探讨水轮机发电机组振动中的问题与对策

探讨水轮机发电机组振动中的问题与对策

金鑫

甘肃盐锅峡发电有限公司   甘肃省临夏回族自治州 731600

摘要：振动情况是评估水轮机设备安全稳定运行能力的关键技术指标。水轮机发电机组在日常运行环节中，除了匀速转动以外的全部周期性运动均属于附加振动。一旦附加振动幅度超出规定标准，可能会导致设备在交变应力的持续影响下，出现焊缝开裂或者螺栓松动等情况。本文首先分析了水轮机发电机组运行中出现的水力、机械、电磁振动问题以及形成原因，而后从故障诊断与处理两个角度提出了应对振动故障的有效对策，以此为水电站安全使用水轮机提供理论性参考依据。

关键词：水轮机；发电机组；振动；问题；对策

现代水电站所用的水轮发电机组已经显现出大型化发展趋势。水轮机在设计因素、加工制造因素、现场安装因素与运行使用因素的共同作用下，再加上设备所用部件随着使用时间增加，其相对刚度不断减弱，机组设备固有频率有所降低。机组在外力作用的持续冲击下，可能会发生整体或者局部共振问题。现针对水轮发电机组振动相关内容展开探讨。

1水轮发电机组振动中的问题

1.1水力因素诱发的振动问题

翼型汽蚀、间隙汽蚀与空腔汽蚀可能会使发电机组出现异常振动的情况。其中，翼型汽蚀主要出现在水轮机轮翼邻近叶片的位置上；间隙汽蚀会给叶片周边以及叶片法兰带去破坏，并影响转轮体设备与转轮室；水管上半部位以及座环内侧容易出现空腔汽蚀[1]。汽蚀不仅会导致水轮机组的振动与噪声强度增加，还会侵蚀设备工作表面。

尾水管涡带也是诱发发电机组异常振动的水力因素。若机组进入非设计工况，因转轮出口部位存在水力不利影响因素，水管内部将产生水压力脉动。尤其是在尾水管中形成了过大的涡带时，涡带将会按照固定频率在尾水管之中持续旋转，导致低频水压脉动产生，进而使水轮机多处部位发生振动的情况。若发电机组振动过于强烈，输出负荷将随之发生改变，降低电网运行的稳定性与安全性。共振可能会引发解列的严重后果。

1.2电磁因素诱发的振动问题

当发电机组受到电磁因素的干扰后，可能会产生电磁振动现象。电磁不平衡是电磁振动故障的主要诱发因素。若作用于机组转子周边的磁拉力出现不对称的情况，电磁力可能会随之进入不平衡状态。电磁振动给发电机组造成的影响不容忽视，加重轴承磨损程度的同时，将会使系统振动与噪音问题严重化，增加机组维护次数。如果定子与转子相互接触，则有一定概率造成停机等重大事故。水电机组转子轴系简化模型见图1。

图1 水电机组转子轴系简化模型

1.3机械因素诱发的振动问题

机组设备机械因素带来的机械振动是水轮机组出现的较多的振动问题。当其支承部件、固定部件、转动部件出现机械缺陷后，设备就有可能发生机械振动。具体原因包括以下几方面：

设备所用转动部件存在质量不平衡问题时，容易引发弓转回旋现象，具体涉及动态与静态不平衡两种情况。静态不平衡的诱发原因集中在制造与安装环节，如材质不均匀、毛坯存在缺陷，加工质量过低，安装操作出现偏差[2]。动态不平衡问题多发生在设备运行期间，产生原因包括质量偏心或者设备运行一定时间后，零件出现脱落、移位、松动等情况。此类机械故障若未得到及时处理，可能会导致水轮机出现破坏性事故。

设备轴线出现对中不良或者不正问题。具体表现形式为推力轴承底面与轴线未相互垂直，可能会引发径向振动的情况。大轴法兰部位出现拐点，未实现有效对接，若导轴承阻碍了大轴进行的自由旋转运动，大轴将随之弯曲，并向支撑结构与导轴承传递弹性力，致使设备进入异常转动状态。

导轴承出现间隙不当等缺陷时，水轮机轴的实际摆度值将受到影响。导致此类机械振动问题的因素包括径向力不平衡情况较为严重，导轴承承受过大荷载；导轴承所用的支承结构存在设计缺陷，运行机组后，其在不平衡力的持续作用下发生幅度较大的形变。

2水轮发电机组振动问题解决对策

2.1正确识别故障原因

针对水轮发电机组设备出现的异常振动情况，可通过故障诊断技术来确定故障类型与原因。借助机组状态实时监测系统提供的水轮机运行状态数据可对其展开科学诊断与综合评价，准确判断已经出现的故障情况，同时对日后可能会发生的故障问题展开预估。诊断与分析水轮机组设备振动故障时，首先需要对故障的具体表现形式进行提取，而后推理并识别诱发因素。预测故障趋势以及确定分析结果。在故障原因分析中，可选用混合智能诊断技术、专家系统分析技术、人工神经网络技术、小波分析技术、故障树分析、模糊理论分析与因果分析法等。以因果分析法为例，工作人员可针对出现异常振动情况的设备展开定量观测与定性评价，将实际现象与具有一定可能性的诱发因素相互关联，从而确定振源位置与故障部位。比如若机组出现轴线对中不良的情况，可能有以下典型表现：机组出力与振幅之间无显著关联，进入空载工况后也可进行振动，转轴呈现出较为显著的径向振动现象。额定转速处于60%至100%的范围时，振幅未出现明显变化，且有较大的幅值[3]。结合故障表现可确定故障范围与具体类型。

2.2有效处理振动故障

针对水力因素造成的振动故障，可扩大低负荷区的气体注入量，借此来降低压力脉动振幅。针对设备所在的超负荷区，则可增设减振装置，使涡带压力脉动数值有效降低，进而实现控制设备振动情况的目标。工作人员应当定期为水轮机开展检查工作，确认机组是否处于低负荷运行状态，从而减轻汽蚀问题给机组稳定运行带去的不利影响。还可将导流装置或者尾翼安装到尾流管处，扩大出力，以此实现对汽蚀情况的有效预防。

针对电磁因素带来的振动故障，可调整设备气隙长度，使其保持良好的均匀性，也可对定子铁心圆环原本的频率进行调节，以此来加大励磁电流频率与其固有频率之间的差异。加大对短路问题的防控力度。对铁芯进行压紧操作，避免其出现松动的情况。

针对机械因素诱发的振动问题，需要结合故障发生部位与原因进行处理，若振动是因转动部件存在的质量不平衡而导致的，应当借助配重方法来进行解决。若振动问题源自不合理的轴承间隙，则可对飞轮侧径向轴承各处间隙进行有针对性地调整。对于出现发卡晃动情况的推力瓦，可对其边缘处进行打磨。另外，考虑到部分机械振动问题是因设计与安装因素造成的，因此，应规范安装操作，同时对设备构造等设计问题进行反馈，以此实现对设计成果的有效优化。在日常维护环节中，应重点关注水轮机设备的机械部位，及时确认紧固件、减振器、密封件、轴承的使用情况。

3结论

机械因素、电磁因素与水力因素是导致水轮机发电机组出现非正常振动情况的常见原因。振动问题加大了水力发电设备安全风险，提高了安全生产事故发生率。水电站应高度重视水轮机运行中产生的振动问题，及时对异常振动状况展开识别、诊断与分析，再围绕故障点实施有效的处理措施，减轻振动现象给水轮机运行带来的不利影响。

参考文献

[1]曲力涛,周叶.水轮发电机组典型转子动力学问题研究[J].大电机技术,2020(04):24-28.

[2]蒙祖义.水轮机“振动异常增大”原因及处理方法研究[J].中国设备工程,2019(23):54-55.

[3]马正军.强化水电站水轮发电机组运行与维护必要性的措施[J].中国设备工程,2021(04):14-15.