摘要：本文主要分析了水轮发电机组振动的原理和危害，并概述了引起发电机组振动的一些主要原因，并针对这些原因提出了一些诊断振动类型的方法，最后提出了一些有效处理振动的对策。
关键词：水轮；发电机组；振动；电磁
社会经济的快速发展，使得水利发电工程在人们生产和生活中所发挥的重要性日益凸显，这就需要我们通过有效的措施确保水轮发电机机组的稳定运行。机组的稳定运行是判断水轮发电机工作性能的一项重要指标，如果机组出现振动，会加大机械的磨损，缩短水轮发电机的寿命，所以，应该重点研究水轮发电机组振动的原因，并通过一些措施来识别引起振动故障的原因，最终找到有效的应对之策。
1 水轮发电机组振动原理及危害分析
水轮发电机组主要包括两个部分：固定部分与旋转部分。当水轮发电机组工作时，会因为一些部位出现了问题使得机组出现不稳定性振动。此时的振动原理主要就是因为机组运转时，水能直接激发了水轮发电机组的振动，并间接的维持了机组振动。发电机的正常工作离不开机械、流体以及电气三者的共同作用，且这三者是相互作用，不可缺少的，当气隙处于不对称状态时，发电机定子跟转子之间的磁拉力就会发生不平衡，当流体导致机组转动部分出现振动时，就会带动机组转动部分出现振动，这时水轮机的水流流场和发电机的磁场都会受到转动的影响。
水轮发电机组出现振动会造成很大危害，会造成很大的安全性问题：因为当尾水管会发生低频压力脉动时，尾水管壁会发生开裂，一旦发电机机组的振动频率跟尾水管低频压力脉动的频率相接近，就会发生共振，机组会跟着出现很大范围、很大幅度的振动，甚至会让机组脱离电力系统，对受力建筑物造成极大的伤害。如果机组各个部位发生松动，各个部件相互间就会发生摩擦，最终会使得零部件和焊缝因为过度疲劳而加深加大开裂，甚至会导致断裂，其危害是相当大的。
2 水轮发电机组振动的主要引起因素
跟一般的动力机械相比，水轮发电机组因为所处的工作环境比较特殊，工作特性也较为罕见，所以，导致其振动的原因也是多方面的，一般来说，导致其振动的因素常常划分成三类：
2.1机械原因
第一种原因就是主轴刚度不够，或者直径太短，两个轴承之间的间隙过大，最终导致机组出现振动，而机组的负荷变化会大大的影响到机组，导致振幅变大。
第二个原因就是机组转动部分的不平衡结构所致，或者工艺没有过硬的质量，无法满足相应的标准要求，最终导致机组出现振动。在这样的情况下，一旦机组转速变大，机组的振幅就会在短时间里迅速变大。
第三个原因就是紧固件出现松动、水轮发电机组没有做到中心对称或者轴线发生了弯折，这时水轮发电机组会因为低负荷或者空载而导致发生大幅度的振动。
第四个原因就是机组内的固定部件和转动部件由于摩擦而导致振动，这种振动会很剧烈，且极有可能会伴随着出现撞击声。
2.2水力因素
当机组处于过渡工况和非设计工况条件下运行的时候，由于水流的状态发生变化，机组各个部件的振动明显增加。因为单位体积水流能量主要依赖于水头，所以机组的振动通常是随着水头的降低而降低，低负荷、高水头的时候振动相对比较剧烈。水力因素导致的振动主要包括水力不平衡、空腔汽蚀、尾水管低频水压脉冲、射流间隙和卡门涡列等。
（1）水力不平衡：具有动能和位能的水流是由蜗壳的作用而形成的环流，它是经过均匀分布的固定以及活动导叶片作用到旋转轮上，旋转轮被激活而旋转。因为加工、安装误差，导水叶叶片、流量通道的形状大小差异比较大的时候，作用旋转轮的水流在失去轴对称的情况下就会出现不平衡横向力，从而导致转轮振动，当无负载和低负荷运行的时候，振动比较强烈。
（2）尾管的低频率水压脉冲：水轮机在非设计工况条件下运行的时候，由于转轮受到出口处的脱流旋涡和旋转水流以及汽蚀等影响，在尾水管内常常会引起水压脉动，特别是在尾水管内出现大型涡带之后，涡带以近似固定的频率在管内转动，从而导致低频压力脉动。当水流在管道中流动时，压力脉动会激起尾管壁、转轮、蜗壳、导水机构和压力管的剧烈振动。
（3）空腔汽蚀：水轮机有水流通过的时候，流速、流向受到流道的影响发生变化，在流速增加或脱流部位压力减少到汽化压力的时候，水流中会出现汽泡，气泡在进入高压区之后会溃灭，从而导致汽浊出现。空腔汽蚀是在流道中由于漩涡带引起负压、脱流而导致压力交变造成的。因空腔汽蚀造成机组的推力轴承和顶盖产生剧烈的垂直振动，相较于横向振动，垂直振动的危害更大。
（4）卡门涡列：围绕着物体的恒流通过时，在出口的两侧边缘出现了漩涡，形成了有规则交错排列、向相反方向旋转的旋涡，从而相互吸引、相互干扰，形成了非线形的涡列，通常被称为卡门涡列。当卡门涡列冲击频率和旋转物体叶片固有频率比较接近的时候，叶片的固有频率会产生共振，并带有强烈且频率单一的噪声以及金属共振的声音。
2.3电气因素
（1）发电机转动部件在转动过程中可能会受到很多不平衡力，比如定转子之间不均匀的空气隙所引起的作用力。这种情况下，上机架的振动状况会比较显著，同时振动的幅度也会随励磁电流的变化而发生变化。
（2）发电机定子绕组内部所形成的谐波会产生磁拉力，然而小波数的磁拉力很容易使得定子产生振动。这种振动现象同样会在上机架处更为显著，且振幅随定子电流成正比例变化。
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（3）定子铁芯出现松动也会使机组产生振动现象，转子的转速对振动的强弱影响较为明显，通常情况下，机组振动频率一般为电流频率的双倍。
（4）如果在安装时未能良好的固定定子绕组，那么当电气负荷和电磁负荷较高时，机组也很容易产生振动现象。
3 水轮发电组振动故障的识别
3.1通过振动实验来识别故障
振动实验是诊断识别故障的主要措施，振动实验主要包括：第一，转速试验，启动水轮发电组机组，在各种转速下分别进行实验，在典型部位选择5~7个测点，测验检测部位的振幅与频率，若振幅大，转速对振幅变化不敏感，则是轴间存在间隙，轴承不同心，部件之间存在偏磨而导致的。若振幅随机组转速增加而加大则是由转动部件不平衡导致的。若振幅随机组转速增加而加大，但变速一般，则是由定子铁芯组合松懈，或铁芯松动而导致的。第二，励磁实验，励磁实验则是在额定转速下，改变励磁电流，观察典型部位振动随励磁电流的变化，观察其变化规律，从而找到振动故障产生的原因。
3.2通过振动部位诊断识别故障
利用振动部位诊断识别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识别诊断。
3.3通过振动频率诊断识别故障
振动频率是最有效的诊断识别故障措施，通过利用测振仪对振动频率进行测量，并记录振动记号，可以对频谱进行分析，判断振动原因，从而有效进行振动故障的诊断识别。利用振动频率诊断识别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。
4 振动的处理对策
4.1水力因素导致的剧烈振动的解决对策
对于水力因素引起的强烈振动，可以采取下列措施处理：
（1）气浊和尾水管涡流引起机组的强烈振动，可以使用补气措施进行消振或是减振，也可以使用安装导流瓦和导流翼板等在尾水管入口处，可以减少和消除涡带引起的振动；
（2）对于卡门涡列造成的振动，可以采取改变叶片固有频率或卡门涡列频率的方法，也可以改型或削薄叶片出水边，也就是说，抵消、削弱正反双方侧面构成的交变漩涡，避免造成共振；
（3）对止漏间隙不当造成的振动的消除方法，可以通过调整间隙使其均匀的方法。实践证明：适当增加外止漏环间隙，可明显减弱转轮偏心运动对背压止漏环间隙压力的影响，进而减少振动。比如：李家峡水电站一号和四号水轮机组，由于止漏环开焊导致水力的振动剧烈，在更换后，其振动的幅度明显下降了。
4.2机械因素引发振动的处理对策
因为机械因素造成的振动，主要表现为导轴承缺陷、机组轴线不正、转子质量不平衡等。要处理这一类的振动，应该通过下述方式达到有效处理的目的：通过动态平衡调整轴瓦间隙或调整轴线来提高精密度以及同心度。例如，某水电站一号发电机组由于动平衡不合格，转子摆动过大的缺陷，采用转子配重的对策，取得了良好的效果。
总之，水轮发电机组是水电站正常工作的核心部分，只有它安全稳定的运行，才能确保水电站的正常工作和经济效益，又因水电站在实际工作中总会出现一些振动故障，这就需要深层次的分析振动原因，进而采取有针对性的解决措施有效解决机组振动问题，提升水轮发电机组运行稳定性和可靠性。
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作者简介
韦瑞涛（1979-08），男，籍贯：广西都安人，工程师，主要从事水电站机电设备及金属结构设备安装及检修、运营及施工管理工作。
论文作者:韦瑞涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/9
标签：机组论文; 水轮论文; 频率论文; 定子论文; 卡门论文; 故障论文; 振幅论文; 《电力设备》2017年第30期论文;