水轮发电机组振动原因和处理措施分析

黄华珍

（福建南平闽龙水电设备安装有限公司 福建 南平 353001）

1 水轮发电机组振动所带来的危害

水轮发电机组振动时产生的危害主要有以下几点：①发电机组的部分紧固部件会产生松动甚至断裂的情况，同时也会连带着连接部件的振动，使得它们的使用寿命急剧缩短。②使得机组的零部件出现金属和焊缝之间的疲劳损坏区，时间一久，损害就会更加严重，甚至会出现裂缝，进而使得它们完全报废不能使用。③更为严重的是水轮机组的共振，如机组设备与厂房的共振，就会在不同程度上破坏厂房以及里面的各种设备。④水轮发电机振动会使机组旋转部分相互磨损得更加厉害。⑤尾水管中会形成涡流脉动压力，情况严重时，尾水管壁会因压力而裂开，而且也会破坏整个尾水设备。

2 水轮发电机组振动的缘由

与普通的动力机械的区别在于，水轮发电机组振动缘由需要考虑的情况比较多，第一是机组在自己作业运行的时候必不可少的会产生强烈的振动；第二是，水流在水轮机运作时所形成的压力、发电机本身的电磁力和部分固定部件所产生的振动也会对发电机组和它的零件产生振动影响。而且机械、流体、电磁在发电机工作的状态下也是相互作用的。（图1是水轮机发电组示意图）所以，引发水轮机组振动是水力以及机械等各种因素造成的，详细缘由主要体现在以下几个方面：

图1 水轮机发电组

2.1 机械方面的原因

由于机组振动会产生一些干扰力，而这些干扰力主要是因为机械本身的摩擦、惯性力以及一些其他的作用力产生的，所以把这些转子质量不平衡、主轴刚度不够、机组轴线不正等因素归结为机械方面的原因，它的主要特征就是机组转动的频率和转速是相同的、而振幅则随着转速平方的增大而增大。

2.2 水力方面的原因

水力方面的原因主要是动力水压对水轮机的干扰，而且在这一方面是比较不受控制的，有着很大的随机性。特别是在水轮机运行过度或者在非设计的环境下工作时，机组的一部分组件会因为不理想的水流状况而振动加速甚至断裂。机组的振动一般是随水头的降低而减弱，因为单位体积水流的能量取决于水头，高负荷、低水头时振动的频率才会有所下降。具体使得机组振动的水力方面的原因在以下几个方面有所体现：

（1）通流器件中水力不平稳。当水流进入转轮时，出现不对称情况，就会产生不稳定的横向作用力，然后使器件喘振，并且在低载荷或者零载荷运行时，会有高强度振动。所以流通通道不对称会造成流体不对称。

（2）尾部流通管产生涡流带。涡流带是一种复杂流体形式，定桨式流体输送机在局部载负（器件开度40%～70%或最优流体流量的30%～80%）的时候，尾部流通管中出现的一种不平稳的流体模式。这一流体模式大致上会呈现螺旋形状，它的涡流核心会偏向某一方向转动，令尾部流通管的流体出现大幅度的低压脉冲，它的脉冲率为F w=n/（3～6），范围在40%～70%器件开度时，脉冲压力的数值会出现最大值，造成不正常运转。在涡流带脉冲率和发电机部件的振动频率产生共振时，该单元器件会产生振动减少发电量；在脉冲率和刚性管道流体振动频率或者压力钢管自有振荡频率相似的时候，就可以让刚性管道出现非常大的流体振动；在涡流带的频率和基地工程自有振动频率近似的时候，会造成基地工程强烈振荡。

表1 2#机组振动数据测试

（3）卡门涡流。在流体绕经轮片从入口那边输出的时候，会在输出口那边出现涡流列，当在轮片的正反面间断轮流出现时，会令轮片受到流体的撞击。在撞击频率和轮片自身振动频率接近时，就会发生共振情况。一般只有处在某一范围内的水头和开度时，才会发生一般涡流列造成的振荡，并造成轮片底部或者轮叶边缘出现裂痕，事故发生时可能会有声响。

（4）尾部流通管安装位置低。转桨式流体输送机的尾管一般安装位置很低，流体输出口会出现不稳流体，如果拐弯之前还不稳定，并且低尾管会造成流体与弯道管入口之间距离缩小，不平稳流体在进行拐弯时，会出现周期的作用力进行干扰，引发单元部件的振荡。

2.3 电气因素造成的振动

发电机组中电气引发的磁场力是产生该单元机组振荡的主要因素，其振动幅度随着电磁流量的增大而增大，并且发电机组在不对称的三相电流中、发电机组出现故障时运行机组转子接地、磁场不均等都是它的重要特征。其中一点是机组转子的接地：发电机组在运转时，因为产生转子接地的状况，可能造成一些短路等故障，会让电阻值减小，大量的电流经过故障点时，容易产生电场的不平稳，让发电机组振荡激烈。

3 水轮发电机组振动的处理措施分析

3.1 机械方面的原因的应对措施

对于机械方面的原因，想要减小振动就得把精密度和同心度相对提高，主要途径有调整轴线、改变轴瓦间隙或者平衡相对改动等方法。下面本人就工作中遇到的问题进行实例分析：

例：云南马关山花坝电站2#机组发生较大的振动，上机架最大振动幅值达0.15mm，到现场后首先对机组定子、机架紧固螺丝及转子磁极等部位进行检查。在排除了这些因素后，我们对机组在各种运行状态下进行了振动测试，测试情况如表1。

从表1可以看出，在变速试验过程中，振动变化明显，最大振幅达0.07mm，说明机械因素是主要原因。从空载试验及带负荷试验中的励磁电流恒定测试可以看出，励磁电流及有功负荷对振动都产生了明显的影响。我们对2#机上导轴承间隙进行了实测，发现轴瓦间隙已发生了较大的变化，最大间隙达0.45mm(标准为0.2mm)，接着对机组上导、下导轴承间隙重新作了调整，使之在标准范围内，机组启动后，对机组各种状态进行了振动测试，最大振幅不超过0.04mm，振动消除，成功处理了困扰了该站半年的振动问题，使机组安全稳定运行。

3.2 水力因素造成振动的应对措施

（1）避免卡门涡引起的振动有两种方式。一是改变叶片的型号或者把出水的一边削薄，使得正、反两侧面形成的交变漩涡力量变小甚至消失，二是采用改变卡门涡频率或叶片固有频率的办法。

（2）避免气蚀与尾水管涡带引起的机组振动，可以在尾部流通管入口处安装导流瓦和导流翼板等，使涡带产生的振动减小甚至消除，补气的措施也可以达到减振消振的效果。

（3）改变卡门涡频率或叶片固有频率，可以针对止漏间隙不当引起的振动。通过一系列实际运作可以发现，适当地增大外止漏环间隙可以减小机组振动，因为增大间隙可以减弱转轮偏心运动对转轮背面止漏环间隙压力的影响。而增加补气孔面积的方法可以针对冒水而使尾水位抬高甚至淹没转轮或冲击式水轮机机壳上补气孔太小的现象。

3.3 电气因素造成振动的改进对策

对于电气因素造成的振动，要定期检修测验，在运行的时候做到早发现早处理，多加强保护监控，及时找出电气故障并加以处理。

4 结语

就目前而言，在我国水电站普遍出现的一个难题就是水轮机的振动问题，一旦振动超过国家规定的允许值范围，水轮发电机组的使用年限将大大缩短，并直接影响到水电站的经济效益，因此水电站的运行维护人员应当加强对机组振动原因的排查，及时找出原因并采取相关措施消除，只有早检查早清除，才能防患于未然，最大程度减轻事故影响，维护机组安全稳定的运行，发挥更好的经济效益。

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