大中型水轮发电机组振动原因分析及判断

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

水轮发电机组的振动是一种非常有害的现象，影响机组的使用寿命。过分的振动会使焊缝开裂，零部件疲劳断裂飞出，严重威胁着机组的运行安全。但这种振动又是不可避免的，故我们只能在一定的技术能力下将振动尽量地减小，使振动值限制在允许的范围内。

1 机组振动的分类

1.1 水力因素的振动

水力方面振动主要有卡门涡列、涡带振动、水力不平衡、狭缝射流、非最优协联关系、水轮机非设计工况下运行时的水力不稳定等，在这里主要介绍卡门涡振动、涡带振动及水力不平衡引起的振动。

(1)由卡门涡引起的振动

卡门涡频率的振动频率跟水轮机工况和叶片出水边厚度有关。机组在一定的水头和导叶开度下运行时，其涡振频率有可能与叶片自振频率相同，此时叶片就会剧烈振动起来而使叶片产生疲劳裂纹。例如:三峡右岸26#机在300～500MW负荷区间机组存在啸叫声，测量转轮卡门涡频率与其自振频率发生共振，后对转轮叶片及固定导叶出水边进行了修型，啸叫声消失。

表1 涡带与卡门涡列的区别

(2)水力不平衡

如果在转轮范围内，水流失去轴对称，就会产生一个不平衡的横向力作用在转轮上。经常遇到的就是过流轮廓不对称，它会引起水流失去轴对称。

1.2 机械因素的振动

机械方面主要有转子质量不平衡、机组轴线不正、轴系曲折、推力头调整不良和导轴承缺陷等。

(1)转子质量不平衡

由于转子质量不平衡,转子重心S对轴心O1产生一个偏心距e，如图1(a)所示。当轴以角速度旋转时,由于不平衡质量离心力的作用,轴将产生弓状回旋,其中心O1获得挠度y,如图1(b)所示。O1绕O作圆周运动,回转半径y就是振幅,这种振动也叫振摆。其特征是:振幅是随转速变化而变化的。用公式表示为y=f(ω),ω升高,y增大;反之ω下降,y减小，并且振幅一般与转速的二次方成正比，且水平振动较大。

(a)产生偏心距 (b)获得挠度y

(2)机组轴线不正

在旋转机械中最理想的是机组中心、旋转中心及轴线三者重合，最不理想的是机组中心、旋转中心与轴线不重合的状态。介于二者之间的是旋转中心与机组中心重合，机组轴线不正的主要表现形式是轴线与推力轴承镜板面不垂直。由于机组转子的总轴向力不通过推力轴承中心，就产生一个偏心力矩。随着转子的旋转，偏心力矩也同时旋转，使各支柱螺栓受脉动力，其脉动频率与转速频率相同，从而产生推力轴承各支柱螺栓的轴向振动，转子也就随之产生振摆。轴线不正，也是引起径向振动的主要原因。其特征为机组在空载低转速运行时，机组即有明显振动。

(3)轴承缺陷

在运行中当导轴承松动、刚性不足、导轴承间隙过大，运行不稳而润滑又不良时，就会发生干摩擦，引起反向弓状回旋，即横向振动力，其方向和轴的旋转方向相反，频率相同。导轴承间隙过小，会把转轴的振动传给支座和基础，导轴承间隙过大，转轴振动大。机组转动部件与固定部件相碰(或摩擦)所引起的机组振动，其特征为振动较强烈，并常常伴有撞击声；轴承间隙过大、主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动，其特征为机组振幅随机组负荷变化较明显。

(4)镜板不平

镜板不平主要是由于加工和安装上的缺陷所造成的，其特征为摆度波形上有明显的2倍频。

(5)推力头松动

推力头松动指推力头内孔和轴颈间存在间隙。当推力头松动时，机组振动、摆度的特点为：机组运行时的动态轴线姿态会发生突然变化，机组的振动、摆度忽大忽小，呈不稳定状态。

1.3 电磁因素的振动

(1)不平衡磁拉力

发电机转动部分因受不平衡力(这些不平衡力主要来自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、转子不均匀气隙所引起的作用力，转子线圈短路时引起的力和发电机在不对称工况下运行时产生的力)的作用下产生的机组振动，其振动特征为振动随励磁电流增大而增大，且上机架处振动较为明显。

(2)定子铁心组合缝松动或定子铁心松动

因定子铁心松动所引起的机组振动，当机组带上一定负荷后，其振幅随负荷增长而增大。因定子铁心组合缝松动所引起的机组振动，加载某一负荷后，振幅又逐渐随铁心温度增长而减小，振动频率都为电流频率的两倍。

(3)定子绕组固定不良

定子绕组固定不良，在较高电气负荷和电磁负荷作用下使绕组及机组产生振动。其振动特点为振动随负荷运行工况变化而变化，上机架处振动亦较为明显。

由于每极下的槽数不同，将产生由定子绕组电流引起的一系列分数次谐波磁动势，这些磁动势和旋转着的转子有着不同的相对速度，各种不同的振动模式和频率成为发电机电磁振动的激振力。它引起的振动频率为100Hz，振幅随负载电流的增大而增大。

(4)负序电流引起的反转磁势

当定子三相负载不对称时，绕组会产生负序电流，即相序相反的磁场，它与主磁场叠加产生一个空间次数P=0的磁场，引起定子铁心作驻波式的振动。

2 机组稳定性试验和振动测试关系

对水轮发电机组进行一系列稳定性试验，判别引起机组振动的主要因素。

2.1 机组起动试验

在机组发出起动命令时就以较慢速度开启录波仪器，待机组转动后，随着机组转速变化，按需要完整记录机组起动过程的振动信号和其他状态参数。

2.2 变速试验

分别在各种转速下测量机组典型部位，如上导、上机架、主轴联接法兰、水导轴承等的振幅或频率。其中，振幅与转速的关系为

A=f×n2

式中，A—双振幅，mm；f—振动频率，Hz；n—转速，r/min。

2.3 空载有励磁试验

机组在额定转速下，加载励磁，改变励磁电流，观察各典型部位随励磁电流的变化而发生振动的情况。其中振幅与励磁电流的关系为

A=f×i

式中，A—双振幅，mm；f—振动频率，Hz；i—电流，A。

若振幅随励磁电流增大而增大，则不平衡磁拉力是引起机组振动的主要原因。需检查发电机定、转子空气隙是否均匀，磁极线圈有无发生匝间短路、磁极背部与磁轭间是否出现气隙等。

3 振动原因分析

3.1 以振动频率分析振动原因

在机组典型部位带有录波存储功能的测振仪，将记录的振动记号，作时域、频域变换，进行频谱分析，以此来判断振动原因。

(1)若振动频率与机组转动频率一致，则机组转动部分质量不平衡、轴线曲折、导轴承间隙不适、主轴法兰密封有偏磨是引起机组振动的主要原因。

(2)若振动频率为发电机电流频率(我国电流频率为50Hz)的二倍，则可能是定子铁心与铁心组合缝松动、发电机负荷电流所引起的机组振动。

(3)若振动频率为转速频率乘以发电机磁极对数，则多半是由于发电机气隙不均匀所引起的机组振动。

(4)若振动频率分别为转速频率乘以活动导叶数或转速频率乘以转轮叶片数，则振动分别是因导叶开口不均匀或转轮开口不均匀所致。

3.2 由振动部位判别振动原因

根据长期运行所积累的经验，由机组振动发生的不同部位，也可大致判别振动原因。

(1)若在水导轴承处的振动比其他部位较为明显时，则可能是蜗壳、导叶中的水力不平衡(该水力不平衡主要来自蜗壳、导叶中的不均匀流场和导叶开口不均匀、转轮线型、间隙、开口不均匀)所引起的机械振动。

(2)若上机架处振动较为明显时，则振动原因多半来自于转子机械与电磁不平衡、机组推力轴承(仅对悬式机组)、上导轴承缺陷(间隙摆度调整不适合)、故障或机组轴线有曲折、机组中心发生变化或发电机零部件有缺陷或故障。

(3)若因转轮叶片出水边线型差异、叶片尾部形成卡门涡列、尾水管中产生偏心涡带等引起的机组振动，则在压力钢管、尾水管顶板均可测得明显振动，蜗壳中会出现较大水压波动。

4 结语

本文对水轮发电机组振动的几种类型和原因进行了分析，并根据振动部位对振动原因进行了判别，希望对大中型水轮发电机组振动原因及分析提供一定的借鉴作用，同时对解决大中型水轮发电机组振动问题提供一定的参考作用。

[1] 董毓新.水轮发电机组振动.大连： 大连理工大学出版社，1982.1.

[2] 马震岳，董毓新.水电站机组及厂房振动的研究与治理.北京：中国水利水电出版社,2004.10.