水轮发电机组振动成因分析及对策

分类：电力论文发表 时间：2012-03-23 15:47 关注：(1)

张新生 侯锦刚 刘胜利
摘 要：水轮发电机组的振动在运行中是不可避免存在的，如果振动过大,则会影响机组的安全,精确测量振动值及分析振动原因并及时采取相应对策是机组安全运行的重要保证，本文从机械、水力、电磁三方面对振动原因进行了分析并提出对应措施。
关键词：机组；振动；成因；分析；对策
Abstract: the vibration of hydro-generator units in operation are inevitable in there, if excessive vibration, can affect the safety of the unit, accurate measurement of the vibration value analysis and vibration causes and promptly adopt corresponding countermeasures is an important guarantee the safe operation of the unit, this paper, from the mechanical and hydraulic three aspects, the electromagnetic vibration analysis on the reason and puts forward corresponding measures.
Keywords: unit; Vibration; Cause; Analysis; countermeasures

中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
振动是机组运行过程中普遍存在的一个重要问题，运行中的机组如果振动过大,则会影响机组的安全,甚至有可能造成事故停机.因此,对机组振动原因进行分析并在机组运行过程中可靠的进行跟踪、监测,则可以将机组振动有效地控制在规范允许范围内。一般认为机组振动是由机械、水力、电磁三方面共同产生的。
振动成因
1.机械因素 　　振动的机械因素系指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其它力。其特征是振动频率等于机组的转动频率或整倍数的机组转动频率。引起振动的机械因素主要有:转子质量不平衡;机组轴线不正;导轴承缺陷等。 1.1　转子质量不平衡　
由于转子质量不平衡,转子重心对轴心产生一个偏心距。当轴以角速度旋转时,由于失衡质量离心惯性力的作用,轴将产生弓状回旋,其中心Ｏ1获得挠度,Ｏ1绕Ｏ作圆周轴运动,回转半径就是振幅,这种振动也叫振摆。其特征是:振幅是随转速度变化而变化的。
1.2　机组轴线不正 　　机组轴线不正会引起两种形式振动：（1）弓状回旋，在旋转机械中最理想的是机组中心、旋转中心及轴线三者重合,最不理想的是机组中心、旋转中心与轴线不重合的状态。介于二者之间的是旋转中心与机组中心重合, 机组轴线不正的主要表现形式是轴线与推力头底平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,使机组转子的总轴向力 Pa不通过推力轴承中心,就产生一个偏心力矩。（2）摆振，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,转子也就随之产生振摆。
1.3轴承缺陷 　　当导轴松动、刚性不足、运行不稳或间隙过大润滑又不良,都会发生干摩擦,引起方向弓状回旋，即机组的横向振动。导轴承间隙过小，会把转轴的振动传给支座和基础，导轴承间隙过大，转轴振动大。适当的导轴承间隙，可同时保证转轴与支座的振动均在允许范围内。
2、电磁因素 　　振动的电磁因素系指振动中的干扰力来自发电机电气部分的电磁力。其特征是振动随励磁电流的增大而增大。引起电磁振动的主要因素有转子绕组短路、空气间隙不均匀等。 2.1　转子绕组短路 　　当一个磁极因短路而引起磁动势减小时,和它相对应的那个磁极的磁动势并没有变,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。这种振动的大小取决于失去作用的线圈匝数。其振动的振幅与励磁电流有关,用公式表示为Ｙ=ｆ(Ａ),励磁电流Ａ增加,振幅Ｙ增大。当去掉励磁,振动立即消失。所以很容易把这种振动和其它原因产生的振动区分开来。 2.2　空气间隙不均匀 　　当发电机转子不圆或有摆度时,空气间隙就会不均匀,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间隙周期性变化,单边不平衡磁拉力沿着圆周作周期性移动,引起机组振动。
3、水力因素 　　振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性,且当机组处在非设计工况或过渡工况运行时,因水流状况恶化,机组各部件的振动亦明显增大。由于单位体积水流的能量取决于水头,所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱,高水头、低负荷时振动相对而言较为严重。产生振动的水力因素主要有:水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。 3.1 水力不平衡 　　具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流,再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀作用于转轮激发转轮旋转。由于加工和安装误差,使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时,作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力,引起转轮振动,在空载或低负荷运行时振动强烈，失去轴对称的主要原因是过流通道不对称，如：（1）蜗壳形状不正确，不能保证轴对称；（2）导叶开度不均，引起转轮压力分布不均；（3）在流道中塞有外物；（4）转轮止漏环偏心；（5）当转浆式水轮机处于非最优协联关系时，引起水力不平衡。 3.2 尾水管低频水压脉动 　　水轮机在非设计工况下运行时,由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响,在尾水管内常引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后,涡带以近于固定的频率在管内转动,引起水流低频压力脉动。当管内水流一经发生,压力脉动就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。 3.3 空腔汽蚀 　　水流通过水轮机时,其流向、流速随流道改变,在流速增高或脱流部位压力降低到汽化压力时水流中产生汽泡,汽泡进入高压区溃灭时便会出现汽蚀。汽蚀发生时,在汽蚀部位会发生特殊的噪声和撞击声。空腔汽蚀是流道中因漩涡带引起脱流、负压而造成的压力交变产生的振动。由空腔汽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更大。 3.4 卡门涡列 　　恒定流束绕过物体时,在出口边的两侧出现漩涡,形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡,进而互相干扰、互相吸引,形成非线型的涡列、俗称卡门涡列。当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时,将产生共振,并拌有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。 3.5　间隙射流 　　在轴流式水轮机中,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,对转轮室某一部位来说,交替的出现瞬时压力升高和降低,形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动。
三、振动危害
机组运行过程中振动过大会影响其正常工作，轻则运行不稳定，重则引起机组和厂房的损坏。归纳起来，其带来的危害有以下几个方面：引起机组零部件金属和焊缝中疲劳破坏区的形成和扩大，从而使之发生裂纹，甚至断裂损坏而报废；使机组各部位紧密连接部件松动，不仅会导致这些紧固件本身的断裂，而且会加剧被其连接部分的振动，促使它们迅速损坏；加速机组转动部分的相互磨损；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；共振所引起的后果更严重，如机组设备和厂房的共振可使整个设备和厂房毁坏。因此查清水轮机振动的原因，针对不同情况，采取不同的减振措施，对提高机组运行的可靠性和延长其寿命具有重要意义。
四、消除振动的主要措施
1.查清振动的原因
机组振动是有规律的，这种规律一般表现在振幅和频率的变化上，要根据这一规律性，查清原因。
（1）分析运行参数.此法可通过试验，如转速、负荷、空载、调相加励磁、电测试验等，找出振动与某一参数的关系。因振幅和频率均与运行参数有关，而不同振动原因对运行参数影响不一，因而可根据运行参数变化，分析确定振动成因。如转子质量不平衡或轴线不正而引起的机械振动，其振幅频率随转速的增加而增加；而止漏环水力不平衡引起的水力振动，一般随负荷的增加而加大；由尾水管压力脉动或空腔汽蚀所引起的水力振动与运行区无关，振动时伴随有噪音；由于转子短路所引起的电磁振动，振幅随励磁电流加大而增加，去掉励磁后振动便消除。
（2）逐步淘汰法。首先将发电机以同步电动机方式运行，如振动消失，说明振动是水力原因；再将水轮机从法兰处拆开，使发电机单独做同步电动机运行，若振动消失，说明是机械原因，若继续振动，说明振动原因在发电机。
（3）频率分析法。此法是借助测振仪测量频率变化的规律，并与部件各频率进行比较，查明是哪部分振动。
2.消振措施
查明振动原因后，对不同情况采取不同措施，对于水轮机振动一般有以下几种方法：
2.1尾水管装十字架补气，十字架本身可以破坏尾水管中旋流，减小压力脉动，同时涡带内补气也可消除振动。故县电厂即采用此种形式。
2.2轴心补气，从主轴中心孔向转轮补气，有时候也能消除水力原因引起的振动。
2.3阻水栅防振，在尾水管内加装阻水栅，使之改变涡带的旋转频率，破坏共振。此法在湖南风滩电厂得到应用，效果明显。
2.4加支撑筋消振，在转轮叶片间加支撑筋，对解决涡列引起的叶片振动有一定效果。
2.5调整止漏环间隙，当高水头水轮机止漏环间隙小时，要适当加大；如有偏心，要设法消除，可以得到良好的消振效果。
2.6避开振动区运行，当掌握水轮机振动区后，在没有解决振动问题之前，应尽可能避开在此区域运行。
2.7由机械原因引起的振动，只要查清振动原因，采取相应的措施，如通过动平衡，调整轴线或调整轴瓦间隙等，就能消除。
五、结论
总之，引起机组振动增大的原因很多，也可能是几种因素同时作用造成的，在未找到确切原因前，应避开在振动区运行。
作者简介：
姓名:张新生（1972年6月——），男，汉族，河南洛宁，运行技师。研究方向：电力生产，联系电话：13663088346，邮箱：xinsheng110120@sina.com
姓名：侯金刚（1980年3月——），男，汉族，河南太康，研究方向：电力生产
姓名：刘胜利（1971年7月——），男，汉族，山东齐河，研究方向：电力生产