水轮发电机组振动分析及消出方法

水轮发电机组振动分析及消出方法

周绍文

（罗平锌电股份有限公司）

摘要：水轮发电机组对电厂运行具有较大危害，通过对振动原因及特点进行分析，针对具体的振动原因要采取相应的消除方法。

关键词：水轮发电机组，诊断分析，消除

随着目前水利水电行业的发展，水力发电机的容量逐步增大，结构也越来越复杂，这对于现在的大、中、小型水力发电机组的稳定性能显得尤为重要，水轮发电机组一旦不能确保其稳定性，后果难以想象。因此，时刻保持机组的稳定性及尽早发现诊断故障极其重要。发电机组稳定性的参数指标有振动、摆度和压力脉动，其中振动直接影响发电机组的工作质量。

1.水轮发电机组振动的危害及特点

水轮发电机的组振动是一种非常有害的现象，它能够在很宽的频率范围内发生，影响机组使用寿命，过分的振动，会使焊缝开裂，零部件疲劳断裂飞出，严重的威胁机组的运行安全，但这种振动又是不可避免的，我们只能在一定的技术条件下将振动尽量的减小，限制控制在允许范围内。而实际出现的振动问题常常是多个方面的因素合在起，变得更复杂。这样消除水轮发电机组振动这类问题。就会变得更复杂，常常是几个因素同时存在，给故障的排除增加了难度。由于电厂运行的需要、检修时间的安排，往往不允许花较多时间用于故障的诊断和排除。因此，对各类不同装置形式及所采用的轴承型式的水轮发电机组，根据其不同的额定转速对各部位的振动，均有一个允许范围。若超过这一范围，就视为机组在运行中不允许的振动故障。由于水轮发电机组工作的特殊性，其振动故障与一般动力机械相比，有较大的差异。引起水轮发电机组振动的原因要比普通动力机械复杂得多。除需要考虑机组本身旋转部分或固定部分的振动外,还需考虑流动液体的动水压力,水轮机过流部件的影响及发电机电磁力振动的影响。

2.引起水力发电机组振动的因素

水力发电机组振动通常情况下是受这三种因素的影响，机械不平衡力振动,水力不平衡力振动，电磁不平衡力振动。

(1)机械不平衡力振动，是水轮发电机组振动故障中最常见的振动故障，引起机械不平衡力振动的原因有：转子质量不平衡，机组轴线不正摩擦及导轴承缺陷的问题。转子质量不平衡会导致转子的重心与轴线有一定的偏心矩，转子在转动过程中，因惯性力作用会使得主轴发生弯曲，引起机组的振动。水轮机组与发电机组轴线不正会引起一定的振动，一般不大，在实际的安装过程中，要对两个机组的轴线进行盘车测量调整，保证两机轴的同轴度在合理的范围内。

(2)水力不平衡力振动，是水轮发电机组振动故障中最主要的振动故障，引起水力振动的原因有：水力不平衡、尾水管漩涡、卡门涡列、空气气蚀等因素。水力不平衡是指进入转轮的水流失去轴对称时会产生不平衡的径向力，造成水力不平衡的原因，主要是由转轮的机械加工因素导致如：导叶开度不均匀、涡壳形状不对称、转轮止漏环不均匀等。尾水管漩涡是由于尾水管内的压力脉动引起，这种压力脉动还可引起压力管、推力轴承的振动。卡门涡列是指当水流由出口边流出时，会在出口边产生涡列，这种漩涡交替出现会对叶片产生侧向交变力，当涡列的周期性振动频率与叶片自振频率相同时，形成共振，振动达到最大。空气气蚀是由于空腔发生气蚀而产生振动，垂直振幅较大，主要是由气蚀造成的共振导致。水轮机进水流道蜗壳、导叶中的不均匀流场均会产生旋涡，形成涡带进入转轮引起机组振动，其主要特征为：振动随机组运行工况变化而变化，且时而明显，时而消失。另外，在非最优协联关系或者非设计工况下运行时水力不稳定产生的振动，此种情况容易发生在低水头、低负荷运行时产生。

(3)电磁不平衡力振动，产生的原因主要有：定子与转子之间的间隙不均匀、定子与转子磁场轴心不重合，励磁绕组匝问短路等。这些缺陷会使定子与转子间隙磁通量不均匀，磁拉力不平衡，引起水轮发电机组的振动。

3.电磁、水力及机械三者不平衡的相互影响

水轮发电机组电磁不平衡主要因定子或转子的椭圆度较大，空气间隙不均匀，以及转子绕组匝间短路产生的磁力不平衡等造成；水力不平衡主要由于导叶、叶片开口不均，型线不好，止漏环间隙不圆度过大等造成。它们二者与机械不平衡的相互影响，共同作用于机组上。当一台机组轴线调整居中，导叶、叶片开口均匀（水力平衡良好)，空气间隙测量合格(电磁平衡良好)，若其存在转子质量不平衡，则运转后势必在某一方向上的摆度、振动大，轴线朝这一方向偏移，进而造成空气间隙及止漏环间隙的改变，从而也引起了电磁不平衡和水力不平衡。这种状况的机组在空转--加励磁--带负荷的工况改变过程中，其振动、摆度是逐渐增大的。解决的根本方法是消除转子的质量不平衡。可以把机械、电磁及水力不平衡力三者的相互影响关系归结为两类：当三者中任意两者的力矢量夹角在90度以内时，有相互增加的作用，当三者中任意两者的夹角大于90度时，有相互减弱的作用。

正因为三者的相互作用，当水轮发电机组振动、摆度较大时，

可采用综合平衡法进行消除或消减其不平衡力。当水力及电磁不平衡力不是很大时，可采用在相反方位进行配重的方式来减少其部分不平衡力，尤其对三导轴承比较接近的机组，效果特别明显。

当水轮发电机组出现动不平衡后，可通过试验找正不平衡方位，利用经验公式进行配重处理。

公式(1)是与振幅无关的经验公式：

P=KMg／Rn2(1)

式中：P--为试块重量kg；K--为系数(0.5～2.5)，高速机组取小值，低速机组取大值；M--为转子质量kg；g--为重力加速度980cm/S^2；R--为配重半径cm；n--为机组额定转速r／min。

式(2)是与振幅有关的经验公式：

P=450μM／Rn2(2)

式中：μ为机组配重前的最大振幅值mm；其它字母代表意义同公式(1)。

对于转速较高的机组，当转子磁轭高度大于转子直径的三分之一时，会出现较大的不平衡力偶，使上、下机架水平振动较大且方向相反，此时，应分别在转子磁轭的两个断面进行配重，必要时反复校正。

4.振动故障检测试验

为了查找机组振动的原因，通常进行振动试验。振动试验的目的是从振幅和频率的角度，确定振动的规律与故障部件间的关系，从而确定故障部件，找到振动的原因。通常做的振动试验有如下几种

（1）转速试验，由于转子质量不平衡，水轮机组与发电机组轴线不正、定子与转子磁场轴心不重合而产生机组的振动有一相同的特点，即产生的振动的振幅均随着转速的增加而增大。实际试验中，我们将转速逐步增大，发现上机架振动的幅值也逐渐增大，从而得出结论，转子存在质量不平衡。

(2)励磁电流试验，由于电磁振动的特点是随着电流强度的增加，产生的振动的振幅增大，而机械振动与电流强度没有关系，从而可能通过励磁电流试验判断是否是电磁振动引起的机组振动。我们将定子电压升到额定电压，上机架振动幅值逐步加大，上导摆度也逐渐加大，结果表明，转子存在电磁不平衡。

（3）负荷试验，如果振动的振幅随着负荷的增加而变化，则可以判断机组的振动与水力振动有关，在逐渐加大负荷过程中，并记录机架振动曲线，曲线达到最大值，造成这种结果的原因是尾水管低频压力脉动引起的。改变机组负荷，测量各种负荷下机组各典型部位的振幅及导叶接力器行程，绘制负荷与振幅或接力器行程与振幅的关系曲线。若振幅随机组负荷(或接力器行程)增减而增减，而机组在调相运行时振幅又大幅度降低，且水轮机导轴承处的振幅变化又较其它部位更为明显时，则水力不平衡是引起机组振动的主要原因。

（4）调相试验，首先使导叶关闭，机组转为调相运行，若此时振动减小很多，则振动的来源主要是水轮机的水力部分，若没有什么变化，则说明振动的来源主要是机组的机械部分和电磁部分。

5.水力发电机组振动故障消除方法

水力发电机组由许多部件组成，各个部件在实际的工作条件下，

一个或多个出现故障，都可能引起机组的振动，而引起机组振动是机械、电气，流体振动共同作用的结果，根据实际的振动情况，找到振动产生的原因，往往很困难。实际情况下，在寻找振动产生原因时，要进行多方面的研究与调查，了解引起振动的各种因素，并进行一些试验及分析，下面以我在实际工作中的机组振动为例，介绍实际故障分析过程。

案例1：景洪天生桥电厂在2014年运行中的＃2水轮发电机组，发电机型号为SF25-10/3250，转速为600r／min，在运行过程中，上机架水平振动突然增大，且随着负荷的增加而增大，最大水平振幅值达0.11mm。停机检查未发现各导轴承及固定部分螺钉断裂松动，排除机械原因引起的振动，后来采用电气测振方法，通过传感器、显示器、记录仪将机械振动量转换成电气波型图进行分析，发现振动波型无规律的瞬间变化，振动随负荷的增减，振幅变化来得越明显，说明水力不平衡是引起振动的主要原因，造成水力不平衡的原因，主要是由转轮（原转轮磨损严重）的机械加工因素导致。消除方法，重新更换按设计要求的转轮，对机组的各部件进行必要的检查，校核并调整止漏环间隙、定转子间隙、水轮机组与发电机组轴线、导轴承间隙等，调整在合理的范围内。通过更换处理后，启动运行测量，水平振幅值在0.06mm以内，其他各运行参数稳定正常。

案例2：罗平老渡口电厂机组,水轮机型号为HLA384-LJ-155，转速为428.6r／min，发电机型号为SF12.5-14/3250，自2005年安装投入运行开始，发现＃2、＃3水轮发电机组上机架振动水平最大0.15mm，水导处摆度最大0.37mm、振动0.06mm严重超标，损伤推力轴承及其他零部件，经过多次调整水轮机组与发电机组轴线、推力瓦水平、受力、导轴承间隙及其他各部件检查等，将振动水平最大降为0.06mm、水导处摆度降为最大0.20mm、振动0.01mm，基本消除，但上机架振动值仍然偏大，通过分析，做动平衡实验表明摆度幅值与转速平方基本成直线关系，从而确定了造成机组摆度、振动超标的直接原因是转子质量不平衡引起的。为此2009年4月5日进对＃3发电机组行了配重实验，经过实地测量，配重方位应在8#和9#磁极处,根据现场实际情况，在转子磁极键处配重。根据计算，分别在8#和9#磁极键处配重5.70kg和3.35kg,开机运行后工况有了明显改善，水导全摆度降为O.16mm，上导水平振动0.009mm,垂直振动0.005mm，表明配重质量已达到要求。用同样的方法，对＃2水轮发电机组进行配重处理，经过2010年、2011年至今的运行检验，目前机组带稳定负荷运行时的水导摆度及水平振动均在规程要求的范围之内，运行稳定，效果显著。

6.结论

水电机组产生振动故障的因素很多，在实际解决振动故障的过程中，针对具体的振动原因要采取相应的解决方法，并在实际过程中，要对机组进行时时监测，出现的各种振动因素加以分析总结，最终找出解决问题的关键。

参考文献：

[1]刘云.水轮发电机故障处理与检修[M].中国水利水电出版,北京,2002年2月.