水轮机发电机组振动的影响因素与处理方案研究

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊宁 835000）

近年来，我国的水力发电事业获得了长足进步，各类大中小型的水轮发电机组相继建成并投入使用。在水轮发电机组运行的过程中，常常会出现振动问题，这对机组的安全、稳定、可靠运行造成了一定程度的影响。新疆山口水电站的水轮发电机组为立轴滚流式机组，其额定转速为111.1 r/min.水轮机的型号为HLA551C-LJ-450，额定出力为47 MW.发电机的型号为SF47-54/10400，其额定容量为47 MW.该机组于2010年8月正式并网发电，截止到目前并未进行过A、B级检修（A级为全面的解体检查与修理；B级为针对机组某些设备存在的问题对部分设备进行解体检查与修理）。在机组的运行过程中，有时会出现振动现象。本文重点分析振动的影响因素，并提出有效的处理方案。

1 水轮发电机组振动的主要影响因素分析

1.1 电磁因素引起的振动

当某个磁极出现短路之后，会导致磁动势减小，而与之相对称的磁极的磁动势却不会发生改变，由此便会出现一个与转子同向旋转的不平衡磁拉力，这样便会引起机组振动。同时，定子铁芯的组合缝若是出现松动，或是铁芯本身出现松动也会引起机组振动。此外，如果定子绕组的固定不良，当电气负荷较高时，便会引起机组振动。

1.2 机械因素引起的振动

与一般卧轴的旋转机械相比，中大型水轮发电机组均为立轴，新疆山口水电站水电站的机组为立轴滚流式。通常情况下，各部导轴承一般不承受静载荷，轴颈也无静偏心。机械因素引起的水轮机发电机组振动具体表现在以下几点：

（1）若发电机组在空载低转速运行的状态下出现明显振动，那么引起振动的原因可能包括机组紧固零部件松动、轴线曲折、中心不准、推力轴承调整不良等因素[1]。

（2）若发电机组振幅与机组转速的二次方成正比，并且水平振动较大，那么引起机组振动的原因可能为机组转动部分质量不平衡。

（3）若发电机组振动较为强烈，并伴有撞击声，那么引起振动的原因可能是机组转动部件与固定部件相碰撞。

（4）若发电机组振幅随机组负荷变化较为明确，那么引起振动的原因可能是主轴过细或轴的刚度不够。

1.3 水力因素引起的振动

1.3.1 汽蚀引起的振动

汽蚀属于水力因素的范畴，一般可分为三种类型，即间隙汽蚀、空腔汽蚀、翼形汽蚀[2]。间隙汽蚀会破坏转轮室、叶片法兰、叶片周缘以及转轮体局部等部位，如图1（a）所示；空腔汽蚀常见于水轮机座环内侧和尾水管上半段；翼形汽蚀常发生在叶片背面与轮翼靠近处，如图1（b）所示。受汽蚀影响，不仅会严重侵蚀和破坏水轮机工作表面，而且还会引起强烈的振动和噪声。尤其在机组部分负荷时，机组振动最为明显，并会发生振动噪声，其振动频率在300~500 Hz，属于高频振动。

图1水轮机叶片汽蚀

1.3.2尾水管涡带引起的振动

尾水管涡带是水轮发电机组振动中最为常见的一种振动源，其除了会引起机组振动之外，还会引起压力脉动。通常情况下，涡带摆动时，不但会导致水轮机振动，还可能造成引水系统和厂房共振，由此容易诱发电网功率摆动。

2 水轮发电机组振动的处理方案

2.1 合理运用振动测试方法

水电站内的水轮发电机组存在振动现象是不可避免的，想要了解振动是否在允许范围之内，就必须采用合理的测试方法。目前，较为常用的振动测试方法有以下几种。

（1）仪表法。这是比较简单且实用性较强的一种振动测试方法，主要的仪器有：测振仪（带笔式记录装置）、百分和千分表等等[3]。其中，测振仪能够测量出机械振动的时间历程，通过比较分析，可获得机组振动的频率、波形、周期以及相位等指标；百分和千分表可以准确测得机组振动的振幅。

（2）振动监测系统。该系统主要是由以下几个部分组成：传感器、信号变换、处理、放大和测量装置、分析仪器以及显示记录设备等等。系统框架结构如图2所示。

图2 振动监测系统框架结构示意图

该系统主要是借助专业的传感器和信号变换装置将采集到的振动量转换为电量，再利用放大器进行放大，通过示波器进行记录，最后由分析仪器对数据进行处理[4]。系统的特点是灵敏度较高、频率范围较广，可实现遥测和自动控制。需要注意的是，使用该系统对机组振动进行测量时，必须采取相应的屏蔽措施，以免外界电磁场干扰影响测量的准确性。

2.2 发电机组振动故障的处理方案

2.2.1 电磁因素引起振动的处理

（1）可按照转子磁极键的实际情况，并在反复测定转子圆度合格后，将长出的磁极键割掉，并在上部位置处加装一个挡板。同时对磁极键固定，防止其出现偏斜或是山窜等情况。当磁极修复处理完毕后，应当对转子圆度进行复测，确保检测结果与相应标准相符。

（2）可对定子铁芯进行定期检查，发现松动要及时进行处理，并加强保护监控。

2.2.2 机械因素引起振动的处理

提高精密度和同心度是减小机械因素引起振动的主要途径，其具体方法为改变轴瓦间隙、调整轴线以及平衡相对改动。本机组在运行过程中出现了较大幅度的振动，最大振动幅度值高达0.15 mm，通过对机组进行检查，排除了机组定子、转子磁极、机架紧固螺丝等因素。经过振动测试显示，在变速试验中振动变化明显，因此判断为机械因素引起的振动。通过空载试验及带负荷试验中的励磁电流恒定测试可以看出，有功负荷和励磁电流均会影响振动。在实测机组导轴承间隙的基础上，发现间隙最大值达到0.45 mm，超过出标准值0.25mm，所以对导轴承间隙进行重新调整，使其在标准值0.2 mm范围内。在此之后，启动机组，进行振动测试，振幅小于0.04 mm，消除了机械因素引起的振动问题。

2.2.3 水力因素引起振动的处理

（1）对于尾水管涡带引起的振动，可通过如下措施加以解决处理：在低负荷区内补充足够的气量，以此来降低尾水管的压力脉动振幅。同时也可以加装延伸泄水锥借此来降低涡带的压力脉动。在超负荷区域内，则可通过加装带有导流作用的减振装置或采用角向切割叶片出水边的方法，来达到降低涡带压力脉动、提高出力的目的[5]。

（2）对于汽蚀原因引起的机组振动，可以通过在尾部流通管入口处加装导流瓦和导流翼板或是对转轮叶型进行修正等方法加以解决出力。同时还应当尽可能避免机组在低压负荷区运行，这样也能有效消除汽蚀引起的机组振动。

2.3 机组振动维护要点

每月应测量一次发电机定子和励磁回路绝缘电阻，测量发电机定子回路绝缘电阻采用2500 V兆欧表，与历年测量值相比不应有显著降低，吸收比不应低于1.6，否则应查明原因并将其消除。测量发电机励磁回路绝缘电阻采用500 V～1000 V兆欧表，绝缘电阻值不应小于0.5MΩ，若低于上数值，应采取措施加以恢复。若一时不能恢复，机组是否允许运行由电厂总工程师决定；发生发电机外部短路后，应对发电机主要部件以及发电机定子端部进行外观检查；发电机的运行管理人员与发电机专责应对发电机进行定期和不定期检查和考核，保证发电机运行状况良好。

3 结束语

本文以新疆山口水电站的水轮发电机组为实例，对机组振动的主要影响因素进行了分析，随后提出了有效的解决处理方案。由于水轮发电机组的振动问题是不可避免的，所以，对于该问题的处理应当尽可能以预防为主、治理为辅，通过采取一些科学的方法和措施，最大限度地消除振动源，以此来确保机组安全、稳定、可靠运行。

[1]姚 泽，黄青松.动平衡方法处理水电机组振动故障实例[J].水电自动化与大坝监测，2012，17(12):61-63.

[2]桂中华，潘罗平，等.HM9000水电机组状态监测综合分析系统的开发与应用[J].水电自动化与大坝监测，2011，4(10):32-35.

[3]陈予恕，张大宽，等.非线性动力学理论与大型水电机组振动故障诊断综合治理技术[J].中国机械工程，2010，6(9):66-68.

[4]沈 德，苟廷青.大型水轮发电机组振动分析与处理[J].西北水电，2012，3(4):69-71.

[5]贾 嵘，白亮，罗兴绮.基于神经网络的水轮发电机组振动故障诊断专家系统[J].水力发电学报，2014，8(6):120-122.