水轮发电机组振动原因分析及措施

水轮发电机组振动原因分析及措施

陆永章

广西桂水电力股份有限公司龙州发电分公司

摘要：本文首先对水轮发电机组产生振动的原因进行了分析，并归纳了机组振动的特点，最后针对水轮发电机组产生振动的原因提出了相应的处理措施。

关键词：水轮发电机组；原因；处理方案

引言

对于水力发电站而言，水轮发电机组是不可缺少的构成内容，其运行的稳固性是确保水电站可以顺利运转的重要因素，但是，水轮发电机组是由各种机械设备组成的，有些部件还需要进行运转，设备在运作过程中运都不可避免的会存在振动，而且在实际运行的过程中，能对机组稳定性产生影响的因素有很多，如电网、水文、气候、制造、安装和时间等等，因此机组很可能会出现机组振动超标现象。所以，要在采取恰当的技术举措把机组的振动尽可能地降低，且把其管控在相应的范围内，来确保机组运转的长效、稳健性。可是如何将机组振动控制在合理范围内，保证机组安全稳定运行，这个问题需要引起重视，并采取适当的方法进行解决。

1水轮发电机组的振动原因

1.1机械原因

一般情况下，由机械因素引发的振动存在一个共同点：机组的振动频率一般等于转频或者是转频的几倍。能够引起水轮发电机组振动的机械原因主要分为以下几点：

（1）转子质量偏心或安装偏心。当磁力下线通过转子与定子的间隙时，在它们之间会因磁力线自身存在缩短倾向而形成拉力，即磁拉力。如果电机的转子制造时出现问题而出现质量偏心情况，或者在安装转子时没有按照要求进行装配而偏离中心，以及因长期运行主轴磨损而导致使转子偏心，转子都会受到不均衡的磁拉力，这样会对转子的动力特性产生影响，导致水轮发电机组产生振动现象。

（2）转子“抖动”。具体而言，转子“抖动”是说水轮发电机组在运转的时候，导轴承产生松动亦或空隙不恰当、刚性未达标，而且机组的运行不牢固、润滑工作没有达到要求时，导轴承和转轴间产生硬性摩擦，致使轴承向相反的方向转动，进而形成水平方向的振动。

1.2电磁原因引起的振动

（1）转子绕组短路。当一个的磁电动势因短路而减少时，与它相对的那个磁电动势并未产生改变，为此便会产生一个和转子反方向转动的和轴线同向的不均衡磁拉力，进而导致转子发生振动。这种振动的大小主要受坏掉的线圈匝数的影响。而且只有接入励磁电流才会发生振动，而且与励磁电流大小成正比，根据这种振动特性，可以很容易依据检测数据，将转子绕组短路引起的振动与其他原因引起的振动区分。

（2）空气间隙不均匀。如果发电机的定子或者转子不圆或者有摆渡现象，或者存在转子中心没有调整好等情况时，都会造成空气间隙不均匀，从而产生不平衡磁拉力，随着转子的旋转运动，也会造成空气间隙存在周期性变化，不平衡磁拉力也会沿着圆周呈现周期性移动，从而导致水轮发电机组振动。

（3）如果机组内的定子铁芯有松动问题，亦或定子铁芯组合间由于部分因素间隙空间产生变化，都会引起随机组转速发生变化而导致机组振动，通常状况下，振动频率是电流频率的好多倍。

1.3水力原因

水既是机组运行的能量来源，所有的能量均来自流体的动能，又是机组的作用介质。水作为流体，在水轮机的作用下流场变得很复杂容易引发机组振动。原因主要包括：

（1）尾水管涡带引起的振动。在水轮发电机组的振动故障中，发生最多的就是尾水管涡导致的振动。产生尾水管低频涡带最基础的前提是水轮机转轮出口水流有较高的圆周分效率。在一些负载的时候，由泄水锥形成的螺旋形状的涡带，在尾水管内构成频率较低的涡带脉动，脉动压力传输到每一个架构物件与过流部件，致使周期性出力摆动、大轴周期摆动、压力管道中水流压力脉动、机组振动[5]，有些时候还会和管道内水体构成共同振动亦或多倍振动，导致转轮叶片出现裂纹，甚至引起整个厂房发生振动，对机组正常运行造成极为重大的危害。

（2）卡门涡流引发振动。在流体力学中，卡门涡流是指在当水流绕过物体的时候，会在其两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后形成的涡流现象，卡门涡流如图1所示。

（3）其他原因。转轮进口压力波动；进水口拦污栅被杂物堵塞激发的振动；转轮迷宫止漏环结构参数不合理引起的水力不平衡；多泥沙河流的水电站其高含沙水流除对水轮机进行磨损破坏；水轮机的安装过高产生的振动等等。

2水轮发电机组振动的处理方案

2.1采取预防措施

水轮发电机组在使用过程中要想减少出现振动超标现象的几率，水电站在机组设计、制造、安装时就应根据要求进行。根据水电站的实际情况，需要合理设计、配置各个部件，采用先进的合适的技术和工艺制造出高质量的机械配件，避免在制造过程就出现部件质量不达标的现象。在安装发电机转子的时候，应当高度关注转子的地点、润滑程度、中心等，尽量防止转子产生安装不均衡的状况。如果有需要，应当依托高水平的仪器对现场各个仪器部件的平衡情况试验探究，力争把机组转动部件产生质量不均衡的概率减到最低，乃至达到零。可是在生产、装设过程中，也应当注重确保水轮发电机组的同心度、转子圆度、定子圆度等。发电机定子运用分数组绕组的时候，应当加以噪音剖析和计算、次谐波振动剖析和计算[7]。而且还要注意机组使用的零部件的固有频率，要与现场振源产生的振动频率不同，避免产生共振。

2.2采取恰当的振动测试方法

在水力发电站实际运转过程中，水轮发电机组的的振动在所难免，但是要想知道机组的振动是否超过相关规定，是否有设备部件存在问题，就要采取恰当的振动测试方法。常用的测试方法有振动实时监测系统。由于水力发电机组结构复杂，振动情况也比较复杂，且具有祸合性，所以通过一般的测试方法需要花费较长时间才能查出故障原因，因此，现如今许多水电站都在水轮发电机组上安装了实时监测系统，智能故障诊断技术被应用于该系统中，以便于振动检测。智能故障诊断技术主要包括:支持向量机、人工神经网络、遗传算法、模糊技术、小波包、故障树、粗糙集理论、专家系统等等。

振动实时监测系统主要包含以下几部分：传感器、信号变换、处理、放大和测量装置、分析仪器以及显示记录设备等等。监测系统示意图如图2所示。

图2振动监测系统示意图

2.3发电机组振动处理方案

水电站可根据振动实时监测系统得到的分析结果，采取相应的而处理措施，将机组振动控制在合理范围内。

（1）机械原因引起的振动处理

提高机械部件的制造精密度和安装同心度是能够有效减小机械因素引起振动的主要途径。但即使采用了高精度、高质量的的机械元件，严格按照标准进行了安装，机组受运行状况的影响也会出现机械振动。这是因为，机组部件长时间运动，会使部分元件防止出现磨损、移位、甚至毁坏的现象。这就要加大对机械设备的检测，水电站的工作人员应及时将那些已经磨损或已经毁坏的元件进行替换，而对于元件移位导致的质量不均衡而引起机组振动时，就要及时调整元件位置，使其满足工艺要求。

（2）电磁因素引起振动的处理

若转子磁极出现短路而引起振动时，要根据机组的实际运行情况，反复测定转子圆度，将出现短路的磁极进行有效处理。而且还要对磁极进行有效固定，防止其出现偏斜或是窜动等情况。当磁极修复处理好以后，还应对转子圆度再次进行测试，以确保转子圆度符合标准。而对于空气间隙不匀、铁芯松动、定子绕组不够牢固引起的振动要对定子和转子的相关部件进行调整，进行测试以满足工艺要求。

（3）水力因素引起振动的处理

当判定引起机组振动的主要因素为尾水管涡带时，水电站可以通过以下方法进行处理：①在水轮发电机组的低负荷区内要补充足够的气量，这样就可以有效减小尾水管的压力脉动造成的振动幅度。②加装延伸泄水锥。泄水锥也可以有效降低尾水管涡带的压力脉动。③机组的在超负荷区域内，则可以安装减振装置（具有导流作用），或者也可以使用角向切割叶片出水边的方法，以此降低涡带压力脉动。

而如果是因为汽蚀而引起机组产生振动，可以采取以下处理方法：通过在尾部流通管入口处加装导流瓦和导流翼板或是对转轮叶型进行修正等方法加以解决出力[9]。同时还应当尽可能避免机组在低压负荷区运行，这样也能有效消除汽蚀引起的机组振动。

3结束语

水轮发电机组的稳定运行是保证水电站能够正常运转的重要前提，而且对水电站的经济效益和社会效益都有着着非常重要的影响。但是在水电站的实际运行中，水轮发电机组常常会受到许多因素的影响而出现振动现象，机械设备出现振动在所难免，但是一旦振动超标，就会对水轮发电机组的设备造成毁坏，进而影响到水电站工作的正常开展。本文主要研究了水轮发电机组产生振动的原因，主要包含机械原因、水力原因和电气原因三个方面，然后，又根据振动产生的原因提出了一些具体能够有效解决发电机组振动的处理方案，以此保障机组能够可靠运行，希望本文的研究结果能够为水轮发电机组的振动处理提供一定参考。

参考文献：

[1]于洪波.大中型水轮发电机组振动原因分析及判断[J].防爆电机.2014(02)

[2]方友林.水轮发电机组振动过大的原因分析及处理方法的研究[J].装备应用与研究.2015(09)

[3]沈德,苟廷青.大型水轮发电机组振动分析与处理[J].西北水电.2012(4)