1、有關水輪機振動問題的教學探析水輪發電機組工作的穩定性是衡量機組工作性能的重要指標之一，如何克服機組運行的不穩定性就成了機組安裝、試運行和檢修中突出要解決的問題。 盡管水輪發電機組在運行中都會存 在振動的問題，但只要這種振動的振幅是在規定的范圍之內都是 允許的。一旦振幅超出了規定的允許范圍， 那就必須要設法找出 產生振動的原因，并采取相應的措施來削弱或者消除振動。而造成水輪機振動的原因往往是由電氣、機械、流體等多種因素共同引發的，這就使得問題變得很復雜， 于是如何分析并找到產生振 動的原因就顯得格外重要了。 因為只有找到了產生問題的真正原 因才能米取相應的解決問題的措施。 雖然一般的電站都存在著

2、振 動和擺動的問題，而振動也是水輪機運行過程中普遍存在而又突 出的一個實際問題，但無論是從教學的角度還是從實踐的角度來 講，這一問題都是不容忽視的。一、水輪發電機組振動的危害在分析振動的原因之前，我們必須要先了解振動帶來的危害。在水輪機運行過程中，若振動的振幅一旦超出了允許的范圍， 并達到了一定的值，輕則會使得機組的各個零部件的檢修次數增 加、檢修周期縮短，時間一長甚至會大大縮短機組的使用壽命。 重則會因為強烈的振動而導致運行中的機組必須要退出運行，否 則會造成更大的危害，如有的電站就發生過，因為強烈的振動最 終使得壓力鋼管爆裂而造成整個電站被淹、 人員傷亡的嚴重事故 等等。可見，事故帶來的教

3、訓是慘痛的，我們必須從一例例的事 故中吸取血的教訓，這就提醒我們要對這個問題引起足夠的重 視。總之，振動會影響水輪機的正常工作， 甚至會引起機組和廠 房的損壞， 可振動同時又是旋轉機械中不可避免的一種現象， 但 我們若能將其振幅限制在允許的范圍之內， 那么就能確保機組安 全正常運行， 因此， 如何減小振動對提高機組運行的可靠性和延 長機組壽命，具有重要的意義。二、水輪發電機組振動原因分析 引起機組振動的原因主要有水力振動、 機械振動、 電氣振動 三個方面，下面我們就這三個主要的方面分析如下。1. 水力振動 一般來講，引起水輪發電機組振動的主要因素往往就是水力 振動，而引起水力振動的因素主要有尾

4、水管中的水力不穩定、 水 力不平衡、空腔氣蝕、卡門渦列、間隙射流等。（1）尾水管中的水力不穩定。主要是指尾水管中的水壓產 生周期性的變化而引起的壓力脈動， 當這種壓力脈動作用在機組 和基礎上時，會引起噪音、壓力鋼管的振動、頂蓋和推力軸承的 垂直振動、出力波動等。與此同時當機組處于非設計運行工況時， 還可能會在尾水管中產生渦帶， 而由渦帶所引起的低頻壓力脈動 不僅會對尾水管的里襯產生相當大的破壞作用， 而且它還會增加 作用在機組頂蓋和上機架上的垂直振動的振幅， 使得機組的主軸 上的擺動呈現出明顯的不規則性。 更為嚴重的是， 當該低頻壓力 脈動的頻率一旦和水輪發電機組或電力系統的自振頻率接近時，

5、將會產生共振， 從而會引起機組出力大幅度的波動， 最終可能會 造成機組被迫從系統中解列， 更甚者可能會危及廠房和水工建筑 物。因此，從某種意義上來講，這種由尾水管中形成的渦帶所引 起的低頻壓力脈動是造成機組振動的一個很重要的原因。（2）水力不平衡。當流入轉輪的水流失去軸對稱時，則會 產生不平衡的徑向力， 造成轉輪的振動， 尤其是當機組處于空載 或低負荷運行狀態時， 振動顯得尤為強烈。 而導致水流失去軸對 稱的主要原因， 則是因為加工和安裝等方面的誤差所引起的過流 通道不對稱，如：蝸殼形狀不對稱、導葉開度不均勻、當轉槳式 水輪機處于非最優協聯關系等， 都會引起水力不平衡， 從而產生 橫向振動。（

6、3）空腔氣蝕。當機組處于非設計工況運行時，就有產生 空腔氣蝕的可能。 其特點是空腔氣蝕會引起機組的推力軸承和頂 蓋出現劇烈的垂直振動， 其垂直振幅較大并伴隨有噪聲， 這主要 是由于空腔氣蝕所引起的氣蝕共振而導致的。 故從某種意義上來 說，它所產生的危害比橫向振動更大，因此，在機組的運行中， 我們要盡量避開在非設計工況運行。（4）其他類型的水力振動。能夠引起水力振動的因素還有 卡門渦列、壓力引水鋼管的振動、軸流式槳葉的間隙射流等。2. 機械振動引起機械振動的因素主要有： 機組軸線不正、 轉子質量不平 衡、導軸承缺陷等。 其特征是振動頻率等于機組的轉動頻率或整 倍數的機組轉動頻率。（1）機組軸線不

7、正。在旋轉機械中機組中心、旋轉中心及 軸線三者重合是最理想的狀態， 而機組中心、 旋轉中心與軸線不 重合則是最不理想的狀態。 因此，在機組的運行過程中當水輪機 和發電機的軸線不正時， 就有可能會引起機組的擺動和振動。 其 主要影響是：產生不平衡離心力、增大轉子弓狀回旋的半徑、引 起迷宮中較強的壓力脈動， 有時還會引起機組的自激振動。 這就 要求我們對機組安裝、 檢修階段的工作要做得細致到位， 要準確 的測量、調整機組的軸線，以使得機組中心、旋轉中心及軸線三 者能盡量的接近重合。 而在實踐中， 由于機組的軸線不正所引起 的振動往往不會很大， 這是因為在運行的過程中， 我們可以經常 性地對機組軸線

8、的擺度值進行測量， 從而可以根據實時的測量值 來進行調整處理， 經處理之后一般都能夠使得其擺度值在規定的 范圍之內。 同時我們知道機組軸線不正， 也是引起其徑向振動的 原因之一， 而它會引起兩種形式的振動： 1）弓狀回旋； 2）擺振。（2）轉子質量不平衡。由于轉子質量不平衡，而導致轉子 重心與軸線間會產生一個偏心距。 當主軸旋轉時， 由于在失衡質 量離心慣性力的作用下， 主軸將發生彎曲變形， 結果就產生了弓 狀回旋即振擺。（3）軸瓦間隙大。在其它條件不變時，首先，軸瓦間隙的 大小直接決定了轉子弓狀回旋的半徑， 即其擺度幅值與間隙之間 是一種正比關系。 其次， 軸瓦間隙大還會引起轉動部件臨界轉速

9、 的降低等。（4）其他類型的機械振動由于推力軸承不平、推力軸承鏡 板與主軸不垂直、導軸承缺陷、推力卡環松動等，也都會造成機 械振動。3. 電磁振動引起電磁振動的因素主要有： 轉子繞組短路、 空氣間隙不均 勻、磁極極性不對、軸瓦間隙失調、定子線圈的組合排列及跳線 不正確、轉子磁極交直流阻抗不平衡、轉子絕緣不良等。其基本 特征是：振動隨勵磁電流的增大而增大。（1）發電機的轉動部分因在不平衡力的作用下而產生的機 組振動。其振動特征為：振動隨勵磁電流增大而增大，并且其上 機架處的振動尤為明顯。（2）因發電機定子繞組每極分數槽繞組形成的磁場特殊諧 波成分而引起的磁拉力。 定子在波數較少的磁拉力作用下就要

10、產 生振動。其振動特征為：振動隨定子電流的增大而增大，振級與 電流幾乎呈線性關系，并且在其上機架處的振動尤為明顯。（3）因定子鐵芯組合縫松動或定子鐵芯松動所引起的機組 振動。其特征為：振動隨機組轉速變化較明顯，并且當機組帶上 一定負荷后， 其振幅又隨時間增長而減小， 對因定子鐵芯組合縫 松動所引起的振動，其振動頻率一般為電流頻率的兩倍。（ 4）定子繞組固定不良，在較高電氣負荷和電磁負荷作 用下，會使繞組及機組產生振動。其振動特征為：振動隨轉速、 負荷運行工況的變化而變化， 上機架處振動也較為明顯， 但不會 出現帶上某一負荷后其振動隨時間增長而減小的情況。（5）其他類型的電磁振動。能夠引起電磁振

11、動的因素還有 轉子繞組短路、空氣間隙不均勻、磁極極性不對等，而發電機的 這些缺陷往往會使得其空氣隙中的磁通密度分布不均勻、不對 稱，于是就會產生“單邊電磁拉力”而引起電磁振動。三、消除振動的措施水力機組是由許多部件組成的， 若有一個或幾個部件工作不 正常，都可能引起機組振動。 機組振動是各方面缺陷的集中表現。 當振幅超過允許范圍， 必須設法減低， 而減低振動值的關鍵在于 找出振源， 然后根據不同情況， 采取相應措施。 由于振動與機械、 電氣、水力多種因素密切相關， 而要在諸多因素中找出一兩個主 要原因，往往很困難。因此，需要進行多方面的調查研究，了解 振動的各種表現，并進行一系列試驗研究和分析

12、。1.查清振動的原因一臺機組若發生了超過允許值的振動， 就必須設法減少其振 動值，而水輪機的振動是有規律的， 這種規律一般表現在振幅和 頻率的變化上，要根據它的這一規律性，查清振動的具體原因， 以便對癥下藥， 具體地解決它。 尋找振源可以從以下幾方面著手。（1）分析運行參數。此法可通過試驗，如轉速、負荷、空 載、調相加勵磁、電測試驗等，找出振動與某一參數的關系。（2）逐步淘汰法。首先將發電機以電動機方式運行，如振 動消除，說明振動是水力原因；再將水輪機從法蘭處拆開，使發 電機單獨做同步電動機運行，若振動消除，說明是機械原因，若 繼續振動，說明振動原因在發電機。（3）頻率分析法。此法是借助測振儀

13、測量頻率變化的規律， 并與部件各頻率進行比較，查明是哪部分振動。2. 應對振動的相關措施查明振動的原因后， 針對不同情況采取不同的措施消除或減 緩振動，對于振因不明的，則可盡量避開振動區域運行。處理措 施如下：對于由電氣因素造成的振動， 在運行中應加強監視以避免超 次諧波共振、定子鐵芯組合縫的松動、定子鐵芯的松動、定子 繞組固定不良等情況的發生，就能減弱或消除振動。對于由機械原因引起的振動， 要特別注意提高制造、 安裝的 工藝和精度，防止推力頭的松動。例如通過動平衡，調整軸線或 調整軸瓦間隙等來提高相對同心度和精密度， 就能減弱或消除振 動。對于由水力因素所引起的振動， 通常可以采取以下幾種方法 處理：（1）調整止漏環間隙。高水頭水輪機止漏環間隙過小，要適當加大，止漏環偏心，要進行處理。（2）軸心孔和尾水管補氣。當下游水位較高自動補氣困難 時，則要強迫補氣。（3）加支撐消振。即在葉片出口邊之間加焊支撐，對渦列 引起也葉片振動有一定效果。（4）設置導流柵。即在尾水管直錐段