水力发电厂水轮机振动异常故障及处理对策

蒙学良

摘要：随着时代的进步，水力发电厂的建设越来越完善。在水轮发电机组运行中经常会发生振动，对机组的使用安全和稳定带来很多不利影响。使用者需要一定的理论知识和实践经验，才能根据机组振动的特征，及时正确地判断机组振动的原因并做出恰当的处理，及时地防止事故的进一步扩大，避免设备损坏和人身伤亡等事故的发生。

关键词：水力发电厂水轮机振动异常故障及处理对策

引言

我国水电工程的快速发展为我国能源结构调整奠定了良好的基础，同时也对我国水电企业设备维护与养护工作提出了更高的要求。在现代水电站的运行维护中，水轮机组异常振动是常见的异常现象。如何快速的判断振动源并进行相应的措施是有效保障机组运行安全的关键，也是目前水电站设备维护与运行安全的重要工作。在现代水电站运行经验总结中可以看出，水轮机组的振动对水电站机组甚至厂房的安全、经济效益都有着重要的影响。在现代水轮机组想高比转速与大容量方向发展的今天，水轮机组的振动影响更为明显。加快电厂机组振动研究以及对策已经成为应先我国水利水电发展的关键。

1水轮机振动对发电机组的影响

水力发电厂水轮机运行过程中出现振动是普遍现象，但是振动频率必须在可控范围内，这样才不会阻碍水轮机正常运行，如果振动异常就会影响水轮机发电机组的正常运行，造成经济损失及人身安全威胁等，主要影响包括以下几方面：水轮机振动异常可能会对发电机组的零件造成影响，使部分零件处于疲劳工作状态，振动严重会导致零件损坏，造成安全隐患。振动异常时间过长，会使发电机组零件连接出现松动，加剧振动频率，导致连接位置出现断裂或连接零件破损的情况。振动异常会对发电机组的转动位置造成一定程度的磨损，振动严重会导致转动位置温度过高，烧坏转动位置的零件，使滑环与电刷之间的磨损程度增加，发生电刷冒火花的情况。振动异常会对尾水管壁造成影响，使尾水管中水流脉动压力过大，导致管壁出现裂缝，严重时可能出现整块钢板掉落现象。振动异常可能会出现共振现象，导致水力发电厂整体设备出现故障，造成严重经济损失。

2水轮机振动异常故障原因

2.1机械振动的原因

机械振动最常见原因是转子质量不平衡，其次是机组轴线倾斜，还有就是导轴承缺陷。转子质量不平衡，也就是转子重心偏离旋转轴线一个距离e，使得主轴旋转时转子重心以e为半径绕主轴线旋转，产生附加离心惯性力，这个附加的离心惯性力将迫使主轴产生弯曲变形，这种变形越靠近轴的两端变形越小、越靠近离心力的作用点变形越大，主轴的空间运动形状呈橄榄形，其投影呈弓形，故称这种振动为“弓状回旋”型振动。水轮机和发电机轴线倾斜也会引起振动和摆动。对新安装机组，轴线在安装时要进行测量调整，其摆度值通常都能处理在规定的范围内，因此，轴线倾斜一般不会引起剧烈振动。但在运行一段时间后，由于某些原因使轴线改变，就会引起机组振动。

2.2水力振动

引起水力振动的因素有水力不平衡、尾水管中水流不稳定、涡带及空腔空蚀等。一般说来，水轮机组的振动主要是水力振动引起的。（1）转轮水力不平衡。若进入水轮机转轮的水流失去轴对称，就必然出现不平衡的径向力，这种情况就是水力不平衡，也会造成水轮机振动。造成水力不平衡的因素，通常有蜗壳形状不正确，不能保证轴对称;导叶开度不均匀，引起流入转轮水流不对称和转轮压力分布不均匀;转轮止漏环不均匀，造成压力脉动，产生横向振动;流道有异物堵塞等。（2）尾水管中水压力脉动。水轮机在非最优工况下运行，旋转的转轮出口水流，会在尾水管中形成涡带，造成压力脉动，引起机组振动。经验告诉我们，运行在30%～70%最优负荷的混流式水轮机，其尾水管内的涡带表现为正向螺旋状涡流状态，这样一来，在尾水管内将会产生显著的压力脉动，其脉动频率大致为机组转速频率的1/3-1/5。尾水管压力脉动最大值出现在尾水管直锥段的上半部，此后，这种压力脉动必然沿水流方向逐渐减弱，最终在肘管后消失。尾水管压力脉动值一般小于水头的10%，但超大型水轮机尾水管压力脉动值有时大大超过水头的10%，甚至达20%～30%以上。这种压力脉动必然引起尾水管本身、压力钢管、顶盖和推力轴承等的振动，还会导致机组出力波动，严重的情况下有可能造成引水管道共振和厂房振动。（3）卡门涡列。如果平行流动的水流中放置一个物体，而且这个物体是圆柱体的并顺垂直流向安放的，当水流速度不断提升至雷诺数Re≥3.5×106时，在这个圆柱物体的后面会出现两排平行的、按一定距离交错排列的、方向相反的涡列，我们把这种现象称为卡门涡列。在水轮机转轮叶片、导叶等过流部件的尾部，也有可能出现这种卡门涡列并引起振动。当转轮叶片尾部产生的卡门涡列频率与叶片自振频率接近时，叶片将产生共振，使转轮叶片严重损坏。

2.3电气原因

静态气隙原因，安装水轮机定子与转子时，没有做到安装同心，也可能是定子与转子本身存在质量问题，导致静态气隙不均匀，对水轮机运行过程中的气隙磁场产生影响，出现气隙磁场不均匀甚至损坏情况。气隙磁场损坏后，会对水轮机定子及转子产生影响，导致水轮机振动异常。动态气隙原因，水轮机磁极出现松动情况，气隙在较小的空间位置变化，导致水轮机振动异常。安装和调试水轮机过程中，由于出现动态气隙情况，导致水轮机振动异常。

3水力发电厂水轮机振动异常处理对策

3.1机械原因处理对策

针对机械轴线不对称导致水轮机振动异常情况，要严格按照标准要求规范安装水轮机。针对转动零件引发的振动，要在安装调试过程中采取相应解决措施，避免转子出现不平衡情况，保证其正常运行。

3.2水力原因处理对策

针对水轮机发电机组内部水力不平衡导致的振动异常情况，需要采取控制水流速的办法，根据不同季节及时间变化合理制订水流速管理方案，减少水力不平衡对水轮机运行带来的影响。针对水轮机尾水管凹槽导致的振动异常情况，需要在安装水轮机设备时，对尾水管凹槽进行优化，使其符合正常运转要求，降低水轮机振动异常概率。

3.3电气原因处理对策

针对静态气隙原因导致的水轮机振动异常情况，安装过程中，要准确对静态气隙进行测量，采取合理控制措施，保证转子与定子质量，调整好磁极之间的静态气隙空间位置，提高水轮机的支撑能力及动态平衡精度。针对动态气隙原因造成的影响，对水轮机零件进行加工时，要提高精准度，保证零件质量。运输水轮机的过程中要做好保护工作，规范合理地对水轮机进行安装调试，后期维护保养也要着重关注动态气隙，避免出现转子磁极松动问题，降低事故风险。

结语

除上述论述的故障原因外，水轮机振动产生还有许多因素。在实际的故障诊断与排除中，需要维修人员根据以往经验以及对机组各部件工况以及部件更换时间进行相应的排除，以此避免振动故障造成的机组安全隐患，保障水轮机的安全、稳定运行。

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