水轮机振动原因.doc

许多有意义的往事，无论大小，虽事过迁境，仍会时时浮现在对生活的回味中，在笔者五年多前担任嘉阳电尾水电厂总经理时，与嘉阳电厂主管生产运行工作的负责同志等一起发现和处理尾水电厂机组振动一事，就是如此。嘉电尾水电厂装机只有1×630千瓦，是利用嘉阳电厂的循环弃水进行再生能源发电的小电厂，2001年6月投产发电。在投产发电初期，大约该年四月值班人员反映水轮机发电机组的振动比较厉害，频率大约120—130Hz之间（技术规范要求为小于100Hz）。通过目测和仪器仪表分段监测发现，是因为水轮机主轴与发电机主轴的联接处的支架用材与主轴不对称造成的。通过厂家将原件拆回研磨重配（有同于汽车车胎动平衡调配）后复装,这一问题得到了较好的解决。发现和处理这个事情期间，我们曾查阅和研究过大量有关机组振动的资料,最近有时间把它们清理出来，“温故而知新”，现整理成“关于水轮发电机组的振动”一文介绍给同事，以期“抛砖引玉”。水轮发电机组由水轮机及发电机两大部份组成，水轮机作原动力，发电机则是将水轮机的机械能转换为电能，在转换的过程中，由于设计、加工、安装或机组参数的不匹配等原因，都会引起发电机的电磁振动。机组振动大致分为上述所提到的不平衡力引起的振动；发电机的极频振动和水力激振力三大类，简单介绍如下：一．不平衡力引起的振动。为保证水轮发电组工作（旋转）时的稳定性；机组的转动部份和支持部份（转轴和支座、转子与定子支架等）的结构应尽量保持轴对称布置，当由于其它原因使这种对称失去了的时候，机组的运转就会变得不稳定，并产生振动。科学分析后发现这样的振动有一个共同的特点，那就是振动的频率都与转动的频率相同（谐振）或成倍数关系，只是出现的部份和形式是多种多样无规律性的，一般的讲有以下几种：（1）机械不平衡。旋转部分质量分布不均匀引起的不平衡。（2）转子作弓状回旋引起的不平衡。此类情况主要是发生在布置为立轴机组时，因立轴机组的转子除了绕其自身轴线旋转外，其轴线还要绕轴承的几何中心旋转，这就是转子的弓状回旋，它所引起的不平衡力可用如下公式计算出来：F弓=（Wω2r）/g(kg)。式中：W为转动部份的重量（kg）；ω为转频的角速度，ω=2πfn；r为弓状回旋半径（m）；g为多重力加速度（m/s2），fn=a/4L（Hz）——a为声波在水中的传播速度；L为引水长度。（3）水力不平衡。水力不平衡由两种因素引起：①主要由转轮叶片、叶道形状不一致，流速、压力不对称（或不均匀）引起的；②主要由迷宫间隙周期性变化所引起的间隙压力脉动。③电磁力不平衡。当发电机转子因各磁极电气系数不一致，或转子磁极外圆不圆、旋转中心与几何中心不一致、转子有了匝间短路、轴弯曲等情况发生时，都会使其周围的磁拉力不对称，形成电磁力不平衡的现状。解决这类问题的根本办法是消缺。在条件许可的情况下还可以：1）、由质量分布不均匀和转子作弓状回旋引起的不平衡可用配重的方法来消除或削弱；2）、对电磁力不平衡有时也可用配重的方法进行调节。二.水力激振力（1）涡带压力脉动（振动）。当水轮机在偏离额定负荷的40%—60%的工况下运行时，转轮出口水流切向分速度会增大、水流中所具的有环量使尾水管中心产生低压并形成涡带，此涡带呈螺旋形摆动并引起尾水管涡带压力脉动频率大约为f涡=（1/3-1/5）fn，幅值在机组开度为额定开度的50%时最大（这些状况在嘉电尾水电站的每年三季度最容易发生，因这时段电站尾水水渠所处岷江时常出现高水位，电站尾水抬高，出力减少、脉动增强）。防止和消除尾水管压力脉动的方法有；①消除涡核在尾水管断面上的偏心距；②主流压力与死水区隔离开；③消除或减少尾水管内水流的旋转等。（2）类转频压力脉动（振动）。类转频压力脉动一般产生在导叶后面和转轮前部的间隙内，其频度接近转速频率fn（但不会等于fn），原因是转轮内有真空，当脉动压力引起水体共振时就会影响机组。防止和消除的办法是往转轮上腔补气。（3）迷宫压力脉动（振动）。当水轮机迷宫的转动部份不对称或者由于主轴摆度而发生周期性振动时，迷宫的间隙也会发生周期变化，变化会在迷宫内产生一个不成中心对称的旋转压力场，对机组也就有了一个同样周期的压力脉动。迷宫压力脉动与迷宫进、出口的压力差、阻力系数、迷宫间隙的变化率有关。迷宫压力脉动一般为转速频率，可作为总水力不平衡的一部分增大水轮机的摆度，在一定条件下还可能引起水轮机的自激振动。减少或消除迷宫压力脉动引起的径向不平衡力的方法主要有：①减少迷宫间隙的轴向尺寸；②增大迷宫间隙尺寸；③减少迷宫静、动部分的偏心等。（4）卡门涡。卡门涡一般出现在水轮机的固定导叶、活动导叶和转轮叶片的出水侧边上。其频率由下式计算f=shω/δ式中：sh为斯特鲁哈数；ω为叶片出水处相对速度；δ为叶片出水边脱流处厚度。卡门涡发生共振时除噪声很大外，还有一点就是共振时叶片