龔斌輝（湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠，湖南安化413508）

水輪發(fā)電機組運行中的振動分析

龔斌輝（湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠，湖南安化413508）

水輪發(fā)電機組內部常常會因為各種原因而出現振動，這種振動現象會破壞固定導葉和轉輪結構，從而降低水電站的經濟效益，甚至威脅水電站運行的安全性和穩(wěn)定性。因此，深入探究引起水輪發(fā)電機組振動的原因至關重要。對此，本文首先對水輪發(fā)電機組振動進行了介紹，然后對水輪發(fā)電機組振動故障成因進行了分析，并對水輪發(fā)電機組運行中的振動問題處理對策進行了詳細闡述。

水輪發(fā)電機組；振動；處理

1 引言

水利工程在促進社會經濟發(fā)展方面發(fā)揮著十分重要的作用，因此，采取有效措施保障水利工程項目內部機電設備的正常運行十分重要。為了提升水利工程機電設備運行穩(wěn)定性，必須加強水輪發(fā)電機組日常管理，對水輪發(fā)電機組運行中常見的振動問題進行詳細探究。

2 水輪發(fā)電機組振動概述

在水輪發(fā)電機組的實際運行過程中，機組振動一般是將水輪機作為其原動力，水能的作用能夠有效激發(fā)水輪發(fā)電機組振動，同時，通過間接的方式，其還能夠維持機組振動。值得注意的是，水輪機組本身的特殊性，也會造成水輪發(fā)電機組產生振動問題。比如，從水輪機組結構方面而言，水輪機組是由兩個部分所組成的，即轉動與固定，在水輪發(fā)電機組實際運行過程中，如果任意部件產生質量問題，都會導致機組產生振動問題。水輪發(fā)電機組振動是旋轉機械中較為常見的現象，如果采取有效措施控制水輪發(fā)電機組振動問題，則能夠有效提升機組運行穩(wěn)定性和可靠性。但是，如果水輪發(fā)電機組的振動問題比較嚴重，并且無法采取有效措施將其控制在一定范圍內，則會導致水輪發(fā)電機組安全性降低，甚至會造成部分零部件出現松動或者其他質量問題。

3 水輪發(fā)電機組振動故障成因

相比于普通的動力機械而言，水輪發(fā)電機組的工作環(huán)境以及工作特性都是與眾不同的，因此，導致其產生振動問題的原因也有很多種。一般可以將水輪發(fā)電機組的振動成因分為三類，即：機械因素、水力因素以及電氣因素。

3.1 機械因素

（1）主軸的剛度或者直徑不夠，兩軸承之間具有較大的間隙等原因都可能導致機組振動，同時機組的負荷變化會嚴重影響到機組的振幅。

（2）機組轉動部分的結構不平衡，或者工藝質量不高，沒達到標準要求也會使機組產生振動。這種情況下，當機組的轉速變大時，機組振幅也會變大。

（3）緊固件松動、水輪發(fā)電機組未能中心對稱以及軸線彎折等情況出現時，水輪發(fā)電機組會在低負荷以及空載時出現很明顯的振動現象。

（4）機組內的轉動部件和固定部件之間因為摩擦而產生振動，這種振動現象的振幅較大，同時伴隨著撞擊的聲音。

3.2 水力因素

（1）水輪機固定導葉、蝸殼以及活動導葉內部的非均勻流會形成漩渦，并發(fā)展成渦帶，從而導致機組振動。這種振動現象明顯受到機組運行工況的影響，一般在最優(yōu)工況運行時，振動現象最輕。

（2）轉輪葉片出口處所形成卡門渦街也會導致機組振動。如圖1所示，該卡門渦街和流體的速度與翼型的尾部形狀有關，由此可知，大流量工況下，由卡門渦街所引起的振動幅度會更大。

圖1 卡門渦街

（3）當水輪機在非設計工況下運行時，特別是在低負荷、低水頭情況下，轉輪葉片出口處很容易出現旋轉的水流，從而在尾水管中形成偏心渦帶，產生壓力脈動。所以，水輪機的運行工況會直接影響機組的振動情況，同時振動的區(qū)域性比較顯著。

3.3 電氣因素

（1）發(fā)電機轉動部件在轉動過程中可能會受到很多不平衡力，比如定轉子之間不均勻的空氣隙所引起的作用力。這種情況下，上機架的振動狀況會比較顯著，同時振動的幅度也會隨勵磁電流的變化而發(fā)生變化。

（2）發(fā)電機定子繞組內部所形成的諧波會產生磁拉力，然而小波數的磁拉力很容易使得定子產生振動。這種振動現象同樣會在上機架處更為顯著，且振幅隨定子電流成正比例變化。

（3）定子鐵芯出現松動也會使機組產生振動現象，轉子的轉速對振動的強弱影響較為明顯，通常情況下，機組振動頻率一般為電流頻率的雙倍。

（4）如果在安裝時未能良好的固定定子繞組，那么當電氣負荷和電磁負荷較高時，機組也很容易產生振動現象。

4 水輪發(fā)電機組振動處理實例

4.1 工程概況

某電廠2號機組系超超臨界、1000MW水輪發(fā)電機組，水輪機型號為SF8000-16/3300，定子鐵心直徑3300mm，額定出力8000kW，采用水內冷卻的方式進行冷卻該機組自試運行，在運行初始階段，發(fā)現發(fā)電機已經出現振動問題，通過對振動特點以及振動問題產生原因進行詳細探究，制定出現場熱態(tài)動平衡方案。

4.2 振動原因分析

通過對2#機組振動特征進行研究分析發(fā)現，6～8號軸振具有較大熱變量，并且主要成分為基領成分。另外，在發(fā)電機發(fā)生接地故障前，8號軸振良好，由此可見，勵端小軸本身平衡狀況。由此推斷，導致6～8號軸振熱變量大的主要原因可能是發(fā)電機轉子本身的熱彎曲，或者是大負荷工況下發(fā)勵對輪連接不良。

（1）通流器件中水力穩(wěn)定性較差。水流進入轉輪，一旦出現不對稱問題，就會造成橫向作用力穩(wěn)定性變差，從而使器件發(fā)生喘振，在低載荷或者零載荷運行狀態(tài)下，就會導致機組發(fā)生高強度振動問題。

（2）尾部流通管產生渦流帶。渦流帶是一種流體形式，比較復雜，穩(wěn)定性較差，尾部流通管中的渦流帶一般為螺旋形狀，其渦流核心一般會朝向某一方向運轉，這就會造成尾部流通管流體出現大幅度的低壓脈沖，脈沖率為Fw=n（/3-6）。當40～70%器件開度時，脈沖壓力會達到最大值，這就會造成機組發(fā)生不正常運轉。如果渦流帶脈沖率和發(fā)電機部件的振動領率發(fā)生共振，則單元器件就會產生振動問題，并且發(fā)電量也會減??；如果脈沖率和剛性管道流體振動領率或者壓力鋼管自有振蕩領率相似，則就會導致剛性管道出現出現較大流體振動。

（3）卡門渦流。如果流體繞經輪片片入口一側輸出，一般會在輸出口出現渦流列，如果出現輪片正反面間斷輪流，則會導致輪片受到流體的巨大撞擊。如果撞擊領率和輪片自身振動領率十分接近，則會產生共振。通常情況下，只有當處于某一范圍內的水頭和開度時，才會出現振蕩問題，同時還會造成輪葉邊緣出現裂痕，在此過程中，可能會產生較大聲響。

（4）尾部流通管妥裝位置偏低。通常情況下，轉槳式流體輸送機的尾管安裝位置比較低，因此，流體輸出口可能會出現穩(wěn)定性較差的流體，如果在拐彎前，穩(wěn)定性依然比較低，則會造成流體與彎道管入口之間的距離不斷縮小。另外，穩(wěn)定性較差的流體在進行拐彎時，可能會受到周期的作用力干擾，從而造成單元部件出現振蕩問題。

4.3 處理措施

（1）將整個水輪發(fā)電機組拆開，并且將機組轉輪、底環(huán)以及頂蓋等零部件送至生產廠家進行維修。加大機組頂蓋和底環(huán)之間間隙，從而有效減少底環(huán)和頂蓋發(fā)生碰撞的可能性，這樣能夠有效降低振動問題發(fā)生幾率。

（2）將機組主軸聯接螺檢的材料修改為35CrMo，并且將螺檢拉伸值更改為0.32mm。

（3）通過運用打磨機，對機組下環(huán)和座環(huán)進行打磨，同時調整其水平度，并且將其控制在一定范圍內。

（4）對機組進行盤車，在鏡板與推力瓦之間合理運用絕緣板，在對主軸與絕緣板進行填補時，可以采用鏟削的方式，取消紫銅墊。

（5）適當增加水輪機頂部的排水管數量，增加至4個，通過排水廊道排出積水，加大對于閥門的控制力度。

（6）在安裝加工完成的底環(huán)和頂蓋時，必須嚴格依據相關規(guī)定進行操作，確保符合安裝規(guī)范。

（7）嚴格依據水輪發(fā)電機組說明書以及相關規(guī)定進行回裝，確保機組重新啟動后能夠達到正常運行狀態(tài)。

通過采用上述措施，該水輪發(fā)電機組能夠達到正常運行狀態(tài)，并且沒有發(fā)生振動問題。

5 結語

水輪發(fā)電機組作為水電站的核心組成部分，它的安全穩(wěn)定運行關乎整個水電站的經濟效益和運行效益。但是水電站的實際運行當中，常常會出現或多或少的振動故障，這些振動故障會嚴重破壞水電站的穩(wěn)定運行。對此，首先需要對振動問題產生原因進行分析，一般包括機械因素、水力因素以及電氣因素，然后，需要結合振動問題產生原因，采取有針對性的解決措施有效解決機組振動問題，提升水輪發(fā)電機組運行穩(wěn)定性和可靠性。

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TM312

A

2095-2066（2016）24-0073-02

2016-8-15

龔斌輝（1974-），男，工程師，大專，主要從事水輪機發(fā)電運行工作。