■ 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司 孔凡瑞

在水電設(shè)備國內(nèi)外市場競爭的招投標(biāo)中，評價水電設(shè)備的三大重要指標(biāo)，是效率、空化和穩(wěn)定性。效率關(guān)系到水能利用程度，空化關(guān)系到轉(zhuǎn)輪使用壽命，穩(wěn)定性則關(guān)系到整個機組乃至電站能否正常運行。然而，考核機組運行穩(wěn)定性的重要指標(biāo)是振動及其引起的噪聲。大電機運行信息來自電壓、功率等直接信息，還來自噪聲、溫升等間接信息。它們一起表征大電機的運行狀態(tài)。噪聲可分為電磁、機械、空氣、動力、軸承、電刷等多種類型。因為噪聲源很多，引起的原因也各不相同。電磁、機械、空氣、動力等噪聲都分布在不同的領(lǐng)域，而且互相重疊、混雜。所以，大電機噪聲都具有較寬的頻域范圍，和復(fù)雜的 頻譜。如果以噪聲頻譜作為橫坐標(biāo)、以聲壓級作為縱坐標(biāo)，便可繪制噪聲曲線。在噪聲測量中，其頻譜經(jīng)常采用倍頻程或1/3倍頻程來表示。通過噪聲頻譜的測量，可以發(fā)現(xiàn)運行中的大電機安全穩(wěn)定性問題。采用噪聲頻譜分析儀進行的測量表明：并非負(fù)載越大，噪聲越大。對于大型水輪發(fā)電機，其運行中的穩(wěn)定性受到水頭、流量、負(fù)載、電樞電流等多種因素的影響。噪聲大小也受它們的影響。所以，噪聲隨負(fù)載增大而增大的趨勢，不是規(guī)則的?？辙D(zhuǎn)時，只有空氣和機械噪聲，沒有勵磁系統(tǒng)和電樞電流 引起的電磁噪聲。本文主要論述水電設(shè)備運行中發(fā)生的振動、噪聲的原因及其對策。

1 水輪機水力原因

1.1 在低負(fù)荷或過負(fù)荷工況下聲響振動增強時的原因

a 旋流引起——由旋轉(zhuǎn)水流引起尾水管振動，振頻與轉(zhuǎn)頻相等。正常運行時，轉(zhuǎn)輪出流為軸向。負(fù)荷增大或水頭增高時，出流旋轉(zhuǎn)且與轉(zhuǎn)向相反；反之，負(fù)荷和水頭變小時，出流轉(zhuǎn)向則與轉(zhuǎn)流一致，使水流在尾水管內(nèi)擺動、振動。加裝補氣管或?qū)Я饕砥山鉀Q。

空化引起——葉片表面壓力低于水溫下的飽和蒸汽壓時，水就蒸發(fā)，并在水流中產(chǎn)生細(xì)小細(xì)泡，空化就是氣泡破裂時的現(xiàn)象?？栈鸬恼駝雍驮肼暎杉友b補氣管或修改轉(zhuǎn)輪葉片形狀解決。空化振頻屬于高頻，約為300Hz至500Hz。

1.2 在某一定負(fù)荷工況下聲響振動增強時的原因

a 卡門渦引起——在水流中的轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉或固定導(dǎo)葉的尾部就形成渦列，同時伴有與水流方向垂直的交變力，其頻率為（0.15-0.20）V/t，V是流速（m/s),t是葉片厚度。當(dāng)頻率（旋渦的發(fā)生頻率）與葉片、導(dǎo)葉或固定導(dǎo)葉的固有頻率一致時，就產(chǎn)生噪聲和疲勞破壞。解決辦法是轉(zhuǎn)輪葉片修型或葉片間加裝支柱以改變其固有頻率。

b 紊流引起——水流中有物體，就不再是層流而是紊流。紊流中有物體就會產(chǎn)生振動。在固定導(dǎo)葉后面紊流中放置的導(dǎo)葉便出現(xiàn)振動，其頻率是不確定的。解決辦法是改變固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉的相對位置，或修改固定導(dǎo)葉尾部形狀。

c 轉(zhuǎn)輪特性引起——對于高比速混流式水泵水輪機和斜流式水泵水輪機，壓力波動引起的振動是其特有的現(xiàn)象。它與轉(zhuǎn)輪的水力特性、管路特性以及運行方法有關(guān)。解決辦法是使運行工況離開不穩(wěn)定區(qū)域，在管路方面也要減少機組之間的相互影響。

1.3 負(fù)荷增加工況下聲響振動增強時的原因

a 轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉數(shù)不匹配引起——振動頻率為轉(zhuǎn)數(shù)頻率與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)之積。改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)或增加轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉之間間距可以消振。在轉(zhuǎn)輪進口處由壓力波動形成的這種振動隨負(fù)荷增加而增大。

b 轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉之間間距太小引起——振頻為轉(zhuǎn)頻與轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)之積。適當(dāng)增大這個間距可以消振。這種振動也是由壓力波動在轉(zhuǎn)輪進口處形成的，也隨負(fù)荷增加而增大。

c 轉(zhuǎn)輪密封形狀不佳引起——這與密封結(jié)構(gòu)、形狀、間隙有關(guān)，在某種外部力干擾下，引起密封間隙不再均勻，壓力也不再均勻，形成不平衡力矩，位移越來越大，振動也在增大。改進密封結(jié)構(gòu)可以解決。

d 轉(zhuǎn)輪出口面積不同引起——調(diào)整導(dǎo)葉開度來解決。

1.4 其它原因

a 落葉引起——水中混入大量落葉，阻斷部分水流，出現(xiàn)干摩擦，引起主軸振動、噪聲。過了落葉期，振動自然消除。

b 水體分離引起——甩負(fù)荷時，緊急關(guān)閉導(dǎo)葉，尾水管內(nèi)會形成很大壓力降，當(dāng)靜壓達到飽和蒸汽壓以下，水就變成氣泡分離出去，這就是水體分離現(xiàn)象。但分離水再結(jié)合，便形成很大壓力，伴隨音響、振動，并傳播到尾水管、壓力鋼管。裝設(shè)調(diào)壓井或延長導(dǎo)葉關(guān)閉時間可解決。

2 發(fā)電機電磁原因

2.1 負(fù)荷增加工況下聲響振動增強時的原因

a 磁極疊片引起——部分磁極疊片發(fā)生異變，應(yīng)重新調(diào)整加固。

b 相位不平衡引起——三相負(fù)載不平衡時便產(chǎn)生反相電流并引起與電源頻率成倍數(shù)的激振力，進而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生扭矩和扭轉(zhuǎn)振動、噪聲。輸電系統(tǒng)規(guī)模較大時，這種振動很少發(fā)生。隨著整流器負(fù)載的增加，也會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生與電源頻率成倍數(shù)的扭轉(zhuǎn)振動。當(dāng)整流器負(fù)載為發(fā)電機的30%-40%或輸電系統(tǒng)較大時，這種振動不成問題。

c 氣隙異常引起——定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙如果不均勻，就會導(dǎo)致磁拉力不平衡，從而引發(fā)擺振、噪聲。其振頻與轉(zhuǎn)頻相等。不論什么原因引起的氣隙不均必須及早調(diào)整解決。

2.2 在勵磁工況下出現(xiàn)振動噪聲時的原因

a 定子鐵心固有振動引起——勵磁線圈產(chǎn)生的勵磁力頻率是電源頻率的2倍，當(dāng)勵磁頻率接近定子鐵心固有頻率時便引起電磁振動、噪聲，該振動頻率等于極對數(shù)與轉(zhuǎn)頻之積。應(yīng)避免這兩種頻率的接近，可改變定子鐵心圓環(huán)整體的固有頻率。

b 磁拉力引起——轉(zhuǎn)子磁極形狀和安裝尺寸不準(zhǔn)確，磁極引力不同，形成磁拉力偏差，引起振動、噪聲。其振頻等于轉(zhuǎn)頻。調(diào)整磁極表面處氣隙，或安裝重物進行平衡可以解決。也可能因磁極線圈相間短路，引起電磁不平衡、振動，可對勵磁線圈絕緣特性進行檢測，如屬實應(yīng)進行維修。

c 定子鐵心周向松動引起——運行中鐵心熱漲，而機座溫度較低，對鐵心有約束。鐵心產(chǎn)生周向內(nèi)應(yīng)力。停機時鐵心冷縮，熱漲冷縮導(dǎo)致分瓣鐵心合縫面間隙加大，鐵心圓環(huán)整體剛性降低，改變了固有頻率，在勵磁力作用下，產(chǎn)生電磁振動、噪聲。提高鐵心圓環(huán)剛度可以解決。在消除合縫面間隙時，可插入彈性墊（合成樹脂）。

d 定子鐵心軸向松動引起——運行年久，鐵心疊裝厚度減薄，引起松動，在磁極勵磁力作用下，發(fā)生軸向松動、振動，特別是鐵心齒部，由于腐蝕而變色、損壞。防止措施是壓緊鐵心，并在其齒部、背部浸泡樹脂，使其固化，提高整體剛性。

2.3 聲響劇烈伴有振動的原因

這是負(fù)荷擺動引起的，應(yīng)通過負(fù)荷調(diào)節(jié)，使其均衡化解決。

3 機組結(jié)構(gòu)機械原因

3.1 空載低速時振動的原因

a 主軸彎曲變形引起——主軸同固定部分局部接觸會引起振動，此時主軸彎曲。推力頭與軸配合不當(dāng)也會因軸系不穩(wěn)定而導(dǎo)致軸振動。提高安裝精度，使推力頭與軸配合好，可解決。

b 推力軸承調(diào)整不良引起——必須在安裝調(diào)整時確保推力軸承滑動面的水平度和鏡板與主軸的垂直度，否則就會引起軸系振動。

c 軸承間隙過大引起——導(dǎo)軸承間隙應(yīng)調(diào)準(zhǔn)，使其均勻，間隙過大會導(dǎo)致軸系振動加大。

d 法蘭把合不引起——為了確保聯(lián)軸質(zhì)量，就必須使主軸擺度調(diào)整達到足夠精度。連接法蘭部分的軸線偏析度應(yīng)調(diào)整到要求的擺度。

e 找中心不良引起——定中心時應(yīng)使上導(dǎo)軸承，定子，下導(dǎo)軸承，水輪機軸承的中心在一條鉛垂線上。定中心不良時，各軸承處就會強迫主軸轉(zhuǎn)動受阻，從而引起主軸振動，軸承溫升。

3.2 振動劇烈伴有聲響的原因

這是轉(zhuǎn)輪等轉(zhuǎn)動部分接觸引起的，應(yīng)消除接觸部位。

3.3 轉(zhuǎn)速上升振動增強的原因

a 轉(zhuǎn)動部分不平衡引起——磁極分布不均，磁軛機械精度不高，磁軛沖片，磁極沖片厚度不均等會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動部分不平衡，從而引起振動。應(yīng)在現(xiàn)場做好動平衡實驗解決。也可能因整體剛性不足和水力因素疊加而引起振動，應(yīng)確診哪種原因。

b 機組體系振動引起——這是水電站的特殊，罕見情況即包括轉(zhuǎn)動部分和固定部分在內(nèi)的成套機組體系的固有頻率與轉(zhuǎn)頻一致或接近時就引起振動。應(yīng)避免這種接近。

c 軸承支承剛性不足引起——軸承支承系統(tǒng)包括上機架、下機架、水輪機軸承座等，其中任何一件剛性不足都會引起振動。應(yīng)保證它們具有足夠的剛性。

d 軸系剛性不足引起——當(dāng)主軸過長，過細(xì)或軸承分布的軸向距離過大時，軸承剛性不足。臨界轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)它接近工作轉(zhuǎn)速時，極小的不平衡量或外力都會使振動加大。加裝中間軸承可解決。

在上述項2.3中，由機組結(jié)構(gòu)機械原因引起的振動頻率都與轉(zhuǎn)數(shù)頻率相等。

4 其他原因

（1）調(diào)節(jié)失靈引起的：這是調(diào)速器與水位調(diào)節(jié)器失靈引起的振動、噪聲。

（2）機組中心不良引起的：當(dāng)水輪機基礎(chǔ)下沉?xí)r并導(dǎo)致機組中心不良而引起振動、噪聲。

（3）共振引起振動劇烈：這是廠房、設(shè)備強度不足及共振引起的。

5 結(jié)語

水電設(shè)備出現(xiàn)振動、噪聲的現(xiàn)象比較普遍，國內(nèi)外都常發(fā)生，有時還很嚴(yán)重，危及設(shè)備和廠房的安全運行。根據(jù)調(diào)查研究，分析了發(fā)生原因及其對策，必將有助于此類問題的解決。