会增大整流子的磨损，并使整流子和集电环上发生跳火现象。

（4）尾水管中的水流脉动压力可使尾水管壁产生裂缝，严重的可使整块钢板剥落。

（5）共振所引起的后果更为严重，如机组设备和厂房的共振可使整个设备和厂房毁坏，当尾水管中的水流脉动频率与发电机及电力系统的自振频率接近时，负荷的微小变化所发生的共振，可能引起发电机本身的极大波动和电力系统的大幅度振荡，因而可使机组从系统中解列，对电站和电力系统的安全运行带来严重危害。

（6）机组过大的振动不仅危及水电站的安全运行，而且还影响水电站和电力系统的经济运行。这是因为不少机组均有一明显振动区，为保证机组的安全，应避开振动区运行，这就给机组之间和系统之间负荷的合理分配带来困难，因而不利于水电站和系统的经济运行。

2水轮发电机组振动的类型及原因

2.1机械缺陷引起的振动

机械缺陷引起的振动，其振动频率多为转频或者是多倍转频。轴线不直时，会迫使发电机的上导和下导（或法兰）振动加剧。发电机转子质量不平衡会产生较大的离心力，一方面会加大发电机上（下）机架振动，另一方面容易扩大发电机定、转子气隙的不均匀度，从而扩大不平衡磁拉力。

2.2电磁振动

水轮发电机电磁振动分为两类，一类是转频振动，另一类是极频振动。

（1）转频振动。转频振动是指转速频率和整倍转速频率振动。引起转频振动的原因是转子不圆和转子偏心。转子不圆和转子偏心不仅引起转动部件的转频振动，还会引起发电机定子铁芯（定子机架）的转频振动。

（2）极频振动。极频振动由转子磁场和定子磁场相互作用形成。极频振动的频率是100Hz（理论上也可以有200Hz、300Hz……），共振时定子铁芯的振动幅值会有所增大，但主要是出现比较强烈的100Hz噪声。产生100Hz极频振动的原因有：①定子分数槽次谐波磁势，振动幅值随负载电流增大而增大；②定子并联支路内环流产生的磁势；③负序电流产生的反转磁势；④定子不圆，机座合缝不好。当正向旋转磁场和反向磁场叠加，空间波个数比较少、且相应于该振型的定子铁芯固有频率接近100Hz时，定子铁芯振动最强烈。

2.3水力因素引起的振动

2.3.1导叶、蜗壳引水不均引起的转轮进口水流冲击

理想情况下，导叶在任何位置（开度）时，它两侧的流速和压力呈均匀的分布状态，相临流道内具有同样的能量平衡，此时水流正常平顺。然而，由于加工和安装上的误差，各个叶片和各个流道的形状与尺寸总是有一定的差别，有些差别还可能较大，这就会对水流产生扰动，扰动水流进入转轮区就会与之发生冲击，引起水轮机的振动和水压脉动。

蜗壳进水不均也能产生压力脉动。这种情况主要发生在鼻端处。蜗壳鼻端处的隔板（最后一个固定导叶）起隔流作用，即把从压力钢管来的水和流到蜗壳末端的水流分开。由于水流在蜗壳里的磨擦损失，使上述两股水流具有不同的能量，即鼻端隔板两侧水流的压力和流速不同，它们在鼻端后相遇就发生扰动，此扰动水流通过导叶流道与转轮相碰撞就会产生压力脉动。

2.3.2卡门涡列

当水流绕流叶片由出口边流出时，便会在出口边处产生涡列，旋涡从叶片的正面和背面交替的出现，形成对叶片尾部交变的作用力。当涡列频率与叶片自振频率相同时，便产生共振。共振时，叶片的动应力可能达到平均应力的50％以上，加上振动频率较高，因而极易使叶片产生疲劳裂纹甚至完全断裂。

2.3.3空腔气蚀

水轮机在非设计工况下运行会产生空腔气蚀，由空腔气蚀引起机组的顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动，它比横向振动的危害性更大。

2.3.4间隙射流

轴流式水轮机中，叶片和转轮室间隙处，由于正背面压差的存在，会形成一股射流，其速度很高。由于转轮的旋转，对转轮室某一部分来说，交替的出现瞬时压力升高和降低而形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动，使金属疲劳。

2.3.5止漏环压力脉动

由于制造和安装上的原因，使水轮机止漏环处偏心，或由于轴处于弓状回旋，它们引起止漏环间隙发生周期的变化，造成间隙内水压力脉动，从而引起转动部分的自激振动。

3结束语

综上所述，水轮发电机组的振动受到人们对发电机的设计、安装等方面的影响，不同的电厂出现的机组振动情况是不一样的，并且水轮发电机组的振动过大会影响各个企业的经济损失，我们必须根据每台机组的特点进行认真的检修，遇到不同的水轮发电机振动的情况，我们要先优化运行参数，制定发电机组的运行曲线，然后采取适当的方法解决这些问题，让水轮发电机组能够安全地进行工作。

参考文献：

[1]陈渊.罗坡坝电站2号水轮发电机组振动值超标的分析及处理[J].小水电，2013（4）.

[2]傅丽萍.水轮发电机组上机架共振分析及补气减振[J].排灌机械工程学报，2013，31（6）.