水轮发电机组振动危害性分析及预防

覃柏荣

（广西电力安装有限公司 广西南宁 530000）

水轮发电机组产生的振动和其它动力机械产生的振动存在明显差异，但机组振动是一种较为常见和明显的现象，但它的振源通常十分隐蔽，除机器自身发生转动引起的振动，当水轮机过流受到发电机电磁力持续作用后，也会对系统与它的部件造成影响，进而产生振动。导致机组产生振动的原因有很多，一般多种振源共同存在，通常情况下，导致机组发生振动的源头以电气、水力与机械为主，而且这三者还相互作用与影响，彼此交织，最终产生耦合振动。

1 振动危害

对于一般振动，并不会对机组造成危害，但如果振动超出了允许范围，特别是长时间的振动与共振，将对发电的质量、机组设备寿命、各附属设备与仪器、基础与周边建筑造成很大影响，甚至带来十分严重的危害，这些危害主要包括以下几个方面：

（1）在机组零部件及焊缝之间产生疲劳破坏区，且这一区域将不断扩大，导致裂纹的产生，严重时，将造成断裂损坏[1]。

（2）机组上某些紧固件由于振动变松，除了会使这些紧固件产生断裂，还会加剧与其相连的部分的振动，使损坏速度加快，缩短使用寿命。

（3）增加机组转动机构磨损，比如大轴发生剧烈摆动，导致轴和轴瓦大幅温升，最终烧毁；又比如发电机的转子产生剧烈振动，使滑环和电刷之间的磨损加剧，温度大幅升高，将轴瓦烧毁，同时还会使电刷上的火花大量增加。

（4）在尾水管中，涡流将产生一定脉动压力，导致过水系统产生明显的振荡，在尾水管壁上出现若干裂缝，当情况比较严重时，还会使尾水设施被严重破坏。

（5）如果水轮机组发生共振，则将带来更严重的后果。比如，当机组设备和厂房发生共振时，将使设备与厂房均被损坏[2]。

2 振动产生原因与预防

2.1 低频涡带

对混流式与轴流定桨式两种水轮机而言，低频涡带是在以上两种水轮机处于部分负荷条件下时，在尾水管当中产生的现象，即流体不稳定流动。当水轮机运行于非设计工况时，因转轮出口部位存在旋转水流与脱流漩涡，所以在尾水管当中将产生明显的水压脉动。特别是在尾水管当中产生大涡带以后，这一涡带将以近似固定的频率于尾水管中发生转动，使水流在低频压力作用下发生脉动。如果尾水管中的水流已经发生，则在压力脉动作用下，将产生一系列振动，如尾水管壁振动、转轮振动、导水机构振动、蜗壳振动与压力管道振动等。尾水管结构如图1所示。

针对由这一原因造成的振动，可采用以下措施来预防和处理：

（1）对水力设计进行优化，比如更换负倾角转轮翼型、对叶片出口环量及其分布规律进行合理设计、采用适宜的泄水锥与上冠，另外，当转轮为高水头混流式时，可在转轮上增加副叶片[3]。

（2）避免机组在振动工况区中进行运行。

（3）对水流发生的流动及旋转进行改变，常用方法有：对泄水锥和尾水管的锥段进行加长；对尾水管的锥角予以扩大；增设阻水栅与隔板；对涡带偏心距进行严格控制。

（4）在机组运行过程中，为涡带区实施补气，通常进行自然补气即可，若有必要，也可进行强制性补气。

图1 尾水管结构

2.2 卡门涡列

如果水流遇到非流线型障碍，则会在出口两侧产生漩涡，出现方向相反，但排列十分规则的漩涡，在这种情况下，将引起相互干扰和吸引，这就是涡列产生原因，通常称之为卡门涡列。该涡列交替进行旋转，旋转方向为顺时针与逆时针，在它形成和消失期间，会在与主流相垂直的方向上产生振动力。如果涡列频率和叶片固有频率相接近，则叶片的动应力将大幅增加，甚至产生响声，导致叶片的根部因为振动而断裂[4]。

针对由这一原因造成的振动，可采用以下措施来预防和处理：

（1）对转轮叶片厚度进行适当削减，增加卡门涡的频率，以尽可能的防止共振发生；

（2）在叶片之间增设支撑，以此对叶片自振频率予以调整和改变；

（3）在水轮机设计过程中，对涡列频率及叶片和导叶自身固有频率进行预测，以此尽可能的与绕流部件固有频率相错开。

2.3 水力不稳

对于混流式水轮机，如果它的实际工况与最优工况相偏离，则叶片进口冲角将明显增大，若水流冲角严重超标，将使叶片的头部脱流而产生叶道涡，由此会产生中高频率的脉动。在设计水头的上部，来流为正冲角，脱流主要产生于上冠叶片进口后侧；在设计水头的下部，来流为负冲角，脱流主要产生于上冠叶片进口前侧。对叶道涡而言，其脱流产生在与最优工况相偏离以后的上冠进口，可分成高、低水头两种。根据模型试验结果可以看出，涡流主要在转轮叶片之间的缝隙产生，在水轮机工况发生变化时，如果2～3个叶片之间在相同的时间产生可以发现的涡流，则说明机组处于这一工况时有叶道涡现象发生[5]。

针对由这一原因造成的振动，可采用以下措施来预防和处理：

（1）对水轮机组的水力进行优化设计，尤其是上冠部位型线设计与叶片头部叶型设计；

（2）为尽可能避免高水头叶道涡产生，设计水头，即机组的最优水头，需要与最高水头保持接近；

（3）为了给水轮机进行补气，需在其顶盖表面设置补气孔，使压缩空气顺利补充，以此在必要的情况下进行补气，消除机组的振动；

（4）在机组运行时，应尽可能避开叶道涡的发生区。

2.4 过度不稳

在水轮机的工况产生明显变化的过程中，将进入水力过渡阶段，此时机组将产生不同的振动。对于水力过渡，主要包括小波动与大波动两个过渡过程，当为小波动过渡时，由水轮机调速器进行调节可以在较短的时间内达到稳定状态，但如果是大波动过渡，比如机组的启动和停机、运行负荷突然变化、甩负荷、同步调相及事故飞逸，从水轮机中持续通过的水流，其状态将十分复杂和紊乱，除了会使水力无法保持稳定，而且在转轮上还会产生一定高频动应力[6]。

针对由这一原因造成的振动，可采用以下措施来预防和处理：一方面，要尽可能避免大波动过渡；另一方面，若大波动过渡无法避免，则要在现有调速器的基础上增加其它调速机制，以此在允许的时间范围内达到稳定状态，保证水力的稳定性，避免高频动应力的产生。

2.5 水力失衡

水流在具备位能与动能之后，将在蜗壳作用下产生环流，之后转轮由于受到导叶持续作用（包括固定导叶与活动导叶，但无论哪一种导叶，其分布均保持均匀）而开始旋转。因加工与安装无法避免误差的产生，导致导水叶的流道及叶片，在形状和尺寸等方面存在很大的差别，直接或间接作用在转轮上的水流，如果失去轴对称，将产生不平衡的横向作用力，导致转轮发生振动，这一振动在空载状态和低负荷运行状态更为强烈。

针对由这一原因造成的振动，可采用以下措施来预防和处理：从加工和安装两个环节入手，尽可能减小误差，避免流道与叶片在形状和尺寸上产生较大的差别。

除以上原因外，磁拉力不平衡和轴线不直也会造成振动，电机中，定子和转子间存在的不均匀气隙将使两者间产生不均衡磁拉力，即便定、转子表面十分规则，机组当中因轴系产生变形将导致电机转子偏心，进而导致磁拉力不平衡。导致单边磁拉力的原因为转子相对于定子发生偏心，这一般和加工与安装过程中产生的误差、轴承磨损及转子挠度等有关。对此，应保证加工与安全精度，减小轴承的磨损与转子挠度。

3 结束语

综上所述，如果水轮发电机组产生超出允许范围的振动，将对机组带来很大的危害，如在机组零部件及焊缝之间产生疲劳破坏区等，使机组产生振动的原因有很多，在实际工作中，为预防振动，需针对不同产生原因，根据振动产生机理，采取有效的预防技术措施，比如针对由水力不稳引起的振动，应通过对水力的优化设计来预防和处理。此外，磁拉力不平衡和轴线不直也会造成振动，对此，应采取有效措施来预防和处理。