水轮发电机组振动原因探析

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【摘要】本篇论文作者结合自己所学的专业理论知识和多年从事机组运行的实际工作经验，就水轮发电机组在运行中经常出现的振动现象，专门从技术和理论分析的角度探析了引起振动的各种原因。但不同机组在运行中出现的不同振动应做具体地实时分析，以便制定正确的处理方案，也不能生搬硬套，这里仅谈一些分析过程中的共性和大家共勉。

【关 键 词】水轮发电机组振动原因探析

中图分类号：[TV734.2+1]文献标识码： A 文章编号：

一、振动的危害

和其他机械设备一样，水轮发电机组在运行中的振动是

一种普遍存在的、不可能完全避免和消除的现象。只要将振动限制在允许的范围内，它对机组本身及其工作并无妨害。但是当振动超过一定限度时，对机组设备本身及对周围的建筑物甚至对整个水电站的运行都会带来很大的危害，主要有：

（一）引起机组零部件金属焊缝中疲劳破坏区的形成和扩大，从而使之发生裂纹，以至断裂损坏而报废。

（二）使机组各部位紧固连接部件松动，导致这些紧固件本身的断裂，加剧被其连接部分的振动，促使它们迅速损坏。

（三）加速机组转动部件的相互磨损，如：大轴的剧烈摆动可使轴与瓦的温度升高，使轴承烧毁；发电机转子的过大振动会增加滑环与电刷的磨损，当励磁机与发电机的轴是刚性连接时，转子的剧烈振动也会增大整流子的磨损，并使整流子和集电环上发生跳火现象。

（四）尾水管中的水流脉动压力可使尾水管壁产生裂缝，严重的可使整块钢板剥落。

（五）共振所引起的后果更为严重，如机组设备和厂房的共振可使整个设备和厂房毁坏，当尾水管中的水流脉动频率与发电机及电力系统的自振频率接近时，负荷的微小变化所发生的共振，可能引起发电机本身的极大波动和电力系统的大幅度振荡，因而可使机组从系统中解列，对电站和电力系统的安全运行带来严重危害。

（六）机组过大的振动不仅危及水电站的安全运行，而且还影响水电站和电力系统的经济运行。这是因为不少机组均有一明显振动区，为保证机组的安全，应避开振动区运行，这就给机组之间和系统之间负荷的合理分配带来困难，因而不利于水电站和系统的经济运行。

二、振动的原因

引起水轮发电机组振动的原因很多，根据干扰力的不同形式，大体上可分为三类：由机械原因引起的振动、水力原因引起的振动和电磁原因引起的振动。

(一)、机械因素引起的振动

l、转子质量不平衡

由于转子质量不平衡，转子重心对轴心会产生一个偏心距。当轴以某一角速度旋转时，由于失衡质量离心惯性力的作用，绕轴心作圆周运动时回转半径就是振幅。这种振动的特征是：振幅是随转速变化而变化的，转动角速度升高，振幅增大。当转动角速度接近临界值时，振幅剧烈增大而产生共振。转动角速度下降时，振幅也下降。所以一般大中型机组在设计时都要保证机组的临界转速大于最大飞逸转速的10％～15％，以避免共振。转动部分产生的不平衡离心力作用在轴承上，引起支承部分的振动，振动频率就是转动频率（f = n／60），振幅与转速的平方成正比。

2、机组轴线不正

机组轴线不正的主要表现形式是轴线与镜板摩擦面不垂直和轴线在法兰结合面处曲折。由于轴线倾斜和曲折，使机组转子的轴向力不通过推力轴承中心，就产生一个偏心力矩。随着转子的旋转，偏心力矩也同时旋转，使各支柱螺栓的受力是脉动力，其脉动频率与转速频率相同，从而产生推力轴承各支柱螺栓的轴向振动，转子也随之产生振摆。轴线不正，也是引起径向振动的原因之一。

3、轴承缺陷

当轴承松动或间隙过大又不良，或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦，引起机组的横向振动。

(二)、水力因素引起的振动

1、导叶、蜗壳引水不均引起的转轮进口水流冲击

理想情况下，导叶在任何位置(开度)时，它两侧的流速和压力呈均匀的分布状态，相临流道内具有同样的能量平衡，此时水流正常平顺。然而，由于加工和安装上的误差，各个叶片和各个流道的形状与尺寸总是有一定的差别，有些差别还可能较大，这就会对水流产生扰动，扰动水流进入转轮区就会与之发生冲击，引起水轮机的振动和水压脉动。

蜗壳进水不均也能产生压力脉动。这种情况主要发生在

鼻端处。蜗壳鼻端处的隔板(最后一个固定导叶)起隔流作用，即把从压力钢管来的水和流到蜗壳末端的水流分开。由于水流在蜗壳里的磨擦损失，使上述两股水流具有不同的能量，即鼻端隔板两侧水流的压力和流速不同，它们在鼻端后相遇就发生扰动，此扰动水流通过导叶流道与转轮相碰撞就会产生压力脉动。

2、卡门涡列

当水流绕流叶片由出口边流出时，便会在出口边处产生涡列，旋涡从叶片的正面和背面交替的出现，形成对叶片尾部交变的作用力。当涡列频率与叶片自振频率相同时，便产生共振。共振时，叶片的动应力可能达到平均应力的50％以上，加上振动频率较高，因而极易使叶片产生疲劳裂纹甚至完全断裂。

3、空腔气蚀

水轮机在非设计工况下运行会产生空腔气蚀，由空腔气蚀引起机组的顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动，它比横向振动的危害性更大。

4、间隙射流

轴流式水轮机中，叶片和转轮室间隙处，由于正背面压差的存在，会形成一股射流，其速度很高。由于转轮的旋转，对转轮室某一部分来说，交替的出现瞬时压力升高和降低而形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动，使金属疲劳。

5、止漏环压力脉动

由于制造和安装上的原因，使水轮机止漏环处偏心，或由于轴处于弓状回旋，它们引起止漏环间隙发生周期的变化，造成间隙内水压力脉动，从而引起转动部分的自激振动。

（三）电磁因素引起的振动

引起振动的电磁因素主要来自：转子绕组短路和空气间隙不均匀等。

1、转子绕组短路

当一个磁极的磁动势因短路而减少时，跟它相对的磁极的磁动势并没变，因而出现一个跟转子一起旋转的辐向不平衡磁拉力，引起转子振动。这种振动幅值的大小取决于失去作用的线圈匝数。此种振动的特征是：当接入励磁电流时，就发生振动，励磁电流增大，振动幅值也随之增大，去掉励磁，振动印行消失。由于这一特征，就很容易把它与其他原因产生的振动区分开来。

2、空气间隙不均匀

当发电机转子不圆或有摆度时，造成空气隙不均匀，从而产生单边的不平衡磁拉力，随着转子的旋转而引起空气隙周期化，单边不平衡磁拉力沿着圆周作周期运动，引起机组振动。这种振动也是随励磁电流的增大而增大。