盧朝剛

(新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司，烏魯木齊 830000)

水輪機是水電廠的重要設(shè)備之一，它是一套將水流的勢能轉(zhuǎn)化為動能、再由發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。它的運行質(zhì)量關(guān)系著整個水電廠的安全性、經(jīng)濟性及整個機組的使用壽命。在水電廠運行中，振動對水輪發(fā)電機組的影響較大，不僅會增大機組的磨損，增加維護工作量，而且會影響機組壽命。

1 事故回顧

某壩后式水電站，位于新疆阿勒泰境內(nèi)，共裝有4臺額定容量為35MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，于2011年安裝完畢，當年上網(wǎng)運行發(fā)電。

機組在充水試運行過程中，運行人員發(fā)現(xiàn)4號機水輪機室聲音異常，噪音比較大，測量其余3臺機組噪音為70～80dB，測量4號機組噪音為95dB。測量結(jié)果顯示:頂蓋垂直方向和水平方向振動，測量值滿足要求。再對水機室設(shè)備不同部位進行檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)油盆蓋從外到內(nèi)垂直方向振動值變化很大，經(jīng)測量，油盆蓋外圈振動值為0.12mm，內(nèi)圈振動值為0.32mm，越靠近水輪機主軸，振動值越大。

2 機組振動原因分析

電站技術(shù)人員經(jīng)過仔細分析認為，該電站水機油盆蓋內(nèi)圓與水輪機主軸之間密封采用的是梳齒式非接觸式密封，間隙約為1mm，水輪機主軸與油盆蓋之間間隙不均勻，在機組運行過程中，水輪機主軸高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生不均勻氣流 (或氣壓)，使其壓迫油盆蓋，致使油盆蓋產(chǎn)生振動。

4號機組在運行過程中，由于油盆蓋內(nèi)圓與水輪機主軸之間間隙不均勻，間隙氣流在水輪機油盆蓋內(nèi)圈的小間隙處壓力高，大間隙處壓力低，隨著主軸的轉(zhuǎn)動，齒隙會發(fā)生變化，齒隙小的間隙相對變化量大，齒隙大的間隙相對變化量小，致使進、出該兩齒間的漏氣量不等。間隙變化大者漏氣相對變化量大，間隙變化量小者漏氣相對變化量小，致使兩齒間氣量隨水機主軸的轉(zhuǎn)動時大時小，故兩齒間腔室內(nèi)的氣體產(chǎn)生壓力脈動。除了壓力分布不均勻外，實際氣流在齒隙受到截流形成“噴射流”。由于水輪機主軸的動態(tài)或靜態(tài)偏心，某些位置噴射流作用強，中心流團速度大;某些位置噴射作用弱，中心流團速度小，形成了不均勻的周向速度分布和不均勻的圓周壓力分布。這些不均勻的氣動力、周向速度分布、圓周壓力分布壓迫油盆蓋，致使油盆蓋發(fā)生振動，產(chǎn)生噪音。

水輪機振動與其他動力機械的振動不太一樣，除固定或者轉(zhuǎn)動部分引起的振動外，發(fā)電機的電磁力以及作用于過流部分的流體壓力對系統(tǒng)部件振動的影響也應(yīng)考慮。振動是在機組運轉(zhuǎn)過程中，在機械、電磁、流體等共同作用下產(chǎn)生的。當水流過水輪機時，若引起轉(zhuǎn)動部分振動過大，會導(dǎo)致在發(fā)電機轉(zhuǎn)子與定子之間氣隙不對稱變化，同時，產(chǎn)生的不平衡磁拉力也會造成轉(zhuǎn)動部分振動超出規(guī)范。而轉(zhuǎn)動狀態(tài)出現(xiàn)某種變化后，又會對發(fā)電機的磁場及水輪機的水流流場產(chǎn)生影響。

2.1 機械振動

機械因素指振動中的外力來自轉(zhuǎn)動部件的摩擦、慣性等，主要特征是振動頻率成倍數(shù)于機組的轉(zhuǎn)動頻率。這類因素主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機組軸線不正、導(dǎo)軸承缺陷及其他因素等。

2.2 電磁振動

水電站中引起電磁振動的原因主要是定子與轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子繞組短路、磁極的次序錯誤造成磁路不對稱引起磁拉力的不平衡而產(chǎn)生振動;發(fā)電機的這些缺陷會使磁通密度在空氣間隙內(nèi)分布不均勻，產(chǎn)生所謂“單邊磁拉力”而引起機組的振動。

2.3 流體引起的振動

流體包括液體和氣體。流體的振動，主要是指在各種力的作用下，流體本身，以及流體和固體表面、流體和流體間、流體與其他運動形態(tài)之間的相互作用而引起的形態(tài)變化。在水輪發(fā)電機的振動因素中，主要有水力引起的振動和氣流引起的振動。一般而言，水力機組的振動主要是水力振動。

2.3.1 水力引起的振動

引起水力振動的因素有水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動、空腔氣蝕及渦列、尾水管中水流不穩(wěn)定、卡門渦型、間隙射流等。

當水輪機組存在蝸殼形狀變形、導(dǎo)葉開度不均勻，以及轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪壓力分布不均勻等缺陷時，進入轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對稱，就會出現(xiàn)不平衡的徑向力，引起轉(zhuǎn)輪振動;水輪機在非設(shè)計工況下運行時，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流及脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內(nèi)常引起水壓脈動，會激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)、蝸殼、壓力管道的振動;水輪機在偏離設(shè)計工況下運行時，會發(fā)生垂直振幅較大并伴隨噪聲的情況，即發(fā)生空腔氣蝕造成氣蝕振動等。

2.3.2 氣流引起的振動

電站中的氣體振動一般在汽輪發(fā)電機組中產(chǎn)生，主要為氣體動力自激振動。氣體動力自激振動是氣體在流動過程中，通過能量傳遞而產(chǎn)生的一類流體誘導(dǎo)振動。其表現(xiàn)形式常為陣發(fā)性、變幅值振動。多數(shù)氣動力振動與機械的負荷及轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 消除振動的措施

機組振動是機組缺陷的集中表現(xiàn)。當振幅超過規(guī)范時，必須采取措施降低振動。要降低振動值，關(guān)鍵在于找出振源，然后根據(jù)實際狀況，采取相應(yīng)措施。尋找振源時應(yīng)充分考慮水力機組與機械、電氣、流體相關(guān)聯(lián)等因素，從多方面調(diào)查、了解振動的各種表現(xiàn)，尋找發(fā)現(xiàn)水輪機振動規(guī)律及頻率變化，同時進行試驗研究和分析。

3.1 現(xiàn)場觀察

觀察振動時的各種現(xiàn)象，如什么部位振動的最厲害，有沒有什么異常，振動比較厲害時是什么狀況，仔細聽運行時有什么聲響;對機架、軸承、轉(zhuǎn)輪等各部件連接等進行檢查，看有無異常情況;測量發(fā)電機氣隙、轉(zhuǎn)輪室間隙、止漏環(huán)間隙及擺度等是否符合規(guī)范;檢測機組和電站的有關(guān)參數(shù)是否符合規(guī)范;確定機組有關(guān)部件的自振頻率，如轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉，水輪發(fā)電機軸、機架等。

通過現(xiàn)場觀察，并與其他3臺機組進行比較，發(fā)現(xiàn)4號水輪機的振動聲音來自于水輪機室的水導(dǎo)軸承體上的油箱內(nèi)，找到了聲音來源。

3.2 從振動試驗入手查明振動原因

振動試驗是為了找出振動規(guī)律與運行參數(shù)的關(guān)系，并測出其振動頻率和振幅，從而查明振動原因。一般需要做勵磁試驗、轉(zhuǎn)速試驗、負荷試驗等，以此判斷振動是由電磁原因引起的，還是由轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻、軸線不正等引起的，或者是由水力因素引起的。

當發(fā)現(xiàn)4號機組水輪機的旋轉(zhuǎn)油盆蓋出現(xiàn)振動超標的情況后，實驗人員進行了現(xiàn)場振動實驗。油盆蓋是分瓣結(jié)構(gòu) (兩瓣)，油盆蓋下設(shè)有1.50mm高的止口，與油盆體定位，安裝人員將油盆蓋一半拆除，另一半用干凈的絕緣板蓋住 (防止機組轉(zhuǎn)動過程中，油盆內(nèi)的油甩出)，然后啟動機組，測量油盆蓋子另一側(cè)的振動值。測量發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)油盆垂直方向振動超標，越靠近旋轉(zhuǎn)的水輪機主軸，振動值越大，確定問題出在油盆密封上。試驗人員馬上在油盆蓋與油盆體之間、油盆分瓣處各加了一層2mm厚的橡膠墊子 (墊子深度延伸至梳齒密封最內(nèi)圈)。改裝完成后，機組運行穩(wěn)定，聲音正常，振動符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

水力發(fā)電機組由許多零部件組成，如果一個或者幾個部件不正常，都可能引起機組振動。在電站的壽命周期中，需要設(shè)計人員、安裝人員、檢修人員和運行人員采取相應(yīng)的措施，進行仔細、耐心的工作，把各種振動因素消除在萌芽狀態(tài)，以保證電站的正常運行，最大限度地發(fā)揮電站的發(fā)電效率。

［1］鄭源，鞠小明，程云山.水輪機［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［2］林景山.水輪發(fā)電機組振動危害性分析及預(yù)防［J］.農(nóng)村電工(電子版)，2004(11).

［3］丁學俊，馮慧雯，等.大型電站設(shè)備中氣體動力自激振動［J］.電站系統(tǒng)工程，1999(2):29-33.