云南滇能（集團(tuán)）控股公司 黃永凱 錢 剛 付忠林

1 引言

在水電站的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程中，水電站機(jī)組的穩(wěn)定性是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。隨著水電站機(jī)組工作水頭和單位裝機(jī)量的增加，為保證其可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、噪聲水平提出了更高的要求，另外還提出了相應(yīng)的預(yù)防措施[1]。水輪機(jī)是一種具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能的機(jī)器，在其正常工作狀態(tài)下，均存在著一定的振蕩與搖擺，而過度的振蕩與搖擺不僅會(huì)對(duì)機(jī)組的平穩(wěn)工作造成嚴(yán)重的危害，而且還會(huì)對(duì)機(jī)組的其他部件造成損壞，所以對(duì)水電站機(jī)組異常振動(dòng)進(jìn)行檢查和分析是確保整個(gè)水電站工作的關(guān)鍵。

2 研究背景

水電站的建設(shè)和運(yùn)行都與環(huán)境保護(hù)和安全管理息息相關(guān)，由于水電站是利用自然水流轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式，深入了解水電發(fā)電技術(shù)的原理和發(fā)展歷程，認(rèn)識(shí)到水電作為一種可再生能源的重要性，并了解到其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景。對(duì)于水輪機(jī)機(jī)組振動(dòng)情況，水輪發(fā)電機(jī)在使用過程中所發(fā)生的強(qiáng)烈振動(dòng)，可能導(dǎo)致機(jī)組零部件金屬和焊縫疲勞破壞區(qū)的形成和擴(kuò)大，進(jìn)而引發(fā)裂紋，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞，無法再使用。通過增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的相互磨損，如大軸劇烈擺動(dòng)使軸與軸瓦溫度升高造成軸承過熱，并發(fā)生損毀。同時(shí)，需要關(guān)注發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過滑環(huán)與電刷的磨損情況，進(jìn)一步讓電刷冒火花，嚴(yán)重的還可能會(huì)造成電廠廠房乃至整個(gè)水工結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，造成大量機(jī)組工作人員睡眠質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響了整個(gè)機(jī)組的安全。因此，水電站機(jī)組的穩(wěn)定問題也成為一個(gè)長期困擾著水力發(fā)電企業(yè)的普遍問題。因而，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組中的振動(dòng)、噪聲進(jìn)行精確的診斷和解決的需求也變得日益緊迫。為找出造成水電站機(jī)組異常振動(dòng)的根源，本文已作出了一個(gè)初期的檢驗(yàn)。以某個(gè)機(jī)組為例，其各部位振動(dòng)值見表1。

表1 機(jī)組各部位振動(dòng)值（單位：mm）

水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)見表2。

表2 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)

3 可能引起機(jī)組振動(dòng)的原因分析

水電站機(jī)組在設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修以及運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，都將會(huì)導(dǎo)致水電站機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)產(chǎn)生一些振動(dòng)[2]。如果振動(dòng)超出了容許范圍，就會(huì)對(duì)機(jī)組的安全和使用年限產(chǎn)生不利的影響。從可能引起機(jī)組振動(dòng)的情況來看，一般有三個(gè)方面的因素，分別是水輪機(jī)的水力方面、電磁方面以及機(jī)械方面。

3.1 水力方面原因分析

水力失衡、尾水管壓力低頻波動(dòng)、空腔氣蝕、卡門渦串以及間隙射流均是引起水電站機(jī)組異常振動(dòng)的原因。而且，在工況不良好的條件下以及瞬態(tài)過渡工作的條件下，水電站機(jī)組可能會(huì)因?yàn)樗鳁l件的變差，使得系統(tǒng)的各個(gè)部分的振動(dòng)顯著增加。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，還可能會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)還會(huì)伴隨著一些奇怪的聲響?？梢酝茰y，這可能是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)輪的葉片之間存在著一些外來物質(zhì)，這些外來物質(zhì)不均衡地流入到轉(zhuǎn)輪中，會(huì)形成了一個(gè)水力不均衡的橫向力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)產(chǎn)生異響，這些外來物質(zhì)會(huì)跟一些固定的零件發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致了一些異響。所以，在停止供水后，工作人員們將蝸殼的入口開啟，然后查看轉(zhuǎn)輪的上、下漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪葉片，在轉(zhuǎn)輪的葉片中沒有發(fā)現(xiàn)任何東西，由此可以確定尾水管中水力不穩(wěn)定是由轉(zhuǎn)輪引起的。尾水管內(nèi)由于水力失穩(wěn)，使其產(chǎn)生周期性波動(dòng)，壓力脈動(dòng)施加在機(jī)組上進(jìn)而引起振動(dòng)。在某一時(shí)刻，在水輪機(jī)尾水管內(nèi)產(chǎn)生渦滯，導(dǎo)致其流量周期改變，引起水壓波動(dòng)及管道壁面振動(dòng)。如果水輪機(jī)自由振蕩頻率與水輪機(jī)自激振蕩頻率一致，就會(huì)產(chǎn)生共振，將會(huì)嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全。對(duì)此，工作人員在高、低水頭下（有一定的開口量）進(jìn)行了機(jī)組啟動(dòng)測試，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的聲音不能被去除，緊接著對(duì)轉(zhuǎn)輪的葉片進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)也沒有出現(xiàn)裂縫，所以可以將這個(gè)因素進(jìn)行了排除。

由于防漏圈的不對(duì)稱，使得流入防漏圈內(nèi)的水流不均衡，從而造成了防漏圈的橫向壓力，引起防漏圈的振動(dòng)[3]。經(jīng)檢測，轉(zhuǎn)輪下端進(jìn)行止漏操作，四周達(dá)到均勻狀態(tài)。但實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，三面的縫隙非常一致，其中約1/4的縫隙最大，接近1mm，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的0.3mm，所以可以推斷出上止漏不均勻是造成裝置振動(dòng)的一個(gè)重要因素。

3.2 電磁方面可能引起振動(dòng)的分析

機(jī)組的振幅隨著電機(jī)勵(lì)磁電流增加而上升，這是繞組短路和空氣間隙的不均勻性等原因所致。在機(jī)組運(yùn)行中，由于電機(jī)勵(lì)磁電流逐漸增加，諧振效應(yīng)愈發(fā)顯著，振幅逐步擴(kuò)大。當(dāng)發(fā)電機(jī)三組不對(duì)稱工作時(shí)將導(dǎo)致三相不均衡，三相不均衡的電流進(jìn)而導(dǎo)致三相線圈中出現(xiàn)正、負(fù)兩套旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)負(fù)序磁場靠近轉(zhuǎn)子縱軸時(shí)，由于氣隙較小，產(chǎn)生的磁力線較多，這樣就使得轉(zhuǎn)子與定子之間不能產(chǎn)生較大的作用力。因此，負(fù)序磁場和轉(zhuǎn)子之間的作用力不斷變化，最終引發(fā)了機(jī)組的振動(dòng)。通過監(jiān)測三相電流，發(fā)現(xiàn)三相不均衡的不均衡都在夫定區(qū)之內(nèi)，這表明三相不均衡并不是造成三相不均衡的主要因素。

另外，導(dǎo)致了機(jī)組振動(dòng)的原因之一是磁場周期性變化產(chǎn)生的磁張力，還有一個(gè)原因就是定子、轉(zhuǎn)子之間存在著不均衡的氣隙，這種振動(dòng)現(xiàn)象在機(jī)組停機(jī)后，對(duì)定子、轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其滿足裝置和設(shè)計(jì)的需求，這就表明與這個(gè)因素沒有關(guān)系。除此之外，由于發(fā)電機(jī)發(fā)生了突發(fā)性的短路，導(dǎo)致磁場不平衡，使得發(fā)電機(jī)組經(jīng)歷了強(qiáng)烈的振動(dòng)。然而，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的一點(diǎn)接地保護(hù)進(jìn)行詳細(xì)檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，該保護(hù)裝置的響應(yīng)極為靈敏。觀察發(fā)電機(jī)過流保護(hù)記錄的電流曲線，未發(fā)現(xiàn)數(shù)值躍動(dòng)情況。因此，可以排除這種情況對(duì)機(jī)組異常振動(dòng)的影響。當(dāng)日天氣良好，基本不會(huì)出現(xiàn)打雷的情況，可以排除因打雷造成的設(shè)備損壞的情況。可見，造成機(jī)組振動(dòng)的因素并非發(fā)電機(jī)根本因素。

3.3 機(jī)械方面原因分析

水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，其在裝配和調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題都可能是造成這些水電站機(jī)組異常振動(dòng)的主要原因。機(jī)器的振動(dòng)是由機(jī)器各部件之間的摩擦引起的。因?yàn)檗D(zhuǎn)子的質(zhì)量不均衡導(dǎo)致其在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)因離心慣性力的影響，使主軸發(fā)生扭曲，導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)振動(dòng)。但是，由于本機(jī)的轉(zhuǎn)子和主軸都是在工廠中進(jìn)行過熱套和動(dòng)靜平衡測試的，且本來就是平穩(wěn)的，所以可以消除轉(zhuǎn)子的不均衡的因素。

另外，機(jī)組的軸線不正也可能會(huì)造成機(jī)組在運(yùn)行中產(chǎn)生橫向和縱向振動(dòng)，最終引發(fā)回旋效應(yīng)。這種現(xiàn)象不但會(huì)對(duì)推力軸承和導(dǎo)軸承有較大的沖擊，而且會(huì)使離心慣性力變大，導(dǎo)致振幅增加。為了確保機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，需要詳細(xì)分析軸線不正可能帶來的振動(dòng)影響，采取相應(yīng)的振動(dòng)控制策略，降低對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件的損害，并提高水電站機(jī)組的運(yùn)行效率。

在一定的運(yùn)行周期內(nèi)，機(jī)組可能會(huì)因?yàn)槟承┮蛩貙?dǎo)致系統(tǒng)的軸心發(fā)生變化。由于推力頭大軸線安裝不緊密，卡環(huán)受力不均衡，推力頭與反射鏡之間的隔熱片發(fā)生了扭曲和損壞，使機(jī)器的裝置振動(dòng)。拆開上部導(dǎo)向器后將推力瓦拔出，只見其表面光滑，沒有任何摩擦的跡象。將推力頭抽出來后，仔細(xì)觀察了一下鏡片的密封圈，見其完好無損，所以這個(gè)原因也可以排除。

另外，導(dǎo)軸承可能也有缺陷瑕疵，機(jī)組運(yùn)行過程中，因軸承松弛、剛度不夠、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)和缺少潤滑時(shí)都將發(fā)生摩擦造成逆弓回轉(zhuǎn)，也就是橫向振動(dòng)。如果軸承的間隙太小時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的振動(dòng)就會(huì)傳遞到軸承和底座上，而軸承的間隙太大時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的振動(dòng)就會(huì)增大。此外，又怕因軸承的縫隙變化造成大軸的移動(dòng)，進(jìn)而與上導(dǎo)向的油蓋板產(chǎn)生撞擊，在工作人員們對(duì)上導(dǎo)向的油蓋板進(jìn)行了檢測后，要注意上油蓋板主軸的縫隙，四面都要一致，以滿足安裝的需求。但是后來測得的導(dǎo)瓦的間隙較大，最大誤差為0.02mm，從而將其剔除。這很有可能是由于主軸密封座與研磨盤發(fā)生了摩擦和撞擊而產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，在維修后對(duì)主軸密封座與磨板進(jìn)行了檢測，沒有發(fā)現(xiàn)摩擦碰撞的跡象，這也不是最重要的原因。

根據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)主要是由于轉(zhuǎn)輪上的止漏環(huán)間隙不平均所造成的。但是，由于外部的原因，不能從外部來判斷是否會(huì)出現(xiàn)異常的聲音，也就不能啟動(dòng)。所以，決定對(duì)機(jī)組進(jìn)行拆除維修。

4 水電站機(jī)組異常振動(dòng)的處理

為了讓水電站機(jī)組正常運(yùn)行，將對(duì)機(jī)組進(jìn)行一些必要的處理。

首先，對(duì)水電站機(jī)組的頂蓋進(jìn)行修補(bǔ)，在修補(bǔ)的時(shí)候先去掉原來的兩個(gè)圓弧形狀的鋼圈，再將頂蓋的緊固止漏環(huán)的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)1.5cm，增加內(nèi)部嵌入的鐵環(huán)的厚度，并考慮到內(nèi)部嵌入的鐵環(huán)的加工性，然后在內(nèi)部嵌入的鐵環(huán)上形成一個(gè)“梅花型”的鐵環(huán)，以確保焊縫的強(qiáng)度。在此過程中，要確保鐵環(huán)內(nèi)部的表面光潔和圓度，尤其是錨焊部位要打磨光滑平整，不要有太多的凸起，要確保在加工過程中的定位及止漏量符合設(shè)計(jì)的容許偏差。其次，再次調(diào)節(jié)導(dǎo)瓦的間距，對(duì)拆卸掉的上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦、水導(dǎo)瓦等進(jìn)行檢測，觀察瓦后撐桿螺釘是否有松動(dòng)、裂紋現(xiàn)象，對(duì)有拉伸的導(dǎo)瓦展開打磨修理，根據(jù)盤車的資料，再重新分配并調(diào)節(jié)導(dǎo)瓦的間距。最后進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的更換操作：因?yàn)檗D(zhuǎn)輪上冠外緣磨壞了，在短時(shí)間內(nèi)很難維修，所以采用了替換新轉(zhuǎn)輪的辦法，將新轉(zhuǎn)輪送到了工廠，并對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)，同時(shí)對(duì)連軸后的轉(zhuǎn)輪也進(jìn)行了同樣的檢驗(yàn)。對(duì)施工過程中的施工質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)控，按照工藝流程對(duì)每一道工序都進(jìn)行了檢查，確保了施工質(zhì)量達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

由于修理頂蓋、替換轉(zhuǎn)輪、拆解重裝這些流程，導(dǎo)致了大量的經(jīng)濟(jì)損失。在上一次檢修中，由于檢修時(shí)對(duì)頂蓋緊固漏環(huán)的修復(fù)方法錯(cuò)誤，導(dǎo)致了設(shè)備的振動(dòng)及轉(zhuǎn)輪的損壞。后來由于葉輪損壞降低了葉輪的使用壽命。在檢修的過程中，由于監(jiān)管制度缺失，缺少對(duì)外加工零配件質(zhì)量的監(jiān)管，導(dǎo)致其在制造過程中未進(jìn)行葉身零件的檢驗(yàn)，從而影響了葉身的使用壽命。經(jīng)過對(duì)頂蓋處的緊固漏環(huán)進(jìn)行維修，對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了更換操作，并按照盤后對(duì)導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行了重新調(diào)節(jié)，從而有效地消除了機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)和異響，該機(jī)組在經(jīng)過了一次檢修后這些問題都已經(jīng)全部解決，一直到現(xiàn)在都處于一種安全運(yùn)行的狀態(tài)。