水轮发电机组振动分析

摘 要：水轮发动机组振动有诸多原因以及危害。由于破坏了转轮结构和固定导叶，这种振动现象会威胁水电站运行的安全性和稳定性，降低水电站的经济效益。文章阐述了水轮发电机组原理、原因以及危害等问题，为了提高机组安全稳定运行延长机组使用寿命，我们要减少水轮发电机组振动这种现象。

关键词：水轮发电机组振动；原理；振动；危害

1 概述

随着社会的发展，水利工程对人们的生活至关重要，我们应该采取有效措施保障水利工程项目内部机电设备的正常运行。为了提高水轮发电机组的稳定性，对水轮发电机组振动进行分析与研究。

2 水轮发电机组振动原理

在机组运转的状态下，在水轮机作为其原动力的前提下，水能的作用能够直接有效激发水轮发电机组振动，还能够间接维持机组振动。流体、机械、电磁三者是相互影响相互作用的，由于气隙在不对称的状态下，由于发电机定子与转子之间的磁拉力不平衡的情况，当流体激起机组转动部分振动时会造成机组转动部分的振动，而发电机的磁场和水轮机的水流流场也会受到转动部分的运动状态的影响。

3 关于水轮发电机组振动的原因

3.1 机械原因

（1）机组轴线不同心。因为轴心线受到水轮机轴与发电机轴不同心的现象导致不正，因此出现振动，造成机械故障。它的主要振动特征1倍频和2倍频为径向振动的主要频率；2倍频分量与轴系不对中成正比，2倍频分量比例越大，轴系不对中越的现象越显著，一般会超过1倍频分量。

（2）不平衡的转子质量。水轮发电机组转子质量不平衡是是旋转机械最常见的故障，也是导致机组振动的常见原因之一。其转子质量不平衡振动现象表现有三点：随着转速增加振动频率也随之增加；以圆或椭圆为轴心轨迹；以转频为主要振动频率。

（3）轴承缺陷。引起发生干摩擦的原因：导轴间隙过大、松动、润滑不好，或轴承与固定止漏环轴线不正等，这些因素都会使机组横向振动。为了解决机械原因引起的振动等问题不影响精密度和相对同心度的降低，需要利用动平衡来调节轴瓦间隙和轴线等。

3.2 水力因素

（1）尾水管出现低频水压脉动。水轮机的转轮在未设定的工作情况下，在出口处形成脱流旋涡、旋转水流和汽蚀等现象，因为在尾水管内出现大涡带后，涡带在管内以接近于固定的频率转动，将会在尾水管内造成水压脉动。一但管内水流发生流动，压力脉动就会导致转轮、尾水管壁、压力管道、蜗壳、导水机构的振动。

（2）水力不平衡。因为正常水流受到块状物体卡在转轮叶片之间或较软的粗麻绳、橡胶带缠住转轮叶片的阻碍，使水力造成不平衡，产生引起机组振动。通过蜗壳的作用使具有动能和位能的水流形成环流，引起转轮旋转。在安装和加工误差等因素以及流道的外观形状和导水叶的叶片的尺寸相差很大时，其横向力会受到转轮的水流不再轴对称的影响产生不平衡，因此在低负荷或空载运行时将出现十分强烈的转轮振动。

（3）卡门涡列。机组振动也会受到转轮叶片出口处所形成卡门涡列的影响。如图1所示，卡门涡列与翼型的尾部形状以及流体的速度有密切关系，所以卡门涡列的振动幅度越大，表示其流量越大。

（4）空腔汽蚀。设计时要保证在最优工况区及附近不发生严重汽蚀，因为水轮机汽蚀与水轮机运行条件有密切联系。然而机组运行中，当系统要求在偏离最优工况区运行时，使转轮的出流条件发生极大变化，机组振动受到汽蚀在不同程度上加严重增加的影响。它的振动有三个特征：尾水管压力脉动大、尾水管进人孔门处噪声大、机组在某负荷工况下振动大，其振频为高频。

3.3 电气因素

（1）定子铁心叠片出现松动。在定子铁心叠加安装时，由于铁心压紧螺杆将会出现一定的紧靠力，然而长时间工作中，因为振动和温度的变化，铁心松动会受到螺杆压紧时出现的一些塑形变形而紧靠力降低或者螺母稍微松动以及铁心冲片出现绝缘老化收缩的情况的影响。铁心松动会造成振动，同时振动也会加快铁心松动。其振动频率是100赫兹。

（2）气隙不均匀。电力和机械力的结合点是气隙，发电机组振动会受到发电机定转子间气息不均匀在定子上产生单边磁拉力的影响。在发电机转子有摆度或不圆时，就会有不均匀的空气间隙产生，因此会产生磁拉力在单边不平衡的现象，同时转子的旋转会引起空气间隙沿着圆周做周期性移动，出现的单边不平衡磁拉力将会引起机组振动。它的振动特点：振幅随发电机出力以及励磁电流的增加而增加，振动频率为转频。

（3）定子绕组固定结构松动。把定子线棒用槽楔固定在槽中，有时线棒出现槽楔脱落，齿端铁片断裂的现象，是因为在长时间运行中，因为振动不断地摩擦，槽楔一般会容易松动，线棒将会出现压不紧的情况。

（4）不对称的三相负荷。绕组产生的转子磁场在定子不对称的三相负荷情况下与负序磁场同步在2倍转速下，两者相互影响，交变电磁转矩作用于转子、定子、机座和铁心上，引起机组振动，同时产生倍频。它的主要振动频率为100赫兹。

（5）转子磁极出现松动。机组在静止的情况下检测发电机大小间隙、定转子气隙是否分布均匀，规范设计气隙在要求范围内，气隙值比平均值范围在正负百分之十，此时如果转子磁极继续出现松动并且造成机组运行过程中出现气隙不均匀的情况，是因为机组在工作过程中产生不平衡的磁拉力现象的振动，在这种工作状态下，产生位置不断变化的气隙不均匀。

4 水轮发电机组振动的危害

振动对机组安全的危害在于：由于尾水管出现低频压力脉动，尾水管壁将出现裂缝，当发电机的自振频率与尾水管低频压力脉动的频率两者接近时，出现共振，机组此时会产生大幅度波动，以致于机组从电力系统中分解，严重地危害正在受益的建筑物。当机组各连接部件出现松动，部件之间出现摩擦的情况，将导致焊缝和零部件的过度疲劳、加大裂缝的深度甚至严重时将会断裂。

5 结束语

水电站的核心组成部分是水轮发电机组。引起其振动因素很多，主要包括：机械因素、水力因素、电气因素，研究这三种因素的主要特征，分析水轮发电机组振动原因，确定振动位置，采取有效的解决措施切实地解决机组振动问题，使水轮发电机组运行的稳定性和可靠性得到提高，给整个水电站的经济效益和运行效益。

参考文献

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[2]龚斌辉.水轮发电机组运行中的振动分析[J].低碳世界，2016（08）：132-145.

[3]梁学辉.水轮发电机组振動分析[J].中国水能及电气化，2013（03）：223-234.

作者简介：马骏华（1966，6-），男，民族：壮族，籍贯：广西德保县，学历：大专，职称：工程师，现工作或学习单位：广西麻石水力发电厂，研究方向：水电站水轮机、调速机。