水轮发电机组的振动现象及归因分析

乐红

(德宏师范高等专科学校,云南德宏 678400)

水轮发电机组的振动现象及归因分析

乐红

(德宏师范高等专科学校,云南德宏 678400)

随着电力发展的不断加速,我国对水轮发电机组性能指标的要求越来越高,已经开始将其振动控制作为研究的要点,在一定程度上提升了水轮发电机组的工作效益。文章从水轮发电机组着手,对水轮发电机组的结构、发展状况、振动现象进行分析,依照ANSYS方法对水轮发电机组振动的主要原因进行研究,望为水轮发电机组设计及优化提供一些参考。

水轮发电机组 振动 原因

1 水轮发电机组概述

1.1 水轮发电机组结构

关于水轮发电机的结构，一般分为卧式和立式，其中立式结构多用于大容量和中容量水轮发电机，卧式结构主要应用于小容量水轮发电机。发电机组内部的发电机轴，一般分为刚性轴和柔性轴，在水轮发电机组中，使用较多的是对刚性和强度有着高要求的刚性轴。水轮发电机采用卧式结构时，较容易出现共振的状况，因为发电机外部形状较为细长，在与水轮机组合后，更容易受到压力影响，导致水轮发电机组整体不稳定，振动现象明显。

1.2 水轮发电机组发展状况

水轮发电机组的发展与我国的经济发展水平有着极大的关联，其单机容量也在逐步加大，大功率的电机组正成为水利发电的主流设备，但在我国很多水利发电站处于环境恶劣的地区，小型水轮发电机组无法满足实际需求，导致产生诸多问题，使用高容量的水轮发电机组是目前国内水利发电的趋势。在水电站的工程招标中，对于水轮发电机组的技术评标愈发重视，特别是机组的稳定运行和振动损坏方面。国内外很多水电站都有水轮发电机组因振动而出现事故的案例，机组损坏事故的频发，促使人们在发展大容量发电机的同，将更多的关注放在了对水轮发电机组的振动控制上。

2 发电机组的振动现象及振动分析

2.1 水轮发电机组振动振源状况

水轮发电机组的振动问题与水力发电站的正常运行紧密相关，一旦出现振动问题，则可能造成整个水电站的重大事故。水轮发电机组出现振动现象，其振源状况与水力、机械、电磁方面有着必然的关系。作为水轮发电机组工作的前提条件，水为水轮发电机组提供了转轴旋转的动力，但也因为水是流体的原因，造成了机组的振动。由水力因素引起的振动，包括转轮叶片蜗壳的设计缺陷造成水力不均，或尾水管压力脉动引起水流低频频繁，还有一部分原因是水轮发电机组的安装与运行，与预期不一致，导致一部分能量转化为水力振动；当水轮发电机组工作时，机组内部机械之间的各种作用力，如惯性力、摩擦力等，极易造成机组自身出现振动。由机械引起的振动，包括机组的转动区域的质量不平衡、转子自身振动、轴线歪斜等因素，其他机械区域的如机组轴线缺陷、轴承和调速器因素等，也会造成振动的发生；发电机在发电过程中，容易出现发电机的转子和定子问题、气隙问题、三相负荷不均问题、电力系统的波动、磁极次序颠倒等问题，所以水轮发电机组的电磁振动，是不可避免的一个因素。

2.2 ANSYS对振动振源的分析

对于水轮发电机组的振动振源分析，可以通过ANSYS软件的帮助，经过前期处理、计算求解过程、后期整理三个阶段，建立有效的模型，提取有用信息。使用ANSYS软件，一般过程为，通过实际分析求解，对求解域进行有限大小、形状的离散域划分，以此精确计算最终结果，确定一组定量即关于物理问题的微分方程，推出有限单元的列式，形成单元矩阵，进行符合条件的离散域的总矩阵方案的求解，查看结果的有限元法最终联立方程组。对联立方程组机械求解时，可采用直接、迭代、随机等方法，而求解的结果则是单元结点的变量近似值。

3 引起水轮发电机组振动的主要原因

3.1 机械部件偏离平衡结构

水轮发电机组的机械结构中，在旋转和支承部件中存在着偏离对称性的设计，这导致了机组工作时的振动。因为机械自身的设计缺陷和产生的故障，如发电机组的质量问题、安装问题、轴系弯曲变形等，都会引发机械内部水平方向的不平衡力的产生，由此引发的振动是转频的几倍。发电机的转子外圆同定子内圆的圆心偏离，因气隙不均而出现不平衡磁拉力，该力与离心力共同作用在机组的轴系上时，极易引发轴系出现横向、扭曲的振动。当发电机的自身频率和外界频率干扰相等时，还会引发共振。机械因不平衡力而出现径向离心力，即

而引起机械不平衡的原因，除去机械内部的元件质量不平衡因素外，还与机械的转动、固定元件安装连接、各元件之间的摩擦、润滑不良等有关。当发电机的转子和定子的气隙中有磁力线通过，而磁力线又有缩短自身长度的倾向，这就使得定子与转子间产生了力的作用，即磁拉力。当机械内部磁场不均匀，甚至因机械部件原因出现失磁现象时，这就在磁拉力的作用下使得机组出现了故障。在水轮发电机组中，转子和定子是产生不平衡磁拉力的主要部件区域，机械内部产生的不平衡离心力和不平衡磁拉力都是发电机组出现振动的重要因素。

3.2 电磁部件偏离平衡结构

发电机的电气部分会产生干扰机组运行的电磁力，从而引起电磁振动，包括转频振动和极频振动。转频振动是机组振动的主要振源之一，因转子磁极圆度问题，使其与定子之间产生不平衡磁拉力，转子的旋转会引起空气的周期性变化，不平衡力在沿着圆做周期性运动，使得转子与定子间形成转频激扰力，导致振动的产生，而振动的大小与短路的线圈匝数有关。而极频振动则是定子铁芯轭部的固有振动，在发电机的定子绕组内，每极的分数槽绕组都会因特殊谐波形成磁场，由此引起的磁拉力通过磁场的放大作用，定子在波数少的地方会因磁拉力而产生诸多现象，在负载电流增大的同时，其振动振幅也在增大，可以认为其振级与电流呈线性关系。定子的铁芯组合缝出现松动，或者定子的铁芯松动了，都会引发定机组转速异常，或电流变化明显，而振幅在机组机载达到一定负载后，会随时间而减小，同样定子的次谐波磁势、反转磁势不稳定定子不圆等因素也会引起振动的产生。

3.3 水利部件偏离平衡结构

3.3.1 卡门规则涡流

卡门涡流是指，若把圆柱或平板放在流动的水里，在圆柱或平板的负压侧会产生比较有规则的涡流，该涡流是尾部脱流而产生的。根据流体力学知识，在雷诺数很大的时候，圆柱的绕流会转变为交叉涡列，即卡门涡列。卡门涡流的频率f为：

在水轮发电机组中，若卡门涡流的频率与转轮叶片或其他部件的固有振动频率相同，或者接近时，都会使得机组出现强烈的振动现象。卡门涡列的频率与水流速度、水轮叶片厚度等因素有关，而振动的产生，会对机组的固定导叶造成损坏，出现疲劳性裂纹，一般的表现为过机流量在增大的同时，振幅也在增大。

3.3.2 尾水管低频涡流

大型的水轮发电机组中，发生振动故障最多的是尾水管涡带，且发生频率较高，多会引发机组的压力脉动。当水轮发电机组未处于最佳工作状态时，水流会在离心力作用下，夹带大量的气泡进入到尾水管涡带，水流与气泡会影响尾水管涡带的周期性平衡，造成偏心的产生，引发机械内部巨大的共振现象，轻则使得转轮叶片产生裂纹或碎裂，严重时会造成厂房振动，甚至使发电机组无法继续工作。尾水管的涡带所引发的尾水管内的低频压力脉动，其频率同涡带的频率相同，且在尾水管的每个地方都相同，频率大概为水轮机的1/3到1/5之间，其中，旋转水流的频率f为：

3.3.3 压力管水体自振

当水电站正常工作时，在压力管道的两端有开口存在，使得水体有自振现象产生，而在水轮机过流时，其水流脉动同压力管道的水体自振在频率上可能接近或相同，极易发生共振现象，或倍频共振现象。压力管道内的水体振动若通过水流，经频率传导至水轮机，则会加重这种共振效果。而一旦水轮发电机组的负荷突然改变，则会在压力管道和水轮机的进出水道中发生水击现象，在水击作用影响下，会引发机组内部的周期性压力脉动，导致振动的扩大化，振动频率f为：

3.3.4 其他水利因素

除以上因素外，导致水轮发电机组出现振动的原因还有很多，如转轮进口的压力出现波动、水流冲击机组的涡壳、导叶、转轮等部件引起的受力不均等等。机组的进水口拦污栅若有杂物堵塞，会引发振动，而杂物若进入机组机械内部，会引起机组运行故障突发，而出现强烈振动现象。水轮的转轮止漏环设计不合理，造成水流冲击受力不均，水流中流沙等物体对转轮等水轮部件的撞击、磨损等，水轮机的安装不合理导致与预期效果偏差过大等，都会造成水轮发电机组振动的产生。

4 结语

对于水轮发电机组的振动问题，不应等同于一般机械的振动考量，需要将机械自身的转动问题和其他固定部件的振动因素，与发电机组电磁力、水力影响等各方因素考虑进去，在实际的水轮发电机组运行时，振动的原因很多，简单的消振工作并不能够达到预期效果，哪怕已经查找到了振动原因，也难以做好消振工作。所以，对水轮发电机组进行振动研究和原因分析还是十分必要的，是水利发电发展必须面对的问题。

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