摘要：水轮发电机组由于设计、制造及安装过程中的缺陷以及运行状态不佳、检修不当都将会导致机组振动加剧，严重威胁机组的安全运行，缩短机组的使用寿命，甚至威胁到厂房的的安全。贯流式水轮发电机组转动惯量不大，运行稳定性相对较差，振动问题显得更为明显，本文就贯流式机组振动的原因进行分析并总结一些处理措施。
关键词：贯流式机组；振动；振动消除
我国水电工程快速发展为我国能源结构调整奠定了良好的基础，同时也对我国水电企业设备维护与运行工作提出了更高的要求。如何快速的判断振动并进行相应的措施是有效保障机组运行安全的关键。贯流式水轮发电机组具有适应水投递、过流量大、效率高、机组安装需要开挖量小等优点，被越来越多地引用到低水头的水利资源开发中来。对贯流式机组异常振动原因的分析就尤为必要。
一、振动的危害
机组异常振动或振动过大时，严重危机机组的安全运行，会对机组有以下几方面的危害：
（1）引起机组零部件金属和焊接中疲劳破坏区的形成和扩大，缩短了机组的使用寿命
（2）使机组各部位紧密连接部位松动，不仅会导致紧固件本身的断裂，而且会加剧被其连接部分的振动
（3）机组高转速转动部分的相互磨损，使轴承烧毁
（4）振动剧烈时会导致调速器系统油管路接头部分松动脱落，使机组无法正常运行。
（5）共振的发生，当尾水管低频压力脉冲的频率与机组自身的振动频率接近时就会发生共振现象，轻则使尾水管壁产生裂缝，重则引起机组的大幅度振动，造成机组在电力系统的瓦解，危害整个水电站及周围建筑物。
由此可见，水轮发电机组的振动危害将直接带来经济上的损失，进而产生一系列的影响。所以，认识分析这些问题的危害并加以解决是水电站一个非常重要的课题。
二、振动原因
水电站中引起水轮发电机组振动的原因可分为以下三种：电磁振动、机械振动和水力振动。
1、电磁振动
（1）由于周期性不平衡磁控力分量，定、转子不均匀空气引起的作用力或者转子线圈短路引起的力的作用下所产生的振动，特点是振动与励磁电流成正比。
（2）由发电机定子绕组形成的磁场所引起的磁拉力作用下引起的振动，振动与定子电流成正比。
（3）由于定子铁芯松动引起的振动，此振动收到机组转速影响较大，当机组具有一定的负荷后，又受到时间影响，振动频率为电流频率的两倍。
2、机械振动
（1）机组轴线曲折、紧固零件松动等引起的振动，机组在空载低转速运行时振动明显。
（2）机组转动时部件间的碰撞引起的振动，振动较为强烈，且伴有强烈的撞击声。
3、水力振动
（1）水力不平衡
水力不平衡是形成水力振动的主要原因之一，由于水轮机转轮偏心、桨叶开度不均匀，导叶开度不一致，型线变坏等，都会导致水流流入转轮时轴向存在不对称现象而引发了径向力，使水力不平衡。
此外，灯泡贯流式水轮发电机组卧式布置，导致转轮上、下叶片之间必然形成了一定的静水压差，物理学研究表明，该压差与转轮直径之间有着必然的关联，压差随着直径的变大而变大，对进入转轮水流的水力乎衡也构成直接的影响，从而导致转轮及大轴的摆动。
（2）祸带振动：
由物理学的速度三角形可知，在工况最优的状态下，由转轮硫出的水流大致沿着轴向，实际上，很多时候机组并在最优设计工况下运行。实践经验表明，当机组负荷比最优工况大时，水流就具有与转轮旋转方向相反的旋转分量；反之，当机组负荷比最优工况小时，就具有与旋转方向同向的旋转分量。这样，在尾水管中心附近就产生具有某个边界层的旋转涡带。涡带中心心压力较低，在尾水位低时，其中心部分压力更低，形成汽蚀，这就是通常所说的“空腔汽蚀”。
实践中发现，在出现空腔汽蚀时由于水流的带动，尾水管进口处产生的涡流被进一步延伸拉长，形成螺旋状的真空带，一边自转一边向四周摆动，使尾水管中产生压力脉动，导致管壁发生汽蚀及异响。压力脉动的频率和幅值是随机组工况的变化而变化的，假若与过水系统水压脉动频率共振时，就造成水轮机整个过流系统的强烈水压脉动，即尾水管、管型座和电站水建建筑物等的振动，其危害是相当大的。
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（3）狭缝射流
灯泡贯流式水轮机在工作中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着一定的压力差，在桨叶外缘和转轮室间的狭窄缝隙会形成了一股射流，其速度很高而压力非常低。在转轮旋转过程中，转轮室壁的某一部分在叶片达到的瞬间处于低压，而在轮叶离去后又处于高压，如此循坏，形成了对转轮室壁的周期性压力脉动，导致疲劳破坏。
（4）卡门涡列
当水流流经非流线型障碍物时，在其后面尾流中分裂出一系列变态旋涡，及所谓卡门涡列。这种涡列交替地作顺时针或反时针方向旋转。在其不断形成与消失过程中。会在垂直于主流方向引起交变的振动力。当卡门涡列的频率与叶片固有频率接近时，叶片动应力急剧增大，有时发出响声，甚至使叶片根部振裂。卡门涡列一般发生在50%额定出力以上的某种工况。
（5）协联关系不正确
灯饱贯流式水轮发电机组一般采用水轮机的导叶和桨叶同时参与调解的双重调节方式，这样可以保证机组始终运行在高效率区内，使机组能在更宽水头范围内高效率运行。根据运行经验，当贯流式水轮机组导叶、桨叶协联关系不正确时，一方面机组出力受限；另一方面，转轮叶片不在具有无撞击进口，水流对叶片产生冲击，在转轮转动过程中，由于桨叶冲角不断变化，作用在叶片上的力及产生在叶片扭矩也相应变化。这就使机组产生了经相的振动。
除上述原因外，当水轮机汽蚀严重时，也会产生机械振动和噪音，特别是在低水头或低负荷时，转轮叶片冲角变化较大，使叶片产生强烈的脱流旋涡。一方而恶化汽蚀现象，另一方面引起转动部分和尾水管的振动，这种振动频率没有一定规律，披称为有汽蚀引起的振动。另外，在停机或甩负荷导叶快速关闭时的反水锤，也会引起机组振动。
三、机组振动消除的几点建议：
1、调整安装工艺、增加各个部件之间的连接强度。在建设及检修安装期间对水轮发电机组的各安装部件进行全面把控，对连接的螺栓等进行强
度校验，对连接的螺丝进行焊接固定，避免运行中松动脱落。
2、改善设计方案，对一些不合理的地方进行改进，改善水流进入条件。如采用改变卡门涡列频率或叶片固有频率的办法，可以减轻卡门涡列振动。如将叶片出水边削薄或改型，有可能使正背面结构的交流旋涡抵消或削弱；同时提高了卡门涡列的振动频率，使其远离叶片自振频率，避免共振，但是叶片削薄改型部分不宜太长，否则会影响翼型的特种，降低效率；尾端圆角应满足强度要求，不应太小。也可以在叶片之间加焊支持钢管，也可以改变叶片的自振频率，避免疲劳裂纹。
3、检修时，应特别注意检查机组容易受到水力振动损容的部位。按规程规范的要求进行着色探伤或超声波探伤等检测，避免机组在运行过程出现事故。
4、在运行过程中要注意运行工况，进行合理调整。
（1）贯流式机组尽量避免做动态控制
根据灯泡贯流式水轮发电机组运行的实际经验，机组在睁态工况运行时，即水力流态正常且机组负荷稳定时，机组性能好，效率高，机组在动态土况运行时，即水力流态不稳定或机组作动态负荷调节时，机组稳定性相对较差，水力振动明显。随着机组设备在实践中出现的诸多问题。因此，灯泡贯流式水轮发电机组不适宜做持续的负荷调节，运行时应尽最避免机组较长时间参与系统的动态控制或频繁调节负荷。
（2）贯流式机组应在协联工况下运行，并尽量避开运行振动区
由于水力振动及机组本身固有的振动不可避免的存在，在确保机组在协联工况运行的同时，还应尽量躲避机组运行振动区。有条件的水力发电企业还可以通过安装机组振动在线监测系统帮助收集机组运行的振动情况参数，以便进行分析，运行人员应根据机组运行的特点尽量避免机组在振动区运行，确保机组安全稳定，提高机组效率及寿命。
结束语
水轮发电机组的振动影响发电机组使用寿命、设备安全和电能质量的重要因素，同时水轮发电机组振动往往是电磁、机械、水力等因素共同体引起的，甚至各因素之间互相影响，增加问题分析的难度。在未找到原因之前，因先避开振动区运行，再进行逐步分析。尤其是贯流式机组，水头低、过流量大、运行状况相对较差的机组，振动问题更为突出。为提高振动问题的分析，除了长期的人工观测外，建议增加机组振动实时监视系统，需要的时候调出相应的振动曲线，有利于问题的分析和处理。
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论文作者:孔学升
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/20
标签：机组论文; 水轮论文; 转轮论文; 叶片论文; 水力论文; 流式论文; 卡门论文; 《基层建设》2017年第32期论文;