立式混流式水轮发电机组振动增大原因分析及处理办法

黄磊

【摘 要】对于水轮发电机组来说，振动始终都是影响水电站安全运行的一项关键因素，因此，通过减小机组振动的方式能够有效延长机组的使用寿命，并大幅度提高运行可靠性。与此同时，一旦机组振动过大，轻则危及发电厂正常运行，重则导致焊缝、零部件疲劳破坏区的形成，缩短使用寿命，由于高速转动零部件的相互磨损，烧毁轴承，由于剧烈振动，使油管接头松动脱落，进而引发严重的安全事故。

【关键词】水轮发电机；振动增大；原因分析；处理办法

引言：

水轮发电机组作为一个弹性组合体，在旋转运行过程中，所受作用力无法做到绝对平衡，因而会不可避免的产生振动。但是如果水轮机发电在机组在运行过程中出现异常振动，就会导致机械连接件产生松动或者变形，导致一些零件或者部件出现疲劳、裂纹甚至是断裂现象，导致机组运行事故和供电质量，威胁机组的安全和稳定运行。

一、水轮发电机振动增大的危害

水轮发电机振动在旋转机械的运作过程中属于不可避免的现象，一旦水轮发电机振动幅度超出正常范围将会造成严重后果，主要表现为：第一，水轮发电机振动增大将会导致水轮机的零部件或焊缝部位出现疲劳，导致裂缝扩大的现象或零部件断裂的现象出现；第二，水轮发电机振动增大会让水轮发电机的机组连接部位出现不同程度的松動现象，让各转动部件及静止部件之间产生较大的摩擦力，甚至出现扫膛损坏的现象；第三，水轮发电机振动增大会引起尾水管出现低频压力脉动现象，导致尾水管壁出现裂缝现象，当发电机、电力系统与其频率的自振频率相接近时，会产生共振现象，引起机组出力大幅度波动现象，最终导致机组从电力系统中解列，对厂房和相关建筑造成危害。

二、立式混流式水轮发电机组运行中的振动原因

机组振动可以分为水力振动、电磁振动和机械振动三类。

（一）产生水力振动的因素

水力不平衡：当流入转轮的水流失去轴对称时，就出现一个不平衡的横向力，致使造成机组振动。其水力不平衡主要表现于导叶开度的不均匀，或者止漏环制造过程圆度不够以及安装时其间隙调整的不均匀。

尾水管中水力不稳定：尾水管中水压不稳定，水压周期性变化，压力脉动作用于机组和基础上，就会引起机组振动、噪音和出力波动。

空腔汽蚀：空腔汽蚀会引起机组的顶盖和上机架出现剧烈的垂直振动。

空腔汽蚀：检查汽蚀现象，如果没有汽蚀，或者汽蚀轻微，则该机组振动不是水力因素引起的，或者说水力因素影响甚微。

（二）电磁因素

振动的电磁因素是指振动中的干扰力来自发电机电气部分的电磁力。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。

转子绕组短路：当一个磁极的磁动势因短路而减小时，与其相对的磁极的磁动势没有变化，因而出现一个跟转子一起旋转的不平衡磁拉力，引起转子振动。

空气间隙不均匀：当发电机转子不圆，或机组中心不正时，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作周期性移动，引起机组振动。

（三）机械因素

设计及加工中的原因：在设计并制造水轮发电机的过程中，如果发电机的整体支撑结构刚性较小，且制造过程中的加工精度较差，机组转动部分的平衡校验存在误差等，都会导致水轮发电机组在实际运行过程中出现振动增大的情况。

安装及运行过程中的原因：为了保证水轮发电机正常工作，在安装过程中应该高度重视水轮发电机轴类零件、轴承类零件等重要连接件的安装质量和对中情况，如果对中不准确，轴类零件就会出现上下晃动，进而增大振动幅度。在安装及检修的过程中，机组的大轴中心线会与推力轴中心线重合，但由于两轴上的绝缘垫薄厚不一致，设备在运转过程中会出现轴线偏移的情况，进而引起振动。新进水轮发电机组在安装过程中会容易出现轴套歪斜的情况，进而引起机组振动，主要原因是轴和孔在加工时会残留一定的椭圆度，进而导致轴和孔的中心线垂直度不一致，最终引起振动。此外，老机组推力轴由于多次检修，再加上套入及拨出轴承的次数增加，进而导致老机组的推力轴磨损严重，在套歪后极易导致振动现象。

轴线的原因：水轮发电机轴线主要通过调节推力瓦及镜板之间的绝缘垫调整轴承的振动。因此，机组从稳定的、安全的运行状态转变为振动且逐渐增大的情况很可能是由于绝缘垫不平稳导致的。此外，机组长期运行会导致轴的高点变形，进而导致轴线偏移，使振动幅度增大。

动不平衡力的原因：由于水的作用力较大，会导致动不平衡力增加，导进而增大了机组的振动幅度，导致这种现象主要原因是机组旋转体不平衡或轴承间隙过大。如果机组的主轴和推力轴之间的间隙过大，或存在卡环不合格的情况，就会导致机组运行过程中推力轴摆动，进而带动旋转体摆动，最终增大振动幅度。在安装推力轴时，为了便于安装需要将轴套加热，而轴套冷却时由于收缩不均匀，就会导致主轴与下端面出现接触不良的现象。如果推力轴套内孔下配合面存在生锈的现象，就会导致推力轴与主轴配合间隙增大，进而分布在整个圆周之上，在推力轴受到不稳定力的作用下，间隙会逐渐增大，最终导致振动增大。

三、水轮发电机组振动的处理对策

（一）电磁振动的处理对策

由于电磁振动主要是由于发电机电磁力和磁拉力的异常而导致的振动，而且主要是由于转子磁极形状、方向以及安装等原因使磁极拉力不同而产生的振动。因此，在建设、维修的过程中，工作人员要与安装单位的技术人员、作业人员共同现场复核，尽可能的减小定子与磁极的距离，避免振动的发生。

（二）机械振动的处理对策

机械振动的主要原因就是机组内部的转子质量不平衡，由于转子质量不平衡引起的机械故障占总故障的六成以上，所以，相关工作人员应该高度重视转子质量不平衡问题。转子质量不平衡主要分为静不平衡与动不平衡两种。其中，静不平衡主要是指在转子的垂直方向产生了中偏离轴心的力，进而导致转子转动时晃动大。动不平衡主要是指在转子垂直方向的反方向产生了一种偏心力，由于转子质量不平衡而转变成转子中心对轴的偏心距，进而使振动情况加剧。因此，维修人员在处理机械原因导致的水轮机组振动增大的问题时应该检测转子的质量不平衡状态，明确振动增大是由静不平衡引起还是动不平衡引起的。具体检测时可以通过测量转子圆度的方式，检测转子的中心是否与主轴的轴线重合，必须保证转子轴心和主轴的中心在一定误差范围之内，才能有效减小振动，保证机组正常工作。

（三）水力振动的处理对策

对于水力振动来说，工作人员可以通过在导叶关闭油路中安装分段关闭阀的方式，控制导叶关闭速度，即可有效解决问题。此外，现今绝大多数的水电站机组为轴流旋桨式，如果没有做好协联曲线则会导致水轮机无法处于最优协联关系，这样的状态水流就会产生冲角，继而引起水力不平衡，产生振动。机组在运行过程中如果能够将机组调速器桨叶切换为手动运行，也可明显降低振动。

四、结术语

水轮发电机组运行时，必然会产生振动，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。在掌握各种振动特征的基础上，针对机组的实际振动状态，用科学的方法，逐一排除疑点，缩小故障原因的范围，尽快得到正确的诊断结果，尽早处理，防止故障的进一步扩大，避免重大事故的出现，保障水轮机机组的安全、经济、稳定运行。

【参考文献】

[1]李方.关于水轮发电机组振动的原因分析与处理对策探讨[J].水能经济，2017（1）：20-20.

[2]李小义.水轮发电机组运行中的振动分析[J].水能经济，2017（2）：39-40.