水电设备振动噪声的原因及其对策

■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 孔凡瑞

在水电设备国内外市场竞争的招投标中，评价水电设备的三大重要指标，是效率、空化和稳定性。效率关系到水能利用程度，空化关系到转轮使用寿命，稳定性则关系到整个机组乃至电站能否正常运行。然而，考核机组运行稳定性的重要指标是振动及其引起的噪声。大电机运行信息来自电压、功率等直接信息，还来自噪声、温升等间接信息。它们一起表征大电机的运行状态。噪声可分为电磁、机械、空气、动力、轴承、电刷等多种类型。因为噪声源很多，引起的原因也各不相同。电磁、机械、空气、动力等噪声都分布在不同的领域，而且互相重叠、混杂。所以，大电机噪声都具有较宽的频域范围，和复杂的 频谱。如果以噪声频谱作为横坐标、以声压级作为纵坐标，便可绘制噪声曲线。在噪声测量中，其频谱经常采用倍频程或1/3倍频程来表示。通过噪声频谱的测量，可以发现运行中的大电机安全稳定性问题。采用噪声频谱分析仪进行的测量表明：并非负载越大，噪声越大。对于大型水轮发电机，其运行中的稳定性受到水头、流量、负载、电枢电流等多种因素的影响。噪声大小也受它们的影响。所以，噪声随负载增大而增大的趋势，不是规则的。空转时，只有空气和机械噪声，没有励磁系统和电枢电流 引起的电磁噪声。本文主要论述水电设备运行中发生的振动、噪声的原因及其对策。

1 水轮机水力原因

1.1 在低负荷或过负荷工况下声响振动增强时的原因

a 旋流引起——由旋转水流引起尾水管振动，振频与转频相等。正常运行时，转轮出流为轴向。负荷增大或水头增高时，出流旋转且与转向相反；反之，负荷和水头变小时，出流转向则与转流一致，使水流在尾水管内摆动、振动。加装补气管或导流翼片可解决。

空化引起——叶片表面压力低于水温下的饱和蒸汽压时，水就蒸发，并在水流中产生细小细泡，空化就是气泡破裂时的现象。空化引起的振动和噪声，可加装补气管或修改转轮叶片形状解决。空化振频属于高频，约为300Hz至500Hz。

1.2 在某一定负荷工况下声响振动增强时的原因

a 卡门涡引起——在水流中的转轮叶片、导叶或固定导叶的尾部就形成涡列，同时伴有与水流方向垂直的交变力，其频率为（0.15-0.20）V/t，V是流速（m/s),t是叶片厚度。当频率（旋涡的发生频率）与叶片、导叶或固定导叶的固有频率一致时，就产生噪声和疲劳破坏。解决办法是转轮叶片修型或叶片间加装支柱以改变其固有频率。

b 紊流引起——水流中有物体，就不再是层流而是紊流。紊流中有物体就会产生振动。在固定导叶后面紊流中放置的导叶便出现振动，其频率是不确定的。解决办法是改变固定导叶和活动导叶的相对位置，或修改固定导叶尾部形状。

c 转轮特性引起——对于高比速混流式水泵水轮机和斜流式水泵水轮机，压力波动引起的振动是其特有的现象。它与转轮的水力特性、管路特性以及运行方法有关。解决办法是使运行工况离开不稳定区域，在管路方面也要减少机组之间的相互影响。

1.3 负荷增加工况下声响振动增强时的原因

a 转轮叶片数与导叶数不匹配引起——振动频率为转数频率与转轮叶片数之积。改变转轮叶片数或增加转轮叶片与导叶之间间距可以消振。在转轮进口处由压力波动形成的这种振动随负荷增加而增大。

b 转轮叶片与导叶之间间距太小引起——振频为转频与转轮叶片数之积。适当增大这个间距可以消振。这种振动也是由压力波动在转轮进口处形成的，也随负荷增加而增大。

c 转轮密封形状不佳引起——这与密封结构、形状、间隙有关，在某种外部力干扰下，引起密封间隙不再均匀，压力也不再均匀，形成不平衡力矩，位移越来越大，振动也在增大。改进密封结构可以解决。

d 转轮出口面积不同引起——调整导叶开度来解决。

1.4 其它原因

a 落叶引起——水中混入大量落叶，阻断部分水流，出现干摩擦，引起主轴振动、噪声。过了落叶期，振动自然消除。

b 水体分离引起——甩负荷时，紧急关闭导叶，尾水管内会形成很大压力降，当静压达到饱和蒸汽压以下，水就变成气泡分离出去，这就是水体分离现象。但分离水再结合，便形成很大压力，伴随音响、振动，并传播到尾水管、压力钢管。装设调压井或延长导叶关闭时间可解决。

2 发电机电磁原因

2.1 负荷增加工况下声响振动增强时的原因

a 磁极叠片引起——部分磁极叠片发生异变，应重新调整加固。

b 相位不平衡引起——三相负载不平衡时便产生反相电流并引起与电源频率成倍数的激振力，进而在转子中产生扭矩和扭转振动、噪声。输电系统规模较大时，这种振动很少发生。随着整流器负载的增加，也会在转子中产生与电源频率成倍数的扭转振动。当整流器负载为发电机的30%-40%或输电系统较大时，这种振动不成问题。

c 气隙异常引起——定子与转子之间的气隙如果不均匀，就会导致磁拉力不平衡，从而引发摆振、噪声。其振频与转频相等。不论什么原因引起的气隙不均必须及早调整解决。

2.2 在励磁工况下出现振动噪声时的原因

a 定子铁心固有振动引起——励磁线圈产生的励磁力频率是电源频率的2倍，当励磁频率接近定子铁心固有频率时便引起电磁振动、噪声，该振动频率等于极对数与转频之积。应避免这两种频率的接近，可改变定子铁心圆环整体的固有频率。

b 磁拉力引起——转子磁极形状和安装尺寸不准确，磁极引力不同，形成磁拉力偏差，引起振动、噪声。其振频等于转频。调整磁极表面处气隙，或安装重物进行平衡可以解决。也可能因磁极线圈相间短路，引起电磁不平衡、振动，可对励磁线圈绝缘特性进行检测，如属实应进行维修。

c 定子铁心周向松动引起——运行中铁心热涨，而机座温度较低，对铁心有约束。铁心产生周向内应力。停机时铁心冷缩，热涨冷缩导致分瓣铁心合缝面间隙加大，铁心圆环整体刚性降低，改变了固有频率，在励磁力作用下，产生电磁振动、噪声。提高铁心圆环刚度可以解决。在消除合缝面间隙时，可插入弹性垫（合成树脂）。

d 定子铁心轴向松动引起——运行年久，铁心叠装厚度减薄，引起松动，在磁极励磁力作用下，发生轴向松动、振动，特别是铁心齿部，由于腐蚀而变色、损坏。防止措施是压紧铁心，并在其齿部、背部浸泡树脂，使其固化，提高整体刚性。

2.3 声响剧烈伴有振动的原因

这是负荷摆动引起的，应通过负荷调节，使其均衡化解决。

3 机组结构机械原因

3.1 空载低速时振动的原因

a 主轴弯曲变形引起——主轴同固定部分局部接触会引起振动，此时主轴弯曲。推力头与轴配合不当也会因轴系不稳定而导致轴振动。提高安装精度，使推力头与轴配合好，可解决。

b 推力轴承调整不良引起——必须在安装调整时确保推力轴承滑动面的水平度和镜板与主轴的垂直度，否则就会引起轴系振动。

c 轴承间隙过大引起——导轴承间隙应调准，使其均匀，间隙过大会导致轴系振动加大。

d 法兰把合不引起——为了确保联轴质量，就必须使主轴摆度调整达到足够精度。连接法兰部分的轴线偏析度应调整到要求的摆度。

e 找中心不良引起——定中心时应使上导轴承，定子，下导轴承，水轮机轴承的中心在一条铅垂线上。定中心不良时，各轴承处就会强迫主轴转动受阻，从而引起主轴振动，轴承温升。

3.2 振动剧烈伴有声响的原因

这是转轮等转动部分接触引起的，应消除接触部位。

3.3 转速上升振动增强的原因

a 转动部分不平衡引起——磁极分布不均，磁轭机械精度不高，磁轭冲片，磁极冲片厚度不均等会导致转动部分不平衡，从而引起振动。应在现场做好动平衡实验解决。也可能因整体刚性不足和水力因素叠加而引起振动，应确诊哪种原因。

b 机组体系振动引起——这是水电站的特殊，罕见情况即包括转动部分和固定部分在内的成套机组体系的固有频率与转频一致或接近时就引起振动。应避免这种接近。

c 轴承支承刚性不足引起——轴承支承系统包括上机架、下机架、水轮机轴承座等，其中任何一件刚性不足都会引起振动。应保证它们具有足够的刚性。

d 轴系刚性不足引起——当主轴过长，过细或轴承分布的轴向距离过大时，轴承刚性不足。临界转速下降，当它接近工作转速时，极小的不平衡量或外力都会使振动加大。加装中间轴承可解决。

在上述项2.3中，由机组结构机械原因引起的振动频率都与转数频率相等。

4 其他原因

（1）调节失灵引起的：这是调速器与水位调节器失灵引起的振动、噪声。

（2）机组中心不良引起的：当水轮机基础下沉时并导致机组中心不良而引起振动、噪声。

（3）共振引起振动剧烈：这是厂房、设备强度不足及共振引起的。

5 结语

水电设备出现振动、噪声的现象比较普遍，国内外都常发生，有时还很严重，危及设备和厂房的安全运行。根据调查研究，分析了发生原因及其对策，必将有助于此类问题的解决。