水导油盆盖间隙不均匀引起的水机振动原因分析

卢朝刚

(新疆汇通水利电力工程建设有限公司，乌鲁木齐 830000)

水轮机是水电厂的重要设备之一，它是一套将水流的势能转化为动能、再由发电机将动能转化为电能的设备。它的运行质量关系着整个水电厂的安全性、经济性及整个机组的使用寿命。在水电厂运行中，振动对水轮发电机组的影响较大，不仅会增大机组的磨损，增加维护工作量，而且会影响机组寿命。

1 事故回顾

某坝后式水电站，位于新疆阿勒泰境内，共装有4台额定容量为35MW的立轴混流式水轮发电机组，于2011年安装完毕，当年上网运行发电。

机组在充水试运行过程中，运行人员发现4号机水轮机室声音异常，噪音比较大，测量其余3台机组噪音为70～80dB，测量4号机组噪音为95dB。测量结果显示:顶盖垂直方向和水平方向振动，测量值满足要求。再对水机室设备不同部位进行检查，发现水导油盆盖从外到内垂直方向振动值变化很大，经测量，油盆盖外圈振动值为0.12mm，内圈振动值为0.32mm，越靠近水轮机主轴，振动值越大。

2 机组振动原因分析

电站技术人员经过仔细分析认为，该电站水机油盆盖内圆与水轮机主轴之间密封采用的是梳齿式非接触式密封，间隙约为1mm，水轮机主轴与油盆盖之间间隙不均匀，在机组运行过程中，水轮机主轴高速旋转，产生不均匀气流 (或气压)，使其压迫油盆盖，致使油盆盖产生振动。

4号机组在运行过程中，由于油盆盖内圆与水轮机主轴之间间隙不均匀，间隙气流在水轮机油盆盖内圈的小间隙处压力高，大间隙处压力低，随着主轴的转动，齿隙会发生变化，齿隙小的间隙相对变化量大，齿隙大的间隙相对变化量小，致使进、出该两齿间的漏气量不等。间隙变化大者漏气相对变化量大，间隙变化量小者漏气相对变化量小，致使两齿间气量随水机主轴的转动时大时小，故两齿间腔室内的气体产生压力脉动。除了压力分布不均匀外，实际气流在齿隙受到截流形成“喷射流”。由于水轮机主轴的动态或静态偏心，某些位置喷射流作用强，中心流团速度大;某些位置喷射作用弱，中心流团速度小，形成了不均匀的周向速度分布和不均匀的圆周压力分布。这些不均匀的气动力、周向速度分布、圆周压力分布压迫油盆盖，致使油盆盖发生振动，产生噪音。

水轮机振动与其他动力机械的振动不太一样，除固定或者转动部分引起的振动外，发电机的电磁力以及作用于过流部分的流体压力对系统部件振动的影响也应考虑。振动是在机组运转过程中，在机械、电磁、流体等共同作用下产生的。当水流过水轮机时，若引起转动部分振动过大，会导致在发电机转子与定子之间气隙不对称变化，同时，产生的不平衡磁拉力也会造成转动部分振动超出规范。而转动状态出现某种变化后，又会对发电机的磁场及水轮机的水流流场产生影响。

2.1 机械振动

机械因素指振动中的外力来自转动部件的摩擦、惯性等，主要特征是振动频率成倍数于机组的转动频率。这类因素主要有转子质量不平衡、机组轴线不正、导轴承缺陷及其他因素等。

2.2 电磁振动

水电站中引起电磁振动的原因主要是定子与转子间气隙不均匀、转子绕组短路、磁极的次序错误造成磁路不对称引起磁拉力的不平衡而产生振动;发电机的这些缺陷会使磁通密度在空气间隙内分布不均匀，产生所谓“单边磁拉力”而引起机组的振动。

2.3 流体引起的振动

流体包括液体和气体。流体的振动，主要是指在各种力的作用下，流体本身，以及流体和固体表面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用而引起的形态变化。在水轮发电机的振动因素中，主要有水力引起的振动和气流引起的振动。一般而言，水力机组的振动主要是水力振动。

2.3.1 水力引起的振动

引起水力振动的因素有水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔气蚀及涡列、尾水管中水流不稳定、卡门涡型、间隙射流等。

当水轮机组存在蜗壳形状变形、导叶开度不均匀，以及转轮止漏环、转轮压力分布不均匀等缺陷时，进入转轮的水流失去轴对称，就会出现不平衡的径向力，引起转轮振动;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，会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动;水轮机在偏离设计工况下运行时，会发生垂直振幅较大并伴随噪声的情况，即发生空腔气蚀造成气蚀振动等。

2.3.2 气流引起的振动

电站中的气体振动一般在汽轮发电机组中产生，主要为气体动力自激振动。气体动力自激振动是气体在流动过程中，通过能量传递而产生的一类流体诱导振动。其表现形式常为阵发性、变幅值振动。多数气动力振动与机械的负荷及转速有关。

3 消除振动的措施

机组振动是机组缺陷的集中表现。当振幅超过规范时，必须采取措施降低振动。要降低振动值，关键在于找出振源，然后根据实际状况，采取相应措施。寻找振源时应充分考虑水力机组与机械、电气、流体相关联等因素，从多方面调查、了解振动的各种表现，寻找发现水轮机振动规律及频率变化，同时进行试验研究和分析。

3.1 现场观察

观察振动时的各种现象，如什么部位振动的最厉害，有没有什么异常，振动比较厉害时是什么状况，仔细听运行时有什么声响;对机架、轴承、转轮等各部件连接等进行检查，看有无异常情况;测量发电机气隙、转轮室间隙、止漏环间隙及摆度等是否符合规范;检测机组和电站的有关参数是否符合规范;确定机组有关部件的自振频率，如转轮叶片、导叶，水轮发电机轴、机架等。

通过现场观察，并与其他3台机组进行比较，发现4号水轮机的振动声音来自于水轮机室的水导轴承体上的油箱内，找到了声音来源。

3.2 从振动试验入手查明振动原因

振动试验是为了找出振动规律与运行参数的关系，并测出其振动频率和振幅，从而查明振动原因。一般需要做励磁试验、转速试验、负荷试验等，以此判断振动是由电磁原因引起的，还是由转子质量分布不均匀、轴线不正等引起的，或者是由水力因素引起的。

当发现4号机组水轮机的旋转油盆盖出现振动超标的情况后，实验人员进行了现场振动实验。油盆盖是分瓣结构 (两瓣)，油盆盖下设有1.50mm高的止口，与油盆体定位，安装人员将油盆盖一半拆除，另一半用干净的绝缘板盖住 (防止机组转动过程中，油盆内的油甩出)，然后启动机组，测量油盆盖子另一侧的振动值。测量发现水导油盆垂直方向振动超标，越靠近旋转的水轮机主轴，振动值越大，确定问题出在油盆密封上。试验人员马上在油盆盖与油盆体之间、油盆分瓣处各加了一层2mm厚的橡胶垫子 (垫子深度延伸至梳齿密封最内圈)。改装完成后，机组运行稳定，声音正常，振动符合规范要求。

4 结语

水力发电机组由许多零部件组成，如果一个或者几个部件不正常，都可能引起机组振动。在电站的寿命周期中，需要设计人员、安装人员、检修人员和运行人员采取相应的措施，进行仔细、耐心的工作，把各种振动因素消除在萌芽状态，以保证电站的正常运行，最大限度地发挥电站的发电效率。

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