水力发电机组运行中振动产生的原因分析

张华

摘要：水力发电机组一直存在振动的问题，这极大地影响了水电机组的正常运转，降低了效率，更严重威胁着水电机组的使用寿命，给发电企业带来了巨大的损失。本文着重分析了引起振动的三个方面的原因，同时也结合一些例子进行说明。

关键词：水电机组；振动；原因分析

中图分类号： TV547.3 文献标识码： A 文章编号：

1、机械振动

引起机械振动的因素有转子质量不平衡、机组轴线不正和导轴承缺陷等。质量不平衡，由于转子质量不平衡，转子重心对轴心产生一个偏心矩，当轴快速旋转时，由于失衡质量离心惯性力的作用，轴将产生弯曲变形，其中心获得挠度。转子重心绕中心作圆周运动，回转半径就是振幅。振幅越大，说明轴变形越太，振动得也越严重。本机组随负荷增加的振幅值变化不大，但空载时振动摆度明显很大；轴线不正，机组轴线不正会引起两种形式振动：弓状回旋：由于转轮几何中心偏离旋转中心，除直接形成回旋外，尚能增大离心力，两者均使振幅增大。摆振：在动水压力作用下，推力轴承处发生摆振。为此，在制造和安装时，必须使轴线找正。对新安装检修的机组，一般不会由于轴线不正而引起剧烈振动。但对运行一段时间后的机组，出于某些原因使轴线改变，如推力头与轴配合松动、卡环不均匀压缩、接力头与镜板间的垫变形或破坏等，都会引起机组振动。轴承缺陷：当导轴承松动、刚性不足、运行不稳或间隙过大而润滑不良时，会发生干摩擦。引起方向弓状回旋，即横向振动力。对机组来讲，轴承座刚度不够，带上负荷，主轴向水轮方向弯曲倾斜，转动时有挠度，是机组轴承振动加剧原因之一，导轴承间隙过小，会把转轴的振动传给基座和基础。导轴承间隙过大，转轴振动大，适当的导轴承间隙，有可能同时保证转轴与支座的振动均在允许的范围内。

2、水力振动

引起水力振动的因素有水力不均衡、尾水管中的水力不稳定和涡列等。

2.1 水利不平衡

当流入的水流失去轴对称时，出现不平衡的横向力，造成转轮振动。水流失去轴对称的主要原因是过流通道不对称。最主要原因是：蜗壳形状不正确，不能保证轴对称；导叶开度不均，引起转轮压力分布不均；在流道中塞有外物；转轮止漏时环偏心，止漏环偏心相当于一个偏心泵，所以造成压力脉动很大，特别是高水头水轮机更为严重。

2．2尾水管中水力不稳定

尾水管中水力不稳定现象，主要指尾水管中的水压周期性变化，压力脉动作用于机组和基础上，就引起振动、噪音和出力波动，同时它对尾水管里衬有相当大的破坏作用。这种情况，一般发生在非设计工况下。由于在非设计工况下运行，水流在尾水管进口有一个圆周分量，形成旋流。当此分量达一定值时，使在尾水管中出现涡带。涡带的形成与负荷有关，在较大负荷时呈柱状，在低负荷时(一般为35—75％额定负荷)，扭成螺线形。涡带在空间不稳定，一方面涡带本身在旋转，另外，整个涡带又绕尾水管轴心线旋转并同时向前游动。由于涡带的出现，使尾水管中的水流发生周期性的变化，引起水压脉动和管壁振动。

2.3 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，从叶片的正面和背面交替的出现，形成对叶片交变的冲击。当冲击频率与叶片自振频率相同时，便产生共振。由涡列所引起的振动只在一定水头和开度时才能发生，它能使叶片的根部或轮缘产生裂纹，有时还伴随着一定的音响。由于叶片长期处于共振频率下运行，使叶片产生疲劳，出现裂纹。

2005年5月份以来，黄河上游来水量增大，龙羊峡水库水位上升较快，目前的水位已达到2597.63。4台机组在高水头下运行，机组存在较大的运行工况不好区域，振动较大，对机组的正常运行影响很大。机组在高水头下运行了几个月，发现4台机组均有不同程度的振动，并且发现三四号机组尾水管衬与弹性层之间渗漏水增大，尤其是三号机组尾水入孔门，由于机组振动大，致使尾水入门四周的裂纹增加和增长，使得尾水入空门处漏水量增大，严重地影响了机组的正常运行。2005年11月3号机组检修，打开尾水人孔门检查过流部件时发现，尾水管里衬凑合节处焊缝出现裂纹，最长的一条长达3．7m，同时还有6、7处长短不同的裂纹，在尾水管的补气短管处和泄水锥上同样也发现了多条裂纹。

2.4 空腔气浊

水流通过水轮机时，其流向、流速随流道改变，在流速增高或脱流部位压力降低到汽化压力时水流中产生汽泡，汽泡进入高压区溃灭时便会出现汽蚀，汽蚀发生时，在汽蚀部位会发生特殊的噪声和撞击声。空腔汽蚀是流道中因漩涡带引起脱流、负压而造成的压力交变产生的振动。由空腔汽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更大。在轴流式水轮机中，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，对转轮室某一部位来说，交替的出现瞬时压力升高和降低形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动。

3、磁力振动

磁振动由发电机电磁部分的电磁力的干扰造成的振动叫做电磁振动。引起电磁振动的因素有：发电机二相不对称运行、发电机突然短路等。

3．1发电机三相不对称运行。发电机运行时，会发生三相不平衡负载。引起三相电流不平衡。三相不平衡电流会在三相绕组中产生一个逆序旋转磁场和一个负序旋转磁场。当负序磁场对着水力发电机转子纵轴附近时，因气隙小，磁阻小，磁力线就多，转子和定子问的作用力就大。当负序磁场对着转子横轴附近时。因气隙大，磁阻大，磁力线就少，转子与定子间的作用力就小。这样，负序磁场和转子之间的作用力时大时小，就使力矩变成两倍于周波数的频率而脉动，造成转子及定子机座的振动。

3．2发电机突然短路。发电机突然短路会使定子绕组的端部受到很大的电磁力的作用。这些力包括定于绕组端部相互间的作用、定子绕组端部与转子绕组端部相互间的作用力以及定于绕组端部与铁芯之间的作用力。另外，发电机突然短路还使转子轴受到很大的电磁力矩作用，所受力矩分为两种：一种是短路电流中使定子、转子绕组产生电阻损耗的有功电流分量所产生的阻力矩，另一种是突然短路过度过程中才出现的冲击交变力矩。这些电磁力及电磁力矩能使发电机组受到剧烈的振动，并给发电机部件带来危害。此外，非同期并列、系统故障、雷击也会使发电机组产生电磁振动。

结束语

水力发电机组运行中出现的震动原因在所难免，我们要从以上三大方面进行防护，协调好以上范围值。和可能出现的这些客观情况进行有效的分析和防控采取有效措施进行消除故障。希望本文的论述能对同行有所帮助。

参考文献：

（1）陈小沁，张利民，张健．东方电机股份有限责任公司．水轮发电机组振动测试和分析．上海大中型电机，2006．No．3．

（2）国家质量监督检验检疫总局．GB／T8564—2003．水轮发电机组安装技术规范．

（3）子动平衡方法及应用研究>．大电机技术2002年第2期．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。