浅谈发电机组振动超标原因及处理策略

2016-08-16杨庚

中国高新技术企业 2016年22期

杨庚

摘要：电力是我国主要的能源之一，因此维护发电机组的正常运转非常重要。文章通过对发电机组中的水轮发电机组的振动超标原因进行分析，并以其为基础，对水轮发电机组振动超标的处理策略进行了探究。

关键词：发电机组；水轮；振动超标；处理策略；电力工业文献标识码：A

中图分类号：TM34 文章编号：1009-2374（2016）22-0068-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.033

电已经成为我们生活中必不可少的元素。发电机组是电力工业中最为关键的设备之一，如今社会中技术较为成熟、应用较为广泛的是水轮发电机组。水轮发电机组在运行工作过程中，经常会出现振动超标的现象，这给发电机组的正常运用带来了极大的安全隐患。因此为了保证发电机组的正常运行，对发电机组出现振动超标的原因及其处理策略进行研究和探讨是保证发电机组系统正常运行的关键。

1 水轮发电机组振动超标的原因

水轮发电机组设备在结构上较为复杂，这也使得整个机组对运行的环境有很高的要求，只有在特定环境下水轮机组才能正常运行，因此，水轮发电机组发生故障的几率很高。而且水轮发电机组振动超标，对发电机组和人都会产生不好的影响。例如引起发电机组的部件松动，增大部件之间的摩擦，加快部件的损坏；不利于发电站的正常、安全运行；振动超标产生的噪音不利于工作人员及周围居民的身心健康等。

水轮发电机组的振源有很多，其中主要的有三个，即机械振动、水力振动以及电磁振动。对这些振动，若把握得不好，就会使水轮发电机组出现振动超标的情况。下面对水轮发电机组的三个振源分别进行分析：

1.1 机械振动

使水轮发电机组发生机械振动的原因有机组转子的振摆、弓状回旋、转子“抖动”以及一些其他的机械

原因。

第一，机组转子的振摆。作为引起水轮发电机机械振动的原因之一，机组转子的振摆产生的振动频率是以转频为主频，与倍转频混合的频率。机组转子的振摆是指轴承在机组转子的总轴向力偏离了轴承的中心时，因为其受力不均匀产生的轴向变形，从而使得机组转子发生振摆。特别是出现轴承的大轴中心位置不正、轴线不直或不平、导轴承的中心与转子中心不在同一点、水轮机不在最好的工作环境等情况时，转子振摆的频率会尤其高。

第二，因机组转动件之间不平衡引起的弓状回旋。这里的弓状回旋主要是由水轮发电机组转动件的质量不平衡、质量偏心所引起的，此时振摆频率和转速频率达到一致。机组转动部件的质量不平衡、质量偏心等问题，很容易导致转动部件在转动过程中，产生离心力，从而引起弓状回旋，造成水轮发电机的振动。当转动部件的转速近似等于临界转速的时候，甚至会产生共振，对水轮发电机产生非常不好的影响。机组转动部件出现质量不平衡，大多数都是因为其在制造、安装或者是检修的时候出现了纰漏。

第三，转子“抖动”。转子“抖动”是一种横向振动，该振动的方向刚好是轴回转的反方向，振动的频率与轴产生振动的频率相同。转子“抖动”是指水轮发电机组在运行过程中，导轴承出现松动或者间隙不合适、刚性没达到要求，并且机组的运行不稳定、润滑工作没做到位的时候，导轴承与转轴发生干摩擦，使得轴承出现反方向的旋转，从而产生的横向振动。

第四，其他机械原因引起的振动。除了上述原因，还有一些机械原因会引起机械振动。例如因为导轴承的质量太差、导轴承间隙过大或过小、水轮机径向盘的盘根密封调整得不恰当、润滑没达到要求等。

1.2 水力振动

水力振动大致可以分为由尾水管涡带引起的振动、卡尔门涡列引起的振动、狭锋射流引发的振动、协联关系不正确引发的振动等。

第一，尾水管涡带引起的振动。当水轮发电机组的工作的实际负荷与设计负荷相一致的时候，转轮流出的水流方向才会与轴承的转向相同。实际负荷大于或者小于设计负荷都有可能引起尾水管里面压力脉动，这个脉动的频率f等于水轮机转轮转速n除以经验值Z，再除以60。其中的经验值Z一般为3～4，偶尔取到1～5。频率的值以及其幅度会根据发电机组的工作状况而做出相应的改变。当尾水管内的压力脉动频率值与过水系统水压脉动频率值相似时，水轮发电机组整个过流系统的水压脉动就会不断地变强，发电机组产生振动；假如水轮发电机组在“飞逸”泄水的工作状态下，水轮发电机的尾水管进水的地方，就会因为水流的冲击而产生更大的压力脉动，从而导致水轮发电机组的振动超出标准。

第二，卡尔门涡列引起的振动。卡尔门涡列即当水轮发电机组的转轮叶片和导叶在大冲角或者在尾部不平滑的出水边上时，在水流绕流叶片的上表面和下表面，边界层因为脱流而在绕流物后面出现的漩涡。假如水轮发电机组的叶片、导叶以及固定导叶出现振动，其原因很有可能就是卡门涡列的形成。卡尔门涡列引起的振动的振动频率f等于斯特劳哈系数Sr乘以绕流流速V，再除以板厚或者圆柱体直径d。其中斯特劳哈系数Sr一般的取值范围为0.20～0.27。

第三，狭锋射流引发的振动。狭锋射流即在轴流式水轮发电机组中，转轮叶片的外边缘与内壁之间，会由于转轮叶片的工作面与背面之间的流体压力差，而出现一股射流，这股射流具有高速、低压的特点。转轮在转动过程中，随着转轮叶片的转动，转室的内壁受到的流体压力会变化，一会儿高，一会儿低，就容易使水轮机组发生振动。并且狭锋射流引发的振动的振动频率f等于水轮机叶片数Z1与水轮机转速n的乘积除以60。其中水轮机叶片数一般为6片。

第四，协联关系不正确引发的振动。在轴流式的水轮发电机组中，水轮机的叶片与导叶之间的协联关系很重要，如果水轮机的叶片与导叶之间的协联关系不正确，水轮发电机组的转速会因为调速器系统的振荡过程的边长而发生改变，水流不断的冲击着叶片，出现振动。当叶片因为水流的进入出现干扰，这个协联关系就容易遭受破坏，叶片的表面出现脱流或者空化的现象，进而使得叶片发生振动。

第五，其他原因引发的振动。当水轮发电机出现严重汽蚀的时候，水轮发电机组会因为运作不顺利，产生不同程度的振动和不同强度的噪声。特别是在低负荷的时候，转轮叶片的冲角变化不同往常，变化比较大，转轮叶片表面出现的脱流漩涡，会使得发电机组的汽蚀情况恶化，与此同时，还极有可能引发转动部件以及尾水管振动，使发电机组的振动出现严重超标的情形。除了汽蚀，在水轮发电机组准备停机或者甩负荷的过程中，导叶在即将关闭的时候出现的反水锤也会诱发水轮发电机组振动。除了上述的两种情况，过渡过程中的地势不平、导叶与叶片之间的耦合、部件形状的不对称等原因，也会引发水轮发电机组振动。

1.3 电磁振动

水轮发电机组发生电磁振动，大多是因为在其设计、制造或安装过程中出现电磁力不平衡、参数匹配不恰当等。其中主要的原因可以概括为以下五点：

第一，转子圆度不符合要求或者转子的旋转中心不到位。

第二，因为受力不平衡，而导致的发电机转动部分振动，并且该振动的振动幅度会随着励磁电流的增大而不断增大。

第三，在电路出现短路的情况时，很有可能会使得某些磁极的磁动势减小，但是与其相对应的磁极的磁动势并没有随之发生变化，那么就会出现一个跟转子旋转的辐向不平衡的电磁力，从而导致转子振动。并且该振动幅度会随着定子电流的变大而不断增大，电流越强，振动级别随之变强。

第四，定子铁芯松动或者定子铁芯组合之间的缝隙大小发生改变，而诱发的振动会因为机组转速的变化而相应的发生变化，这时的振动频率几乎电流频率成倍数关系。

第五，假如定子绕组固定得不够牢固，机组和绕组在电磁负荷比较高的时候，将出现不同频率的振动，并且该振动频率会因为机组转速和电磁负荷的变化而不断变化。

2 水轮发电机组振动超标的处理策略

通过以上对水轮发电机组振源的分析，可以了解到发电机组出现振动超标的原因有很多，每一个振源发生振动频率过高的问题，都有可能导致水轮发电机组的振动不符合规定标准。然而发电机组出现振动超标会带来的危害颇多，因此必须采取预防措施，提高制造和安装质量，减小产品误差，减少振源。其主要措施有：

第一，尽量在发电机组的设计、制造、安装与使用上做到严格根据要求进行。利用科学技术，尽可能地提高发电机组的各部件的质量，合理的设计、配置，以减少出现部件的质量不平衡的情形。仔细检查对每一个部件，在水轮发电机组的设计过程中，对可能引起质量不平衡、质量偏心的部件，都必须采取配重措施。

第二，在发电机转子的安装过程中，要格外注意转子的位置、中心、润滑等，提高转子安装质量，尽可能避免转子出现质量不平衡的情况。必要时还可以使用先进仪器和平衡配重等软件，对现场的平衡进行精确的是试验，力求将机组转动部件出现质量不平衡的几率降到最小，甚至为零。

第三，在水轮发电机组的设计过程中，采取必要的措施，防止出现因磁轭不均匀而产生的径向位移。