(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是一種非常有害的現(xiàn)象，影響機(jī)組的使用壽命。過分的振動(dòng)會(huì)使焊縫開裂，零部件疲勞斷裂飛出，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的運(yùn)行安全。但這種振動(dòng)又是不可避免的，故我們只能在一定的技術(shù)能力下將振動(dòng)盡量地減小，使振動(dòng)值限制在允許的范圍內(nèi)。

1 機(jī)組振動(dòng)的分類

1.1 水力因素的振動(dòng)

水力方面振動(dòng)主要有卡門渦列、渦帶振動(dòng)、水力不平衡、狹縫射流、非最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系、水輪機(jī)非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)的水力不穩(wěn)定等，在這里主要介紹卡門渦振動(dòng)、渦帶振動(dòng)及水力不平衡引起的振動(dòng)。

(1)由卡門渦引起的振動(dòng)

卡門渦頻率的振動(dòng)頻率跟水輪機(jī)工況和葉片出水邊厚度有關(guān)。機(jī)組在一定的水頭和導(dǎo)葉開度下運(yùn)行時(shí)，其渦振頻率有可能與葉片自振頻率相同，此時(shí)葉片就會(huì)劇烈振動(dòng)起來而使葉片產(chǎn)生疲勞裂紋。例如:三峽右岸26#機(jī)在300～500MW負(fù)荷區(qū)間機(jī)組存在嘯叫聲，測(cè)量轉(zhuǎn)輪卡門渦頻率與其自振頻率發(fā)生共振，后對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片及固定導(dǎo)葉出水邊進(jìn)行了修型，嘯叫聲消失。

表1 渦帶與卡門渦列的區(qū)別

(2)水力不平衡

如果在轉(zhuǎn)輪范圍內(nèi)，水流失去軸對(duì)稱，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不平衡的橫向力作用在轉(zhuǎn)輪上。經(jīng)常遇到的就是過流輪廓不對(duì)稱，它會(huì)引起水流失去軸對(duì)稱。

1.2 機(jī)械因素的振動(dòng)

機(jī)械方面主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正、軸系曲折、推力頭調(diào)整不良和導(dǎo)軸承缺陷等。

(1)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡,轉(zhuǎn)子重心S對(duì)軸心O1產(chǎn)生一個(gè)偏心距e，如圖1(a)所示。當(dāng)軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),由于不平衡質(zhì)量離心力的作用,軸將產(chǎn)生弓狀回旋,其中心O1獲得撓度y,如圖1(b)所示。O1繞O作圓周運(yùn)動(dòng),回轉(zhuǎn)半徑y(tǒng)就是振幅,這種振動(dòng)也叫振擺。其特征是:振幅是隨轉(zhuǎn)速變化而變化的。用公式表示為y=f(ω),ω升高,y增大;反之ω下降,y減小，并且振幅一般與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，且水平振動(dòng)較大。

(a)產(chǎn)生偏心距 (b)獲得撓度y

(2)機(jī)組軸線不正

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最理想的是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線三者重合，最不理想的是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心與軸線不重合的狀態(tài)。介于二者之間的是旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)組中心重合，機(jī)組軸線不正的主要表現(xiàn)形式是軸線與推力軸承鏡板面不垂直。由于機(jī)組轉(zhuǎn)子的總軸向力不通過推力軸承中心，就產(chǎn)生一個(gè)偏心力矩。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，偏心力矩也同時(shí)旋轉(zhuǎn)，使各支柱螺栓受脈動(dòng)力，其脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同，從而產(chǎn)生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動(dòng)，轉(zhuǎn)子也就隨之產(chǎn)生振擺。軸線不正，也是引起徑向振動(dòng)的主要原因。其特征為機(jī)組在空載低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，機(jī)組即有明顯振動(dòng)。

(3)軸承缺陷

在運(yùn)行中當(dāng)導(dǎo)軸承松動(dòng)、剛性不足、導(dǎo)軸承間隙過大，運(yùn)行不穩(wěn)而潤(rùn)滑又不良時(shí)，就會(huì)發(fā)生干摩擦，引起反向弓狀回旋，即橫向振動(dòng)力，其方向和軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，頻率相同。導(dǎo)軸承間隙過小，會(huì)把轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)傳給支座和基礎(chǔ)，導(dǎo)軸承間隙過大，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)大。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件相碰(或摩擦)所引起的機(jī)組振動(dòng)，其特征為振動(dòng)較強(qiáng)烈，并常常伴有撞擊聲；軸承間隙過大、主軸過細(xì)、軸的剛度不夠所引起的振動(dòng)，其特征為機(jī)組振幅隨機(jī)組負(fù)荷變化較明顯。

(4)鏡板不平

鏡板不平主要是由于加工和安裝上的缺陷所造成的，其特征為擺度波形上有明顯的2倍頻。

(5)推力頭松動(dòng)

推力頭松動(dòng)指推力頭內(nèi)孔和軸頸間存在間隙。當(dāng)推力頭松動(dòng)時(shí)，機(jī)組振動(dòng)、擺度的特點(diǎn)為：機(jī)組運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)軸線姿態(tài)會(huì)發(fā)生突然變化，機(jī)組的振動(dòng)、擺度忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 電磁因素的振動(dòng)

(1)不平衡磁拉力

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分因受不平衡力(這些不平衡力主要來自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、轉(zhuǎn)子不均勻氣隙所引起的作用力，轉(zhuǎn)子線圈短路時(shí)引起的力和發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱工況下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力)的作用下產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)，其振動(dòng)特征為振動(dòng)隨勵(lì)磁電流增大而增大，且上機(jī)架處振動(dòng)較為明顯。

(2)定子鐵心組合縫松動(dòng)或定子鐵心松動(dòng)

因定子鐵心松動(dòng)所引起的機(jī)組振動(dòng)，當(dāng)機(jī)組帶上一定負(fù)荷后，其振幅隨負(fù)荷增長(zhǎng)而增大。因定子鐵心組合縫松動(dòng)所引起的機(jī)組振動(dòng)，加載某一負(fù)荷后，振幅又逐漸隨鐵心溫度增長(zhǎng)而減小，振動(dòng)頻率都為電流頻率的兩倍。

(3)定子繞組固定不良

定子繞組固定不良，在較高電氣負(fù)荷和電磁負(fù)荷作用下使繞組及機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。其振動(dòng)特點(diǎn)為振動(dòng)隨負(fù)荷運(yùn)行工況變化而變化，上機(jī)架處振動(dòng)亦較為明顯。

由于每極下的槽數(shù)不同，將產(chǎn)生由定子繞組電流引起的一系列分?jǐn)?shù)次諧波磁動(dòng)勢(shì)，這些磁動(dòng)勢(shì)和旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子有著不同的相對(duì)速度，各種不同的振動(dòng)模式和頻率成為發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)的激振力。它引起的振動(dòng)頻率為100Hz，振幅隨負(fù)載電流的增大而增大。

(4)負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢(shì)

當(dāng)定子三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，繞組會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，即相序相反的磁場(chǎng)，它與主磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生一個(gè)空間次數(shù)P=0的磁場(chǎng)，引起定子鐵心作駐波式的振動(dòng)。

2 機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)和振動(dòng)測(cè)試關(guān)系

對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行一系列穩(wěn)定性試驗(yàn)，判別引起機(jī)組振動(dòng)的主要因素。

2.1 機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn)

在機(jī)組發(fā)出起動(dòng)命令時(shí)就以較慢速度開啟錄波儀器，待機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)后，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速變化，按需要完整記錄機(jī)組起動(dòng)過程的振動(dòng)信號(hào)和其他狀態(tài)參數(shù)。

2.2 變速試驗(yàn)

分別在各種轉(zhuǎn)速下測(cè)量機(jī)組典型部位，如上導(dǎo)、上機(jī)架、主軸聯(lián)接法蘭、水導(dǎo)軸承等的振幅或頻率。其中，振幅與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

A=f×n2

式中，A—雙振幅，mm；f—振動(dòng)頻率，Hz；n—轉(zhuǎn)速，r/min。

2.3 空載有勵(lì)磁試驗(yàn)

機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下，加載勵(lì)磁，改變勵(lì)磁電流，觀察各典型部位隨勵(lì)磁電流的變化而發(fā)生振動(dòng)的情況。其中振幅與勵(lì)磁電流的關(guān)系為

A=f×i

式中，A—雙振幅，mm；f—振動(dòng)頻率，Hz；i—電流，A。

若振幅隨勵(lì)磁電流增大而增大，則不平衡磁拉力是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。需檢查發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空氣隙是否均勻，磁極線圈有無發(fā)生匝間短路、磁極背部與磁軛間是否出現(xiàn)氣隙等。

3 振動(dòng)原因分析

3.1 以振動(dòng)頻率分析振動(dòng)原因

在機(jī)組典型部位帶有錄波存儲(chǔ)功能的測(cè)振儀，將記錄的振動(dòng)記號(hào)，作時(shí)域、頻域變換，進(jìn)行頻譜分析，以此來判斷振動(dòng)原因。

(1)若振動(dòng)頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致，則機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡、軸線曲折、導(dǎo)軸承間隙不適、主軸法蘭密封有偏磨是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。

(2)若振動(dòng)頻率為發(fā)電機(jī)電流頻率(我國(guó)電流頻率為50Hz)的二倍，則可能是定子鐵心與鐵心組合縫松動(dòng)、發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流所引起的機(jī)組振動(dòng)。

(3)若振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速頻率乘以發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，則多半是由于發(fā)電機(jī)氣隙不均勻所引起的機(jī)組振動(dòng)。

(4)若振動(dòng)頻率分別為轉(zhuǎn)速頻率乘以活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)或轉(zhuǎn)速頻率乘以轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，則振動(dòng)分別是因?qū)~開口不均勻或轉(zhuǎn)輪開口不均勻所致。

3.2 由振動(dòng)部位判別振動(dòng)原因

根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行所積累的經(jīng)驗(yàn)，由機(jī)組振動(dòng)發(fā)生的不同部位，也可大致判別振動(dòng)原因。

(1)若在水導(dǎo)軸承處的振動(dòng)比其他部位較為明顯時(shí)，則可能是蝸殼、導(dǎo)葉中的水力不平衡(該水力不平衡主要來自蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)和導(dǎo)葉開口不均勻、轉(zhuǎn)輪線型、間隙、開口不均勻)所引起的機(jī)械振動(dòng)。

(2)若上機(jī)架處振動(dòng)較為明顯時(shí)，則振動(dòng)原因多半來自于轉(zhuǎn)子機(jī)械與電磁不平衡、機(jī)組推力軸承(僅對(duì)懸式機(jī)組)、上導(dǎo)軸承缺陷(間隙擺度調(diào)整不適合)、故障或機(jī)組軸線有曲折、機(jī)組中心發(fā)生變化或發(fā)電機(jī)零部件有缺陷或故障。

(3)若因轉(zhuǎn)輪葉片出水邊線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的機(jī)組振動(dòng)，則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測(cè)得明顯振動(dòng)，蝸殼中會(huì)出現(xiàn)較大水壓波動(dòng)。

4 結(jié)語

本文對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的幾種類型和原因進(jìn)行了分析，并根據(jù)振動(dòng)部位對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行了判別，希望對(duì)大中型水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因及分析提供一定的借鑒作用，同時(shí)對(duì)解決大中型水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問題提供一定的參考作用。

[1] 董毓新.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng).大連： 大連理工大學(xué)出版社，1982.1.

[2] 馬震岳，董毓新.水電站機(jī)組及廠房振動(dòng)的研究與治理.北京：中國(guó)水利水電出版社,2004.10.