水轮机振动原因分析与处理

水轮机振动原因分析与处理

代闯平

中国葛洲坝集团机电建设有限公司，四川成都  610000

摘要：振动是水轮发电机组运行中较为普遍的一种现象，其数值大小是评价机组能否安全稳定运行的重要指标。水轮机发电机结构复杂，各结构部件出现故障，均会引起机组振动问题。因此，研究水轮机振动原因分析与处理具有重要意义。下面就对此展开探讨。

关键词：水轮机；振动原因；处理；

1水轮机的工作原理

实际上，水轮机是依靠水的流动过程提供机械动力的一种装置，水流动的速度越快，发电工作的效率就越高，能带来较高的经济效益。在水轮机中，水流通过蜗壳的导流作用径向流入导水机构，将液体动能转化为静压能，再通过叶片将静压能转换为转子的动能。转轮通过主轴与发电机转子联轴，带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈，利用电磁感应原理在发电机线圈中产生高压电，再经过变压器升压通过输电线路将电力输出到电网中，水流最后轴向流出转轮。在这过程中循环水的冗余水能转化为机械能，代替了原电机驱动风机散热，改变了传统能量传动方式，最大限度减小了电能消耗，达到了节能降耗的目的。水轮机能量转换示意图见图1。

水轮机需要在规定的水压和流量下运行，若水流量过大或回水压力过大，会造成水轮机超负荷运行，使水轮机转速高于额定转速，降低水轮机使用寿命，甚至会致使水轮机出现机械故障。水轮机必须在进水主管控制阀前和出水口之间设有一条旁路，旁路上配有调节阀门，通过调节旁通管阀门和进水主管阀门，使一部分水流不经过水轮机而直接流入布水器入口，来控制水轮机转速，保证水轮机在额定工况下运转。

图1 水轮机能量转换示意图

2水轮机的基本结构

机械通风冷却塔广泛地应用于国民经济的许多部门，它是利用水和空气的接触，通过蒸发和传导散热来降低热量的一种设备。长期以来，冷却塔冷却时所用的风机主要由电动机带动，电动机一年所耗电能是十分可贵的，而进入冷却塔冷却的循环水，均具有一定的富裕水头，这部分压力都白白浪费掉了。水动风机冷却塔是一种新型的高效节能冷却塔，其核心技术是以冷却塔专用水轮机取代电机作为冷却风机动力源，使风机驱动方式由电力驱动改为水力驱动。利用循环冷却水的富余能量来驱动水轮机带动风机旋转，达到了风机的设计转速和风量，省去了风机原配用的电动机和附属设施，起到了节电、节能、减排的作用，可以给使用水轮机的用户带来显著的综合经济效益。低比转速型混流式水轮机由蜗壳、导水叶片、主轴密封、转轮、上盖、主轴、底环、外座环、尾水管、管路系统及仪表部件等零部件组成。进水方式为水平周向，出水方式为垂直向下或从底部侧面流出。周向均匀进水保证了运转的平稳性，向下带扩散的出水方式有效提高了水能的利用效率。

3项目概况

某引水式电站，总装机容量130MW（2×65MW），发电机系立轴悬式结构，上导轴承和推力轴承装于同一油槽内；上机架为承重机架，由中心体和8条支腿组成，承担机组轴向负荷，包括转动部分重量及水推力；下机架为非负荷机架，由4条支腿与基础相连；机组额定转速600r/min，额定水头417.4m。2019年12月电站2号机组进行首次A级检修，修后对机组进行稳定性试验，试验数据均符合规范要求；2022年4月以来，机组带负荷运行时，出现下机架水平、垂直方向振动超标现象。

4水轮机振动处理方式

4.1 调整方式

1）下机架水平高程调节螺栓（M42×80），使水平高程调节螺栓头部与下机架基础结合面保持不受力状态。2）拧紧下机架与下机架基础的M30×100螺栓，拧紧角度均达15°（M30×100螺栓伸长量0.15mm）。3）拧紧下机架基础的径向调整螺栓（M42×260），使下机架支腿与径向调整螺栓间隙符合图纸要求，即保证径向受力一致。4）检查并确保下机架与斜键联结接合面压紧贴实，用0.02mm塞尺检查，不能通过，符合规范要求。同时，检查斜键与下机架基础之间的焊缝不开裂。结构如图2所示：

图2  处理后的结构

4.2 振动处理方法

对机架连接螺栓紧固调整后，下机架的受力通过斜键传递到下机架基础上，X、Y方向平振值的差值得以消除，说明下机架结构刚度得以改善。在变转速情况下，不同转速下振动不是转轮叶片数（15+15长短X型叶片）的倍数关系，进一步排除水力不平衡影响，情况分析如下：1）造成下机架在机组A级检修较长周期后出现振动渐进增大，主要原因是下机架高程及水平调整螺栓长时间运行后受力，是由于调整螺栓为粗牙螺纹自锁性差引起的。通过检查推论，机组A修时调整好下机架后没有将调整螺栓完全退出，调整螺栓与基础板处于接触状态；而机组在运行中的振动是始终存在的，水平及垂直振动引起调整螺栓与基础板间的不同程度摩擦，由于螺栓自重及自锁性差造成螺栓的微量转动，日积月累后螺栓转动一定角度，调整螺栓顶起下机架使之与基础板上斜键间存在间隙，这从结构上降低了机架的刚度和扰度；这也就是机组A级检修后一段时间在规范范围内能正常运行，到一定时间出现下机架振动大的重要原因。2）由下导摆度数据得知，测量值均未超过规定的下导瓦双边间隙值（400μm）的70%即280μm，摆度数据变化规律一样，下机架平振摆度可以推断出下导轴颈与导轴承间隙未发生变化，从而下导瓦抗重螺栓不存在松动现象。3）对比下机架振动幅值数据，经过对下机架发现的问题处理后，下机架水平和垂直振动幅值有所减小，基本上恢复A级检修后试验数据。

5结束语

综上所述，水轮机振动是普遍存在的，而对某电站2号机组A级检修后较短周期下机架振动大的主要原因为：下机架支腿水平高程调节螺栓（螺栓头部与机架结合面）部分保持受力状态，从而导致斜键与下机架结合面有间隙，下机架的受力通过水平高程调节螺栓传递到下机架基础上，导致下机架综合结构刚度下降。经检修处理后，大大降低了下机架振动幅值，提高了机组健康水平。本次对机架振动大的处理，主要对水轮发电机组检修提供宝贵的经验；机组安装检修规范未对机架调整螺栓修后状态提出具体要求，我们在以后的检修中下机架调整完毕后应及时拆除水平及高程螺栓，这一点对伞式机组更加重要（伞式机组下机架为承重机架），对水轮发电机的安装检修有重要指导意义。

参考文献：

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