水輪發電機組的振動原因

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1、水輪發電機組的振動原因水輪發電機組的振動原因非常復雜，主要有水力、機械、電氣等 三大方面的原因。例如，水輪機組的干擾通常來自一些壓力脈動，低 頻壓力脈動尤其對穩定運行構成威脅，因為它們可以擴散至整個管路 系統，從而引起水力共振，其頻率通常為轉輪旋轉頻率的0. 23倍。 對于混流式水輪機，在非設計工況下運行時，轉輪出口將產生強烈的 渦帶，從而導致尾水管流不穩定，是造成這類機組振動和出力擺動的 最主要根源。尾水管脈動是低頻壓力脈動中最遍、最具有代表性的現 象。尾水管中的水流脈動壓力可使尾水管壁產生裂縫，嚴重的可使整 塊鋼板剝落。振動的振級和頻譜不僅取決于激振力或力矩的大小和頻 率，同時還與電機和它

2、的各部件，以及使水輪發電機構成整體的聯接 件的自振頻率和運行狀態有關，與制造、安裝質有關，也與運行條件 有關。在水輪機振動測試分析技術中，信號處理是水輪機振動測試分 析成功與否的關鍵，其目的是提取設備中的振動特征信息，為準確分 析振動原因提供依據。隨著電力行業對水力機械設備安全、可靠性要 求的不斷提高，對振動分析提出了更高的要求，而傳統的振動測試技 術已滿足不了對微弱振動特征信息的提取及非平穩信號特征提取的 要求，而基于虛擬儀器的計算機處理技術為振動分析中這些難題的解 決提供了友好的平臺。從振動發生的情況看，有的是水輪機本身的水力特性決定的，有 的是由一些偶然因素作用產生的。發電機是將水輪機的

3、機械能轉換為 電能的裝置，在轉換過程中，由于某些方面設計、加工、安裝或參數 配合不當也會引起發電機的電磁振動。從結構上，水輪發電機組可以 分成兩大部分：轉動部分和固定、支持部分。它們中的任何一個存在 機械缺陷時都可能引起機組振動。而這些缺陷可能是由設計、加工、 安裝等任何一個環節所引起。常規情況下，機組有四大振動部件：上 機架、下機架、頂蓋、轉動部分。異常情況下還有其它部件，如定 子鐵心等。水輪發電機組結構復雜，誘發故障的原因很多，依據干擾的不同 形式，機組的振動可分為機械振動、電磁振動和水力振動三大類。.1:機械振動機械振動系指振動中的干擾力來自機械部分的慣性力、摩擦力及 其它力。引起振動的

4、機械因素有：轉子重量不平衡，機組軸線不正， 導軸承缺陷等。機械振動主要有：大軸在法蘭處對中不良，連接不緊或固定件松動而 造成大軸有折線，從而引起的振動；機組轉動部分因質量不平衡、彎 承瓦間隙大或推力軸承的推力軸瓦不平和推力頭松動等原因引起的 振動。機械缺陷或故障引起的振動有共同的特點，其振動頻率為轉 頻或轉頻的倍數，不平衡力一般為徑向或水平方向。2：電磁振動電磁振動分為兩類：即轉頻振動和極頻振動。引起轉頻振動電磁 方面的原因主要是轉子繞組短路、定子和轉子間氣隙不均勻、磁極的 次序錯誤造成磁路不對稱引起磁拉力的不平衡從而產生振動；定子鐵 芯松動引起100Hz的極頻振動。3. 水力振動水力因素會引

5、起機組振動、擺度增大，振頻隨振源的變化而不同，如 渦帶偏心振頻為1/2-1/6轉頻；卡門旋渦振頻與葉片出水邊相對流 速、出水邊厚度有關，汽蝕振頻為高頻等。水力振動主要有：卡門渦 列引起的振動；尾水管渦帶引起的振動；水封間隙不等引起的振動； 蝸殼、導葉和轉輪水流不均勻引起的振動；壓力管道中水力振動；狹 縫射流、空腔汽蝕引起的振動；協聯關系不正確引起的振動等。從以 上分析可見，水輪發電機組的振動與眾多因素有關，振動的特征反映 了機組的工作狀態和故障情況。不同因素引起的振動，都有其不同的 特征表現。這些特征除了與振幅、振頻有關外，還與機組負荷、勵磁 電流、水頭等因素有關。為水輪發電機組振動問題研究和

6、處理的方便， 習慣上把振動問題按以下方式分類。1.常規振動：常規振動是指 由不可避免的因素引起的振動。在混流式水輪機中，這類不可避免的 因素主要有兩個：尾水管渦帶壓力脈動和水力不平衡。2.異常振動 水輪發電機組中異常振動主要指下述幾種情況：共振：它可能出現在機組的轉動部分、葉片、水體、定子鐵心等處。 自激振動：水輪機中自激振動主要由迷宮泄漏所引起。如漁子溪電 站、龍首電站的機組振動問題。水體共振及其引起的機組強烈振動：流道中，任何部分的水體都可 能發生共振。異常振動一般為幾種原因疊加的結果。 水輪發電機組振源1. 尾水管內低頻渦帶低頻渦帶是混流式和軸流定槳式水輪機普遍存在的振源之一。產生渦 帶

7、的基本條件是水輪機轉輪出口水流具有一定的圓周分速度?；炝魇?水輪機在部分負荷運行時，轉輪出口產生強制旋渦。由于旋渦內部壓 力低，若汽蝕系數很小時，則強制渦核便產生空腔汽蝕現象，即在旋 渦中心形成空腔。中心部分的汽蝕空腔做周期的偏心運動，從而引起 壓力脈動現象。螺旋形渦帶在尾水管中旋轉的頻率，也就是渦帶壓力 脈動頻率，在整個尾水管中各處都是一樣的。2. 尾水管接近轉頻的脈動尾水管中的脈動壓力，除低頻渦帶外，還有中頻和高頻脈動壓力。中 頻脈動壓力頻率接近機組的轉速頻率，易引起機組振動和壓力管道振 動。接近轉頻的脈動壓力，在導水葉任何開度下始終存在著，在一定 的單位轉速下，頻率基本一定。在發生低頻渦

8、帶范圍內，由于受低 頻渦帶的影響，接近轉頻的脈動繞某一值上下波動。同樣，軸流定漿 式水輪機的模型試驗結果表明，其尾水管中接近轉頻的脈動頻率和轉 速及開度的關系，和混流式水輪機的規律非常相似。3. 水輪機水封間隙不等產生的水力不平衡力由于制造和安裝上的原因，轉輪和固定部件不在同一軸線上?；蛴捎?水封零部件加工安裝不精確，或者轉輪質量的動、靜態不平衡，都會 引起在運行中水封間隙不均勻。另外，由于導軸承間隙不當，大軸弓 狀回旋振動等，都會使上、下水封間隙偏斜。4. 蝸殼、導水葉和轉輪水流不均勻引起的振動蝸殼中的水流并不像理論假設的那樣均勻，沿周向和高度的流速分布 都是不均勻的。均勻流速的水流進入導葉

9、后，在導葉間產生不均勻流 速，流出導葉后又重新分布。導葉出口流速的不均勻性，對低比轉速 水輪機意義比較大，因為比轉速越低轉輪和導葉出水邊的間隙越小。 對高比轉速混流式和軸流式水輪機，導葉出水邊與轉輪進口之間有一 定的距離，水流在此間隙中已調整得比較均勻了，故影響較小。葉片表面脫流或汽蝕等，都將引起葉片振動，甚至引起破壞性事故。水輪機葉片和導葉的振源之一是葉片出口形成了卡門渦列。5. 壓力管道中水力振動水電站正常運行時，壓力管道兩端為開口，水體有自振。水輪機過流 部件的水流脈動，有可能與管道中水體自振頻率發生共振或倍頻共 振。管道中水體振動荷載傳給水輪機，使機組產生或加劇振動。6. 機械缺陷引起

10、的振動水輪發電機組的旋轉部件和支承結構都是按軸對稱布置，以保證機組 旋轉過程中保持穩定性。如果由于某種原因偏離這種對稱時，機組運 行就會變成不穩定，而產生各種形式的振動。機械缺陷或故障引起的振動有共同的特點，其振動頻率多為轉頻 或轉頻的倍數，不平衡力一般為徑向或水平方向。機械不平衡現象是 較普遍存在的，尤其高水頭和高轉速的機組的不平衡問題更顯得突 出，構成機組的主要振源之一。7. 機組的電磁振動水輪發電機組電磁振動可分為兩類：一類是轉頻 振動，其頻率為轉頻或其整倍數。一般由轉子不圓引起，這主要是機 械缺陷造成，這種故障的根源可能是安裝時就存在了。另一類為極頻 振動。由兩種磁場及其相互作用產生。

11、大的或異常的極頻振動都是以 共振的形式出現。大直徑水輪發電機組主要振源之一，是由于定子內 腔和轉子外圓之間氣隙不均勻，在定子和轉子間產生不均衡磁拉力， 從而對轉子和定子形成轉頻激擾力。產生極頻振動的原因有：分瓣定 子合縫間隙大，比較多見；定子分數槽次諧波磁勢，振動幅值隨負載 電流增大而增大 定子并聯支路內環流產生的磁勢；負序電流引起的 反轉磁勢（如富春江電站5號機）；定子不圓、機座合縫不好。8.機 械結構導軸承間隙大：例如漁子溪電站660Hz振動，就是因為導軸承間隙大； 葛洲壩電站初期振動達2-3mm也是因為導軸承間隙影響大。磁極鍵的設計、加工、安裝問題：例如貴州東風電廠的機組振動問題 就是由此引起。9.轉子不平衡不平衡是旋轉機械最常見的故障。不 論是機械、水力和電氣哪種不平衡，產生的根源一定在轉動部分上。 不平衡的頻率一定是轉速頻率。水輪發電機組振動故障特征總結常見的水輪發電機組特征頻率有機組頻率（轉頻）、轉輪葉片頻率（轉 頻倍數）、尾水管渦帶頻率（1/3 1/5轉頻）、電磁激振頻率（50HZ, 100HZ ）等從機組的振動特征來判別水輪發電機組的故障原因及其部位，就要從 機組的振動特征入手，通過一系列的測試手段，獲取機組測試數據， 提取機組特征參數，經過分析診斷，確定機組的振源，找到機組的故 障部位，為機組檢修提供可靠的技術保證。