楊庚

摘要：電力是我國主要的能源之一，因此維護發(fā)電機組的正常運轉非常重要。文章通過對發(fā)電機組中的水輪發(fā)電機組的振動超標原因進行分析，并以其為基礎，對水輪發(fā)電機組振動超標的處理策略進行了探究。

關鍵詞：發(fā)電機組；水輪；振動超標；處理策略；電力工業(yè) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM34 文章編號：1009-2374（2016）22-0068-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.033

電已經成為我們生活中必不可少的元素。發(fā)電機組是電力工業(yè)中最為關鍵的設備之一，如今社會中技術較為成熟、應用較為廣泛的是水輪發(fā)電機組。水輪發(fā)電機組在運行工作過程中，經常會出現振動超標的現象，這給發(fā)電機組的正常運用帶來了極大的安全隱患。因此為了保證發(fā)電機組的正常運行，對發(fā)電機組出現振動超標的原因及其處理策略進行研究和探討是保證發(fā)電機組系統正常運行的關鍵。

1 水輪發(fā)電機組振動超標的原因

水輪發(fā)電機組設備在結構上較為復雜，這也使得整個機組對運行的環(huán)境有很高的要求，只有在特定環(huán)境下水輪機組才能正常運行，因此，水輪發(fā)電機組發(fā)生故障的幾率很高。而且水輪發(fā)電機組振動超標，對發(fā)電機組和人都會產生不好的影響。例如引起發(fā)電機組的部件松動，增大部件之間的摩擦，加快部件的損壞；不利于發(fā)電站的正常、安全運行；振動超標產生的噪音不利于工作人員及周圍居民的身心健康等。

水輪發(fā)電機組的振源有很多，其中主要的有三個，即機械振動、水力振動以及電磁振動。對這些振動，若把握得不好，就會使水輪發(fā)電機組出現振動超標的情況。下面對水輪發(fā)電機組的三個振源分別進行分析：

1.1 機械振動

使水輪發(fā)電機組發(fā)生機械振動的原因有機組轉子的振擺、弓狀回旋、轉子“抖動”以及一些其他的機械

原因。

第一，機組轉子的振擺。作為引起水輪發(fā)電機機械振動的原因之一，機組轉子的振擺產生的振動頻率是以轉頻為主頻，與倍轉頻混合的頻率。機組轉子的振擺是指軸承在機組轉子的總軸向力偏離了軸承的中心時，因為其受力不均勻產生的軸向變形，從而使得機組轉子發(fā)生振擺。特別是出現軸承的大軸中心位置不正、軸線不直或不平、導軸承的中心與轉子中心不在同一點、水輪機不在最好的工作環(huán)境等情況時，轉子振擺的頻率會尤其高。

第二，因機組轉動件之間不平衡引起的弓狀回旋。這里的弓狀回旋主要是由水輪發(fā)電機組轉動件的質量不平衡、質量偏心所引起的，此時振擺頻率和轉速頻率達到一致。機組轉動部件的質量不平衡、質量偏心等問題，很容易導致轉動部件在轉動過程中，產生離心力，從而引起弓狀回旋，造成水輪發(fā)電機的振動。當轉動部件的轉速近似等于臨界轉速的時候，甚至會產生共振，對水輪發(fā)電機產生非常不好的影響。機組轉動部件出現質量不平衡，大多數都是因為其在制造、安裝或者是檢修的時候出現了紕漏。

第三，轉子“抖動”。轉子“抖動”是一種橫向振動，該振動的方向剛好是軸回轉的反方向，振動的頻率與軸產生振動的頻率相同。轉子“抖動”是指水輪發(fā)電機組在運行過程中，導軸承出現松動或者間隙不合適、剛性沒達到要求，并且機組的運行不穩(wěn)定、潤滑工作沒做到位的時候，導軸承與轉軸發(fā)生干摩擦，使得軸承出現反方向的旋轉，從而產生的橫向振動。

第四，其他機械原因引起的振動。除了上述原因，還有一些機械原因會引起機械振動。例如因為導軸承的質量太差、導軸承間隙過大或過小、水輪機徑向盤的盤根密封調整得不恰當、潤滑沒達到要求等。

1.2 水力振動

水力振動大致可以分為由尾水管渦帶引起的振動、卡爾門渦列引起的振動、狹鋒射流引發(fā)的振動、協聯關系不正確引發(fā)的振動等。

第一，尾水管渦帶引起的振動。當水輪發(fā)電機組的工作的實際負荷與設計負荷相一致的時候，轉輪流出的水流方向才會與軸承的轉向相同。實際負荷大于或者小于設計負荷都有可能引起尾水管里面壓力脈動，這個脈動的頻率f等于水輪機轉輪轉速n除以經驗值Z，再除以60。其中的經驗值Z一般為3～4，偶爾取到1～5。頻率的值以及其幅度會根據發(fā)電機組的工作狀況而做出相應的改變。當尾水管內的壓力脈動頻率值與過水系統水壓脈動頻率值相似時，水輪發(fā)電機組整個過流系統的水壓脈動就會不斷地變強，發(fā)電機組產生振動；假如水輪發(fā)電機組在“飛逸”泄水的工作狀態(tài)下，水輪發(fā)電機的尾水管進水的地方，就會因為水流的沖擊而產生更大的壓力脈動，從而導致水輪發(fā)電機組的振動超出標準。

第二，卡爾門渦列引起的振動?？栭T渦列即當水輪發(fā)電機組的轉輪葉片和導葉在大沖角或者在尾部不平滑的出水邊上時，在水流繞流葉片的上表面和下表面，邊界層因為脫流而在繞流物后面出現的漩渦。假如水輪發(fā)電機組的葉片、導葉以及固定導葉出現振動，其原因很有可能就是卡門渦列的形成?？栭T渦列引起的振動的振動頻率f等于斯特勞哈系數Sr乘以繞流流速V，再除以板厚或者圓柱體直徑d。其中斯特勞哈系數Sr一般的取值范圍為0.20～0.27。

第三，狹鋒射流引發(fā)的振動。狹鋒射流即在軸流式水輪發(fā)電機組中，轉輪葉片的外邊緣與內壁之間，會由于轉輪葉片的工作面與背面之間的流體壓力差，而出現一股射流，這股射流具有高速、低壓的特點。轉輪在轉動過程中，隨著轉輪葉片的轉動，轉室的內壁受到的流體壓力會變化，一會兒高，一會兒低，就容易使水輪機組發(fā)生振動。并且狹鋒射流引發(fā)的振動的振動頻率f等于水輪機葉片數Z1與水輪機轉速n的乘積除以60。其中水輪機葉片數一般為6片。

第四，協聯關系不正確引發(fā)的振動。在軸流式的水輪發(fā)電機組中，水輪機的葉片與導葉之間的協聯關系很重要，如果水輪機的葉片與導葉之間的協聯關系不正確，水輪發(fā)電機組的轉速會因為調速器系統的振蕩過程的邊長而發(fā)生改變，水流不斷的沖擊著葉片，出現振動。當葉片因為水流的進入出現干擾，這個協聯關系就容易遭受破壞，葉片的表面出現脫流或者空化的現象，進而使得葉片發(fā)生振動。

第五，其他原因引發(fā)的振動。當水輪發(fā)電機出現嚴重汽蝕的時候，水輪發(fā)電機組會因為運作不順利，產生不同程度的振動和不同強度的噪聲。特別是在低負荷的時候，轉輪葉片的沖角變化不同往常，變化比較大，轉輪葉片表面出現的脫流漩渦，會使得發(fā)電機組的汽蝕情況惡化，與此同時，還極有可能引發(fā)轉動部件以及尾水管振動，使發(fā)電機組的振動出現嚴重超標的情形。除了汽蝕，在水輪發(fā)電機組準備停機或者甩負荷的過程中，導葉在即將關閉的時候出現的反水錘也會誘發(fā)水輪發(fā)電機組振動。除了上述的兩種情況，過渡過程中的地勢不平、導葉與葉片之間的耦合、部件形狀的不對稱等原因，也會引發(fā)水輪發(fā)電機組振動。

1.3 電磁振動

水輪發(fā)電機組發(fā)生電磁振動，大多是因為在其設計、制造或安裝過程中出現電磁力不平衡、參數匹配不恰當等。其中主要的原因可以概括為以下五點：

第一，轉子圓度不符合要求或者轉子的旋轉中心不到位。

第二，因為受力不平衡，而導致的發(fā)電機轉動部分振動，并且該振動的振動幅度會隨著勵磁電流的增大而不斷增大。

第三，在電路出現短路的情況時，很有可能會使得某些磁極的磁動勢減小，但是與其相對應的磁極的磁動勢并沒有隨之發(fā)生變化，那么就會出現一個跟轉子旋轉的輻向不平衡的電磁力，從而導致轉子振動。并且該振動幅度會隨著定子電流的變大而不斷增大，電流越強，振動級別隨之變強。

第四，定子鐵芯松動或者定子鐵芯組合之間的縫隙大小發(fā)生改變，而誘發(fā)的振動會因為機組轉速的變化而相應的發(fā)生變化，這時的振動頻率幾乎電流頻率成倍數關系。

第五，假如定子繞組固定得不夠牢固，機組和繞組在電磁負荷比較高的時候，將出現不同頻率的振動，并且該振動頻率會因為機組轉速和電磁負荷的變化而不斷變化。

2 水輪發(fā)電機組振動超標的處理策略

通過以上對水輪發(fā)電機組振源的分析，可以了解到發(fā)電機組出現振動超標的原因有很多，每一個振源發(fā)生振動頻率過高的問題，都有可能導致水輪發(fā)電機組的振動不符合規(guī)定標準。然而發(fā)電機組出現振動超標會帶來的危害頗多，因此必須采取預防措施，提高制造和安裝質量，減小產品誤差，減少振源。其主要措施有：

第一，盡量在發(fā)電機組的設計、制造、安裝與使用上做到嚴格根據要求進行。利用科學技術，盡可能地提高發(fā)電機組的各部件的質量，合理的設計、配置，以減少出現部件的質量不平衡的情形。仔細檢查對每一個部件，在水輪發(fā)電機組的設計過程中，對可能引起質量不平衡、質量偏心的部件，都必須采取配重措施。

第二，在發(fā)電機轉子的安裝過程中，要格外注意轉子的位置、中心、潤滑等，提高轉子安裝質量，盡可能避免轉子出現質量不平衡的情況。必要時還可以使用先進儀器和平衡配重等軟件，對現場的平衡進行精確的是試驗，力求將機組轉動部件出現質量不平衡的幾率降到最小，甚至為零。

第三，在水輪發(fā)電機組的設計過程中，采取必要的措施，防止出現因磁軛不均勻而產生的徑向位移。

第四，對水輪發(fā)電機組的支承結構，要確保其有足夠的動、靜剛度。

第五，制造、安裝過程中注意定子、轉子圓度和同心度，即水輪發(fā)電機組的定子、轉子圓度以及同心度的制造和安裝，要嚴格地遵循其要求。

第六，發(fā)電機定子采用分數組繞組時，進行次諧波振動、噪聲分析及核算。

第七，尋找最好的有關于分數槽定子的接線方式，以達到減小次諧波的量級的目的。

第八，調整定子機架的固有頻率，讓它盡量與二倍極頻不同。

第九，零部件的固有頻率應主動避開現場振源頻率，即水輪發(fā)電機組的零部件的固有頻率應該與現場振源頻率不同或者不在同一個時間使用相同頻率的部件，以避免發(fā)生共振。

第十，做好水輪發(fā)電機組狀態(tài)的實時監(jiān)測、故障診斷以及故障排查與解決。對發(fā)電站的工作人員進行技術的培訓，讓他們都清楚發(fā)電機組的振源以及其相應的特性，能夠在現場進行機組振動的測試，并且能夠分析測試結果，解決振動問題。

3 結語

通過水輪發(fā)電機組振動超標原因的分析，可以大致對發(fā)電機組振動超標的原因有一個粗略的了解，針對這些原因，提出了相應的預防和處理措施，并希望通過這些總結提升發(fā)電機組運行的質量，為系統的正常運行打下基礎。

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（責任編輯：蔣建華）