覃柏榮

（廣西電力安裝有限公司 廣西南寧 530000）

水輪發(fā)電機組產(chǎn)生的振動和其它動力機械產(chǎn)生的振動存在明顯差異，但機組振動是一種較為常見和明顯的現(xiàn)象，但它的振源通常十分隱蔽，除機器自身發(fā)生轉(zhuǎn)動引起的振動，當水輪機過流受到發(fā)電機電磁力持續(xù)作用后，也會對系統(tǒng)與它的部件造成影響，進而產(chǎn)生振動。導致機組產(chǎn)生振動的原因有很多，一般多種振源共同存在，通常情況下，導致機組發(fā)生振動的源頭以電氣、水力與機械為主，而且這三者還相互作用與影響，彼此交織，最終產(chǎn)生耦合振動。

1 振動危害

對于一般振動，并不會對機組造成危害，但如果振動超出了允許范圍，特別是長時間的振動與共振，將對發(fā)電的質(zhì)量、機組設備壽命、各附屬設備與儀器、基礎與周邊建筑造成很大影響，甚至帶來十分嚴重的危害，這些危害主要包括以下幾個方面：

（1）在機組零部件及焊縫之間產(chǎn)生疲勞破壞區(qū)，且這一區(qū)域?qū)⒉粩鄶U大，導致裂紋的產(chǎn)生，嚴重時，將造成斷裂損壞[1]。

（2）機組上某些緊固件由于振動變松，除了會使這些緊固件產(chǎn)生斷裂，還會加劇與其相連的部分的振動，使損壞速度加快，縮短使用壽命。

（3）增加機組轉(zhuǎn)動機構磨損，比如大軸發(fā)生劇烈擺動，導致軸和軸瓦大幅溫升，最終燒毀；又比如發(fā)電機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生劇烈振動，使滑環(huán)和電刷之間的磨損加劇，溫度大幅升高，將軸瓦燒毀，同時還會使電刷上的火花大量增加。

（4）在尾水管中，渦流將產(chǎn)生一定脈動壓力，導致過水系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的振蕩，在尾水管壁上出現(xiàn)若干裂縫，當情況比較嚴重時，還會使尾水設施被嚴重破壞。

（5）如果水輪機組發(fā)生共振，則將帶來更嚴重的后果。比如，當機組設備和廠房發(fā)生共振時，將使設備與廠房均被損壞[2]。

2 振動產(chǎn)生原因與預防

2.1 低頻渦帶

對混流式與軸流定槳式兩種水輪機而言，低頻渦帶是在以上兩種水輪機處于部分負荷條件下時，在尾水管當中產(chǎn)生的現(xiàn)象，即流體不穩(wěn)定流動。當水輪機運行于非設計工況時，因轉(zhuǎn)輪出口部位存在旋轉(zhuǎn)水流與脫流漩渦，所以在尾水管當中將產(chǎn)生明顯的水壓脈動。特別是在尾水管當中產(chǎn)生大渦帶以后，這一渦帶將以近似固定的頻率于尾水管中發(fā)生轉(zhuǎn)動，使水流在低頻壓力作用下發(fā)生脈動。如果尾水管中的水流已經(jīng)發(fā)生，則在壓力脈動作用下，將產(chǎn)生一系列振動，如尾水管壁振動、轉(zhuǎn)輪振動、導水機構振動、蝸殼振動與壓力管道振動等。尾水管結構如圖1所示。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：

（1）對水力設計進行優(yōu)化，比如更換負傾角轉(zhuǎn)輪翼型、對葉片出口環(huán)量及其分布規(guī)律進行合理設計、采用適宜的泄水錐與上冠，另外，當轉(zhuǎn)輪為高水頭混流式時，可在轉(zhuǎn)輪上增加副葉片[3]。

（2）避免機組在振動工況區(qū)中進行運行。

（3）對水流發(fā)生的流動及旋轉(zhuǎn)進行改變，常用方法有：對泄水錐和尾水管的錐段進行加長；對尾水管的錐角予以擴大；增設阻水柵與隔板；對渦帶偏心距進行嚴格控制。

（4）在機組運行過程中，為渦帶區(qū)實施補氣，通常進行自然補氣即可，若有必要，也可進行強制性補氣。

圖1 尾水管結構

2.2 卡門渦列

如果水流遇到非流線型障礙，則會在出口兩側(cè)產(chǎn)生漩渦，出現(xiàn)方向相反，但排列十分規(guī)則的漩渦，在這種情況下，將引起相互干擾和吸引，這就是渦列產(chǎn)生原因，通常稱之為卡門渦列。該渦列交替進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向為順時針與逆時針，在它形成和消失期間，會在與主流相垂直的方向上產(chǎn)生振動力。如果渦列頻率和葉片固有頻率相接近，則葉片的動應力將大幅增加，甚至產(chǎn)生響聲，導致葉片的根部因為振動而斷裂[4]。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：

（1）對轉(zhuǎn)輪葉片厚度進行適當削減，增加卡門渦的頻率，以盡可能的防止共振發(fā)生；

（2）在葉片之間增設支撐，以此對葉片自振頻率予以調(diào)整和改變；

（3）在水輪機設計過程中，對渦列頻率及葉片和導葉自身固有頻率進行預測，以此盡可能的與繞流部件固有頻率相錯開。

2.3 水力不穩(wěn)

對于混流式水輪機，如果它的實際工況與最優(yōu)工況相偏離，則葉片進口沖角將明顯增大，若水流沖角嚴重超標，將使葉片的頭部脫流而產(chǎn)生葉道渦，由此會產(chǎn)生中高頻率的脈動。在設計水頭的上部，來流為正沖角，脫流主要產(chǎn)生于上冠葉片進口后側(cè)；在設計水頭的下部，來流為負沖角，脫流主要產(chǎn)生于上冠葉片進口前側(cè)。對葉道渦而言，其脫流產(chǎn)生在與最優(yōu)工況相偏離以后的上冠進口，可分成高、低水頭兩種。根據(jù)模型試驗結果可以看出，渦流主要在轉(zhuǎn)輪葉片之間的縫隙產(chǎn)生，在水輪機工況發(fā)生變化時，如果2～3個葉片之間在相同的時間產(chǎn)生可以發(fā)現(xiàn)的渦流，則說明機組處于這一工況時有葉道渦現(xiàn)象發(fā)生[5]。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：

（1）對水輪機組的水力進行優(yōu)化設計，尤其是上冠部位型線設計與葉片頭部葉型設計；

（2）為盡可能避免高水頭葉道渦產(chǎn)生，設計水頭，即機組的最優(yōu)水頭，需要與最高水頭保持接近；

（3）為了給水輪機進行補氣，需在其頂蓋表面設置補氣孔，使壓縮空氣順利補充，以此在必要的情況下進行補氣，消除機組的振動；

（4）在機組運行時，應盡可能避開葉道渦的發(fā)生區(qū)。

2.4 過度不穩(wěn)

在水輪機的工況產(chǎn)生明顯變化的過程中，將進入水力過渡階段，此時機組將產(chǎn)生不同的振動。對于水力過渡，主要包括小波動與大波動兩個過渡過程，當為小波動過渡時，由水輪機調(diào)速器進行調(diào)節(jié)可以在較短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)，但如果是大波動過渡，比如機組的啟動和停機、運行負荷突然變化、甩負荷、同步調(diào)相及事故飛逸，從水輪機中持續(xù)通過的水流，其狀態(tài)將十分復雜和紊亂，除了會使水力無法保持穩(wěn)定，而且在轉(zhuǎn)輪上還會產(chǎn)生一定高頻動應力[6]。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：一方面，要盡可能避免大波動過渡；另一方面，若大波動過渡無法避免，則要在現(xiàn)有調(diào)速器的基礎上增加其它調(diào)速機制，以此在允許的時間范圍內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)，保證水力的穩(wěn)定性，避免高頻動應力的產(chǎn)生。

2.5 水力失衡

水流在具備位能與動能之后，將在蝸殼作用下產(chǎn)生環(huán)流，之后轉(zhuǎn)輪由于受到導葉持續(xù)作用（包括固定導葉與活動導葉，但無論哪一種導葉，其分布均保持均勻）而開始旋轉(zhuǎn)。因加工與安裝無法避免誤差的產(chǎn)生，導致導水葉的流道及葉片，在形狀和尺寸等方面存在很大的差別，直接或間接作用在轉(zhuǎn)輪上的水流，如果失去軸對稱，將產(chǎn)生不平衡的橫向作用力，導致轉(zhuǎn)輪發(fā)生振動，這一振動在空載狀態(tài)和低負荷運行狀態(tài)更為強烈。

針對由這一原因造成的振動，可采用以下措施來預防和處理：從加工和安裝兩個環(huán)節(jié)入手，盡可能減小誤差，避免流道與葉片在形狀和尺寸上產(chǎn)生較大的差別。

除以上原因外，磁拉力不平衡和軸線不直也會造成振動，電機中，定子和轉(zhuǎn)子間存在的不均勻氣隙將使兩者間產(chǎn)生不均衡磁拉力，即便定、轉(zhuǎn)子表面十分規(guī)則，機組當中因軸系產(chǎn)生變形將導致電機轉(zhuǎn)子偏心，進而導致磁拉力不平衡。導致單邊磁拉力的原因為轉(zhuǎn)子相對于定子發(fā)生偏心，這一般和加工與安裝過程中產(chǎn)生的誤差、軸承磨損及轉(zhuǎn)子撓度等有關。對此，應保證加工與安全精度，減小軸承的磨損與轉(zhuǎn)子撓度。

3 結束語

綜上所述，如果水輪發(fā)電機組產(chǎn)生超出允許范圍的振動，將對機組帶來很大的危害，如在機組零部件及焊縫之間產(chǎn)生疲勞破壞區(qū)等，使機組產(chǎn)生振動的原因有很多，在實際工作中，為預防振動，需針對不同產(chǎn)生原因，根據(jù)振動產(chǎn)生機理，采取有效的預防技術措施，比如針對由水力不穩(wěn)引起的振動，應通過對水力的優(yōu)化設計來預防和處理。此外，磁拉力不平衡和軸線不直也會造成振動，對此，應采取有效措施來預防和處理。