水轮发电机组振动分析

梁学辉

(中国电力投资集团公司格尔木太阳能发电分公司，青海西宁 810016)

1 水轮发电机组振动机理

水轮发电机组的振动与一般动力机械振动有一定差异，除了机器本身转动或固定部分引起的振动外，还需考虑发电机电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统及其部件振动的影响。在机组运转的状态下，流体—机械—电磁三部分是相互影响的，当水流流动激起机组转动部分振动时，由于气隙不对称变化，在发电机转子与定子之间的磁拉力不平衡也会造成机组转动部分的振动，而转动部分的运动状态出现某些变化后，又会对水轮机的水流流场及发电机的磁场产生影响。因此，水轮机的振动是电气、机械、流体等多种原因引起的。鉴于问题的复杂性，将引起水轮机组振动原因大致分为机械、水、电气三方面的因素来分析。

2 水轮发电机组振动的危害

振动是旋转机械不可避免的现象，若能将其振幅限制在允许范围内，就能确保机组安全正常运行，但较大振动对机组安全的不利之处在于:使机组各连接部件松动，使各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏;引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂;尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝，当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，将发生共振，引起机组出力大幅度波动，可能会造成机组从电力系统中解列，甚至危及厂房及水工建筑物。

3 振动原因及对策

3.1 水力因素

振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性，当机组处在非设计工况或过渡工况运行时，因水流状况恶化，机组各部件的振动亦明显增大。由于单位体积水流的能量取决于水头，所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱，高水头、低负荷时振动相对而言较为严重。产生振动的水力因素主要有水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。

(1)水力不平衡。具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流，经分布均匀的固定及活动导叶作用于转轮，激发转轮旋转。由于加工和安装误差，导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时，作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，在空载或低负荷运行时振动强烈。

(2)尾水管低频水压脉动。水轮机在非设计工况下运行时，由于转轮出口处的旋转水流、脱流旋涡和汽蚀等影响，在尾水管内常引起水压脉动，尤其是在尾水管内出现大涡带后，涡带以近于固定的频率在管内转动，引起水流低频压力脉动。管内水流一经发生，压力脉动就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。

(3)空腔汽蚀。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。

(4)卡门涡列。恒定流束绕过物体时，在出口边的两侧出现漩涡，形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡，进而互相干扰、互相吸引，形成非线型的涡列，俗称卡门涡列。当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时，将产生共振，并拌有较强的、频率比较单一的噪声和金属共鸣声。

对于水力因素造成的振动，可以采取以下措施:①气蚀与尾水管涡带引起的机组振动，可采用补气的措施减振消振，也可在尾水管入口处装导流瓦和导流翼板等，都可使涡带引起的振动减轻或消失;②对卡门涡列引起的振动，可采取改变卡门涡列频率或叶片固有频率的办法，也可将叶片出水边削薄或改型，使正、反两侧面构成的交变漩涡抵消或削弱，避免共振;③止漏间隙不当引起的振动，可通过调整间隙使其匀称方法消除振动。实践证明:适当增大外止漏环间隙，可使转轮偏心运动对转轮背压止漏环间隙压力的影响明显减弱，从而减小振动。例如李家峡水电站1号及4号机组，曾因止漏环开焊造成水力振动增大，后期对其及时进行更换后振动明显减弱。

3.2 机械因素

振动的机械因素系指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其他力，特征是振动频率等于机组的转动频率或整倍数的机组转动频率。引起振动的机械因素主要有转子质量不平衡、机组轴线不正、导轴承缺陷等。

(1)转子质量不平衡。由于转子质量不平衡，转子重心对轴心产生一个偏心距，当轴以角速度旋转时，由于失衡质量离心惯性力的作用，轴产生弓状回旋，这种振动也叫振摆。特征是振幅是随转速度变化而变化的。

(2)机组轴线不正。在旋转机械中最理想的状态是机组中心、旋转中心及轴线三者重合。机组轴线不正的主要表现形式是轴线与推力头底平面不垂直和轴线在法兰结合面处曲折，由于轴线倾斜和曲折，机组转子的总轴向力不通过推力轴承中心就产生一个偏心力矩。随着转子的旋转，偏心力矩也同时旋转，各支柱螺栓的受力是脉动力，其脉动频率与转速频率相同，从而产生推力轴承各支柱螺栓的轴向振动，转子也随之产生振摆。轴线不正，也是引起径向振动的原因之一。

(3)轴承缺陷。当导轴松动、间隙过大润滑又不良，或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦，引起机组的横向振动。

机械原因引起的振动应采取如下措施:通过动平衡调整轴线或调整轴瓦间隙等来提高相对同心度和精密度。例如李家峡水电站1号机曾经由于动平衡实验结论不合格，对转子摆度过大的缺陷采用了转子配重的措施，取得了较好的效果。

3.3 电磁因素

振动的电磁因素系指振动中的干扰力来自发电机电气部分的电磁力，特征是振动随励磁电流的增大而增大。引起电磁振动的主要因素有转子绕组短路、空气间隙不均匀等。

(1)转子绕组短路。当一个磁极因短路而引起磁动势减小时，和它相对应的磁极的磁动势并未变，因而出现一个与转子一起旋转的辐向不平衡磁拉力，引起转子振动。这种振动的大小取决于失去作用的线圈匝数，其振动的振幅与励磁电流有关，磁电流增加，振幅增大。当去掉励磁，振动立即消失，所以很容易把这种振动和其他原因产生的振动区分开来。

(2)空气间隙不均匀。当发电机转子不圆或有摆度时，空气间隙就会不均匀，从而产生单边的不平衡磁拉力，随着转子的旋转而引起空气间隙周期性变化，单边不平衡磁拉力沿着圆周做周期性移动，引起机组振动。

对于电气因素造成的振动，除了应该遵守制造厂家有关规定外，还要定期检修试验，运行中应加强监视，做到早发现早处理。

4 结语

减少水轮发电机组振动对提高机组安全稳定运行、延长机组使用寿命具有重要的作用。建议通过水轮发电机组振动试验和观察结果进行分析、归纳、比较，然后作出判断:① 分析和判断水力、机械和电磁三者的影响;②和已知的振动实例进行比较;③分析振动部件的振型;④对比各测量值之间的关系;⑤与机组过去的情况比较;⑥分析振动性质;⑦进行进一步试验。

科学研究院.水轮机水利振动译文集［M］.北京:水利电力出版社，1979.