水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)產(chǎn)生的原因分析

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1、水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)產(chǎn)生的原因分析 水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)產(chǎn)生的原因分析 摘要：水力發(fā)電機(jī)組一直存在振動(dòng)的問(wèn)題，這極大地影響了水電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了效率，更嚴(yán)重威脅著水電機(jī)組的使用壽命，給發(fā)電企業(yè)帶來(lái)了巨大的損失。本文著重分析了引起振動(dòng)的三個(gè)方面的原因，同時(shí)也結(jié)合一些例子進(jìn)行說(shuō)明。 關(guān)鍵詞：水電機(jī)組；振動(dòng)；原因分析 中圖分類號(hào)： TV547.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1、機(jī)械振動(dòng) 引起機(jī)械振動(dòng)的因素有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正和導(dǎo)軸承缺陷等。質(zhì)量不平衡，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子重心對(duì)軸心產(chǎn)生一個(gè)偏心矩，當(dāng)軸快速旋轉(zhuǎn)時(shí)

2、，由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用，軸將產(chǎn)生彎曲變形，其中心獲得撓度。轉(zhuǎn)子重心繞中心作圓周運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)半徑就是振幅。振幅越大，說(shuō)明軸變形越太，振動(dòng)得也越嚴(yán)重。本機(jī)組隨負(fù)荷增加的振幅值變化不大，但空載時(shí)振動(dòng)擺度明顯很大；軸線不正，機(jī)組軸線不正會(huì)引起兩種形式振動(dòng)：弓狀盤(pán)旋：由于轉(zhuǎn)輪幾何中心偏離旋轉(zhuǎn)中心，除直接形成盤(pán)旋外，尚能增大離心力，兩者均使振幅增大。擺振：在動(dòng)水壓力作用下，推力軸承處發(fā)生擺振。為此，在制造和安裝時(shí)，必須使軸線找正。對(duì)新安裝檢修的機(jī)組，一般不會(huì)由于軸線不正而引起劇烈振動(dòng)。但對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間后的機(jī)組，出于某些原因使軸線改變，如推力頭與軸配合松動(dòng)、卡環(huán)不均勻壓縮、接力頭與鏡板間的墊變形或破壞

3、等，都會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。軸承缺陷：當(dāng)導(dǎo)軸承松動(dòng)、剛性缺乏、運(yùn)行不穩(wěn)或間隙過(guò)大而潤(rùn)滑不良時(shí)，會(huì)發(fā)生干摩擦。引起方向弓狀盤(pán)旋，即橫向振動(dòng)力。對(duì)機(jī)組來(lái)講，軸承座剛度不夠，帶上負(fù)荷，主軸向水輪方向彎曲傾斜，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有撓度，是機(jī)組軸承振動(dòng)加劇原因之一，導(dǎo)軸承間隙過(guò)小，會(huì)把轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)傳給基座和根底。導(dǎo)軸承間隙過(guò)大，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)大，適當(dāng)?shù)膶?dǎo)軸承間隙，有可能同時(shí)保證轉(zhuǎn)軸與支座的振動(dòng)均在允許的范圍內(nèi)。 2、水力振動(dòng) 引起水力振動(dòng)的因素有水力不均衡、尾水管中的水力不穩(wěn)定和渦列等。 2.1 水利不平衡 當(dāng)流入的水流失去軸對(duì)稱時(shí)，出現(xiàn)不平衡的橫向力，造成轉(zhuǎn)輪振動(dòng)。水流失去軸對(duì)稱的主要原因是過(guò)流通道不對(duì)稱。

4、最主要原因是：蝸殼形狀不正確，不能保證軸對(duì)稱；導(dǎo)葉開(kāi)度不均，引起轉(zhuǎn)輪壓力分布不均；在流道中塞有外物；轉(zhuǎn)輪止漏時(shí)環(huán)偏心，止漏環(huán)偏心相當(dāng)于一個(gè)偏心泵，所以造成壓力脈動(dòng)很大，特別是高水頭水輪機(jī)更為嚴(yán)重。 2．2尾水管中水力不穩(wěn)定 尾水管中水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要指尾水管中的水壓周期性變化，壓力脈動(dòng)作用于機(jī)組和根底上，就引起振動(dòng)、噪音和出力波動(dòng)，同時(shí)它對(duì)尾水管里襯有相當(dāng)大的破壞作用。這種情況，一般發(fā)生在非設(shè)計(jì)工況下。由于在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，水流在尾水管進(jìn)口有一個(gè)圓周分量，形成旋流。當(dāng)此分量達(dá)一定值時(shí)，使在尾水管中出現(xiàn)渦帶。渦帶的形成與負(fù)荷有關(guān)，在較大負(fù)荷時(shí)呈柱狀，在低負(fù)荷時(shí)(一般為35—75％額

5、定負(fù)荷)，扭成螺線形。渦帶在空間不穩(wěn)定，一方面渦帶本身在旋轉(zhuǎn)，另外，整個(gè)渦帶又繞尾水管軸心線旋轉(zhuǎn)并同時(shí)向前游動(dòng)。由于渦帶的出現(xiàn)，使尾水管中的水流發(fā)生周期性的變化，引起水壓脈動(dòng)和管壁振動(dòng)。 2.3 渦列 當(dāng)水流繞流葉片，由出口邊流出時(shí)，便會(huì)在出口邊處產(chǎn)生渦列，從葉片的正面和反面交替的出現(xiàn)，形成對(duì)葉片交變的沖擊。當(dāng)沖擊頻率與葉片自振頻率相同時(shí)，便產(chǎn)生共振。由渦列所引起的振動(dòng)只在一定水頭和開(kāi)度時(shí)才能發(fā)生，它能使葉片的根部或輪緣產(chǎn)生裂紋，有時(shí)還伴隨著一定的音響。由于葉片長(zhǎng)期處于共振頻率下運(yùn)行，使葉片產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)裂紋。 2005年5月份以來(lái)，黃河上游來(lái)水量增大，龍羊峽水庫(kù)水位上升較快，目前

6、的水位已到達(dá)2597.63。4臺(tái)機(jī)組在高水頭下運(yùn)行，機(jī)組存在較大的運(yùn)行工況不好區(qū)域，振動(dòng)較大，對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行影響很大。機(jī)組在高水頭下運(yùn)行了幾個(gè)月，發(fā)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)組均有不同程度的振動(dòng)，并且發(fā)現(xiàn)三四號(hào)機(jī)組尾水管襯與彈性層之間滲漏水增大，尤其是三號(hào)機(jī)組尾水入孔門，由于機(jī)組振動(dòng)大，致使尾水入門四周的裂紋增加和增長(zhǎng)，使得尾水入空門處漏水量增大，嚴(yán)重地影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。2005年11月3號(hào)機(jī)組檢修，翻開(kāi)尾水人孔門檢查過(guò)流部件時(shí)發(fā)現(xiàn)，尾水管里襯湊合節(jié)處焊縫出現(xiàn)裂紋，最長(zhǎng)的一條長(zhǎng)達(dá)3．7m，同時(shí)還有6、7處長(zhǎng)短不同的裂紋，在尾水管的補(bǔ)氣短管處和泄水錐上同樣也發(fā)現(xiàn)了多條裂紋。 2.4 空腔氣濁 水流

7、通過(guò)水輪機(jī)時(shí)，其流向、流速隨流道改變，在流速增高或脫流部位壓力降低到汽化壓力時(shí)水流中產(chǎn)生汽泡，汽泡進(jìn)入高壓區(qū)潰滅時(shí)便會(huì)出現(xiàn)汽蝕，汽蝕發(fā)生時(shí)，在汽蝕部位會(huì)發(fā)生特殊的噪聲和撞擊聲?？涨黄g是流道中因漩渦帶引起脫流、負(fù)壓而造成的壓力交變產(chǎn)生的振動(dòng)。由空腔汽蝕引起機(jī)組的頂蓋和推力軸承出現(xiàn)劇烈的垂直振動(dòng)，它比橫向振動(dòng)的危害更大。在軸流式水輪機(jī)中，葉片和轉(zhuǎn)輪室間隙處由于正反面壓差的存在，會(huì)形成一股射流。其速度很高。由于轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)輪室某一部位來(lái)說(shuō)，交替的出現(xiàn)瞬時(shí)壓力升高和降低形成周期性的壓力脈動(dòng)。這種壓力脈動(dòng)會(huì)引起轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)。 3、磁力振動(dòng) 磁振動(dòng)由發(fā)電機(jī)電磁局部的電磁力的干擾造成的振動(dòng)叫做

8、電磁振動(dòng)。引起電磁振動(dòng)的因素有：發(fā)電機(jī)二相不對(duì)稱運(yùn)行、發(fā)電機(jī)突然短路等。 3．1發(fā)電機(jī)三相不對(duì)稱運(yùn)行。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生三相不平衡負(fù)載。引起三相電流不平衡。三相不平衡電流會(huì)在三相繞組中產(chǎn)生一個(gè)逆序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和一個(gè)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)負(fù)序磁場(chǎng)對(duì)著水力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子縱軸附近時(shí)，因氣隙小，磁阻小，磁力線就多，轉(zhuǎn)子和定子問(wèn)的作用力就大。當(dāng)負(fù)序磁場(chǎng)對(duì)著轉(zhuǎn)子橫軸附近時(shí)。因氣隙大，磁阻大，磁力線就少，轉(zhuǎn)子與定子間的作用力就小。這樣，負(fù)序磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間的作用力時(shí)大時(shí)小，就使力矩變成兩倍于周波數(shù)的頻率而脈動(dòng)，造成轉(zhuǎn)子及定子機(jī)座的振動(dòng)。 3．2發(fā)電機(jī)突然短路。發(fā)電機(jī)突然短路會(huì)使定子繞組的端部受到很大的電磁力的作用。這

9、些力包括定于繞組端部相互間的作用、定子繞組端部與轉(zhuǎn)子繞組端部相互間的作用力以及定于繞組端部與鐵芯之間的作用力。另外，發(fā)電機(jī)突然短路還使轉(zhuǎn)子軸受到很大的電磁力矩作用，所受力矩分為兩種：一種是短路電流中使定子、轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電阻損耗的有功電流分量所產(chǎn)生的阻力矩，另一種是突然短路過(guò)度過(guò)程中才出現(xiàn)的沖擊交變力矩。這些電磁力及電磁力矩能使發(fā)電機(jī)組受到劇烈的振動(dòng)，并給發(fā)電機(jī)部件帶來(lái)危害。此外，非同期并列、系統(tǒng)故障、雷擊也會(huì)使發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電磁振動(dòng)。 結(jié)束語(yǔ) 水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)的震動(dòng)原因在所難免，我們要從以上三大方面進(jìn)行防護(hù)，協(xié)調(diào)好以上范圍值。和可能出現(xiàn)的這些客觀情況進(jìn)行有效的分析和防控采取有效措施進(jìn)行消除故障。希望本文的論述能對(duì)同行有所幫助。 參考文獻(xiàn)： 〔1〕陳小沁，張利民，張?。畺|方電機(jī)股份有限責(zé)任公司．水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)測(cè)試和分析．上海大中型電機(jī)，2006．No．3． 〔2〕國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB／T8564—2003．水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)． 〔3〕子動(dòng)平衡方法及應(yīng)用研究>．大電機(jī)技術(shù)2002年第2期． 注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用PDF形式查看。