水轮发电机振动判定的探讨

水轮发电机振动判定的探讨

夏明军

夏明军（绥化市北林区幸福水库管理站，黑龙江绥化152033）

摘要：水轮发电机在启动时或运行中会出现发生振动，本文分析了水轮发电机组振动的危害和振动原因，并探讨了水轮发电机振动的判定及针对具体原因的处理措施。

关键词：危害；原因；判定

水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有一定差异，除了机器本身转动或固定部分引起的振动外，尚需考虑发电机的电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统及其部件振动的影响。在机组运转的状态下，流体-机械-电磁三部分是相互影响的。

1水轮发电机组振动的危害

水轮发电机组振动是旋转机械不可避免的现象，若能将其振幅限制在允许范围内，就能确保机组安全正常运行。但较大振动对机组安全是不利的，会造成如下危害:使机组各连接部件松动，使各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏；引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂；尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝；当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，将发生共振，引起机组出力大幅度波动，可能会造成机组从电力系统中解列，甚至危及厂房及水工建筑物。

2水轮发电机振动原因分析

2.1水力因素。振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性，且当机组处在非设计工况或过渡工况运行时，因水流状况恶化，机组各部件的振动亦明显增大。由于单位体积水流的能量取决于水头，所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱，高水头、低负荷时振动相对而言较为严重。产生振动的水力因素主要有:水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、间隙射流等。水力不平衡具有动能的水流通过蜗壳的作用形成环流，再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀作用于转轮激发转轮旋转。由于加工和安装误差，使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时，作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，在空载或低负荷运行时振动强烈。尾水管低频水压脉动水轮机在非设计工况下运行时，由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响，在尾水管内常引起水压脉动。压力脉动就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。空腔汽蚀水流通过水轮机时，其流向、流速随流道改变，在流速增高或脱流部位压力降低到汽化压力时水流中产生汽泡，汽泡进入高压区溃灭时便会出现汽蚀。汽蚀发生时，在汽蚀部位会发生特殊的噪声和撞击声。空腔汽蚀是流道中因漩涡带引起脱流、负压而造成的压力交变产生的振动。由空腔汽蚀引起机组的顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动，它比横向振动的危害更大。由于转轮的旋转，交替出现瞬时压力升高和降低，形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动。

2.2机械因素。振动的机械因素系指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其它力。其特征是振动频率等于机组的转动频率或整倍数的机组转动频率。引起振动的机械因素主要有:转子质量不平衡；机组轴线不正；导轴承缺陷等。当轴以角速度旋转时，由于失衡质量离心惯性力的作用，轴将产生弓状回旋，其中心Ｏ1获得挠度ｙ，Ｏ1绕Ｏ作圆周轴运动，回转半径Ｙ就是振幅，这种振动也叫振摆。其特征是:振幅是随转速度变化而变化的。机组轴线不正在旋转机械中最理想的是机组中心、旋转中心及轴线三者重合，最不理想的是机组中心、旋转中心与轴线不重合的状态。介于二者之间的是旋转中心与机组中心重合，机组轴线不正的主要表现形式是轴线与推力头底平面不垂直和轴线在法兰结合面处曲折，由于轴线倾斜和曲折，使机组转子的总轴向力Pa不通过推力轴承中心，就产生一个偏心力矩。随着转子的旋转，偏心力矩也同时旋转，使各支柱螺栓的受力是脉动力，其脉动频率与转速频率相同，从而产生推力轴承各支柱螺栓的轴向振动，转子也就随之产生振摆。轴线不正，也是引起径向振动的原因之上。轴承缺陷当导轴松动，或间隙过大润滑又不良，或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦，引起机组的横向振动。

2.3电磁因素。振动的电磁因素系指振动中的干扰来自发动机电气部分的电磁力。其特征是振动随励磁电流的增大而增大。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。当一个磁极因短路而引起磁动势减小时，和它相对应的那个磁极的磁动势并没有变，因而出现一个跟转子一起旋转的辐向不平衡磁拉力，引起转子振动。这种振动的大小取决于失去作用的线圈匝数。当发动机转子不圆或有摆度时，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，引起振动。

3水轮发电机振动的判定

3.1转速试验。绝大部分机械原因，其振动只与转速有关，而且振动频率与转速频率基本一致。可分别使机组的各种转速下旋转，并测量各个导轴承座的振幅及频率，绘制转速与振幅的关系曲线。如振幅一直很大，改变转速值对振幅影响很小，且振动频率与转速频率基本一致，则振动原因可能是轴线曲折、盘车摆度未调好、导轴承不同心、主轴与固定部件有偏磨。应重新盘车并调中心。如果振幅随机组转速增高而加大，且基本上与转速平方成正比，而振动频率与转速频率又一致，则振动是转动部件静（动）不平衡引起的，应做静、动平衡试验，并根据试验结果加配重块处理。

3.2励磁试验。经过不加励磁与加励磁后，振动情况比较，可以判定是否有电磁引起的原因。在额定转速下给转子磁极加励磁电流，测量并绘制振幅与励磁电流的关系曲线。如果振幅A随励磁电流i加大而增大，则磁拉力不平衡是引起机组振动的主要原因，应进一步检查发电机气隙是否均匀，磁极线圈有无匝间短路，磁极背部与磁轭间是否出现了第二气隙等。此外，还有因定子分瓣合缝把合不严引起的电磁振动及定子高次谐波引起的振动等。

3.3负荷试验从小到大分别带上不同的负荷，测量各种负荷下的振幅及导叶接力器的行程，绘制负荷与振幅的关系曲线，如果振幅随负荷增减，或随接力器行程增减而增减时，且水轮机导轴承处的振幅变化比上导轴承处的振幅变化来得敏感，则水力不平衡是引起机组振动的主要原因。应检查水轮机过流部分有无局部堵塞，轮叶出水边开口是否一致，高水头水轮机下腔叶轮背部水压脉动是否过大等。如果振动仅在某一负荷区域运行中较大，避开这一负荷区域运行时，振动明显减小，则空蚀是产生振动的主要原因。

3.4调相试验。首先使导叶关闭，机组转为调相运行，如果这时振幅减小很多，则振动的干扰力源主要是水轮机的水力部分；若振幅没有什么变化，则振动的干扰力源主要是机组的机械部分和电磁部分。在实际中碰到的情况要复杂很多，有时同相位叠加，有时对称抵消一部分，有时成某一夹角使轴位发生多变等。加之某些不平衡力并不是固定不变的，例如水压脉动产生的水力不平衡，就经常随脉动值的频繁变化而变化，致使在同一工况下不同时间内测得的数值也不一致，甚至相互矛盾。

4结论

在实际工作中需要在进行各项试验之后，对水轮发电机的振动、摆度数据大小、频率及相互关系进行具体分析，找出原因，并根据具体原因，逐一给于解决，为水轮发电机的安全稳定运行打基础。