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水轮发电机组振动危害性分析及预防德吉拉宗

发表时间：2020/6/30 来源：《电力设备》2020年第5期作者：德吉拉宗

[导读] 摘要：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。

        （国网直孔发电公司西藏拉萨 850000)
        摘要：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。
        关键词：水轮发电机组；振动危害性；预防
        1水轮发电机组振动带来的危害
        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，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，这些危害主要包括：（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。（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。
        2水轮发电机组振动原因
        2.1水力振动故障
        水电机组振动依靠水能激发和维持。在水流经过水轮机过流部件时，由于流场的速度分布变得不均匀而产生压力脉动，以及水流流过绕流体后，脱流的旋涡会引起压力脉动，从而导致机组振动。由于实际中水流和过流部件及绕流体之间的相互作用是一个相当复杂的过程，下面以混流式水轮机为主，分析常见的水力振动故障。（1）尾水管涡带引起的振动。当水轮机转轮出水口水流具有一定的圆周分速度时，会产生尾水管低频涡带。在导叶开度为40%-70%（或最佳工况流量的30%-80%）时，尾水管中会发生低频涡带现象。（2）卡门涡列诱发的振动。在水轮机的叶片和导叶尾部经常会产生卡门涡列，当其频率与叶片或导叶的固有频率相等时，会发生剧烈的共振。（3）水力不平衡引起的振动。由于过流部件外形不对称会使水流处于非轴对称状态，从而产生作用在转轮上的不平衡横向作用力而引起振动。导叶形状上的不对称或安装不良会造成水流不均匀，导致导叶出水边处边界层脱流，从而引发水流扰动。
        2.2机械振动故障
        设备在运行过程中，各种环境条件都在变化，河水泥沙木块等大量不确定因素都会因为气蚀、磨损等一系列原因导致转轮叶片局部材料受损脱落。这样原本的动平衡就逐渐偏差变大。还有一种情况就是机组的轴线与推力轴承的镜面板的法相方向存在夹角，这样链接法兰就会受到一个弯矩。当轴承与固定的止漏环不是均匀受力的情况下我们的机组径向振动就会发生。所以按照过程中会去调整推力轴承的位置这个时候轴承的弹性油箱的受力就会出现不均匀。推力轴承的法相发生变化那么推力板也会发生变化。机组在轮动过程中就会直接出现轴线偏差变大情况发生。这时我们的转子就会和固定部件发生碰撞这些碰撞主要发生在转子与止漏环上。这样我们的机架在振动过程中又会出现紧固部件的松动。
        2.3电磁振动故障
        当水电机组存在某些电磁方面的缺陷时，在机组运行中会产生不平衡的磁拉力，从而导致电磁振动故障。（1）转频振动。发电机组转子外圈和定子内腔之间的空隙叫做气隙，气隙是磁场的通路，能够导致磁路和磁阻的变化。当发电机转子或定子存在结构上的缺陷（如定转子不圆、定转子不同心等）时，会导致静态气隙不均匀；当水电机组运行时，若发电机转子磁极发生松动、损坏等故障，会造成动态气隙不均匀。发电机气隙不均匀都会导致机组转频振动（2）极频振动。

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当发电机定子采用分数绕组时，除了主波和高次谐波磁势外，还会产生一系列分数次谐波，这些次谐波与主极磁场相互作用，产生波数小于主极数的行波，从而引起发电机发生极频振动。机组运行时，发电机负荷不可控，可能会发生三相负荷不对称现象，此时在三相绕组中会产生负序电流，造成发电机定子作驻波式振动，负序电流引发的极频振动振幅大小与负荷成正比，振动主频为二倍极频。引发机组极频振动的原因还有：定子制造、安装过程存在缺陷，定子铁芯故障，发电机出口短路等。当故障原因为定子铁芯松动时，振动频率为机端电压频率或为其二倍频，振幅大小随励磁电流、机组转速的变化而变化；当故障原因为定子绕组固定不良时，振动幅值随负荷及运行工况的改变而变化，且在上机架处有明显振动；当故障原因为转子线圈短路时，振动频率为机端电压频率，振幅随着励磁电流增大而增大，并在某一值处趋于稳定，在去掉励磁后，振动消失。
        3水轮发电机组振动的处理方案
        3.1合理运用振动诊断方法
        （1）利用振动部位诊断故障。利用振动部位诊断故障需要做到以下几点，第一，如果存在水导轴承处振动明显大于其他部位的情况时，则可能存在蜗壳，转轮及导叶水力不平衡的情况，引起机组的振动。第二，如果上机架处振动较为明显，则多半是机组推力轴承存在缺陷，记住轴线曲折，中心存在缺陷与故障等。第三，如果转轮叶存在线型差异，尾水管产生偏心蜗带等，同样会引起机组振动，在尾水管顶部，压力钢管等部位均可测到明显振动，从而有效通过振动部位进行故障的诊断。（2）利用振动频率诊断故障。利用振动频率诊断故障主要体现在以下几个方面。第一，在振动频率与机组频率一致时，则证明是机组转动部分质量不平衡，导轴不合适等原因导致的振动。第二，在振动频率与发电机频率为倍数关系，即为二倍时，则可能是发电机负荷电流，定子铁芯松动引起的振动。第三，如果振动频率为转速频率的对数，很有可能是发电机空气隙不均引起的机组振动。第四，如果振动频率分别为转动频率乘以转轮叶片数或者转速频率乘以活动导叶数时，可以证明是由于导叶开口不均匀，转轮开口不均匀导致的。
        3.2发电机组振动故障的处理方法
        第一，水力因素引起的振动故障处理水力因素引起的机组故障主要分为尾水管涡带引起的振动和汽蚀因素引起的振动。对于第一种情况，可以通过在低负荷区域增加气体量使尾水管的压力脉动振幅得到降低。在超负荷区域则主要可通过加装减振装置等措施降低涡带压力脉动，达到控制机组振动的目的。对于第二种原因，首先需要技术人员定期对机组进行检查，尽量保证机组不在低负荷状态进行工作，这样可以最大程度降低汽蚀的影响。其次，可以通过在尾流管加装尾翼或者导流装置来提高出力，降低汽蚀出现的概率和降低其不良影响。第二，机械因素引起的振动故障处理。相较于电磁和水力方面的影响，由于机组本身机械构造方面的缺陷造成的影响更容易解决，解决这类故障的核心就是加强整个设备精密度和同心度的提高以及后期的校正维护，例如：安装设备前进行严格仔细的检查以及轴线的标准化的校正，后期的定期维护校正等，这些都是可以显著降低机组机械振动的有效措施。第三，电磁因素引起的振动处理。可按照转子磁极键的实际情况，并在反复测转子圆度，当机组由于电磁因素出现故障时，首先需要检查转子磁极键是否出现问题，要多次测量转子圆度，通过检查确定转子圆度合格后，需要将多出部分的磁极键切掉，在转子上方添加一块挡板，并对剩余磁极键进行加固，这样就完成了对磁极部分的修复，最后再次进行转子圆度的测试，如果再次符合标准，那么机组就可以再次正常工作了。
        4结束语
        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。
        参考文献
        [1]王玲花,王坤,许永强.基于改进欧氏距离的水轮发电机组振动故障诊断方法研究[J].吉林水利,2018.
        [2]冉恒.水轮发电机组振动故障诊断关键技术研究与应用[D].重庆：重庆大学,2017.