试论述引起水轮发电机组振动的原因

试论述引起水轮发电机组振动的原因、振动机理及相应振动故障的处理措施

水轮发电机组的振动与一般动力机械振动有一定差异，机组振动的现象是比较明显的，但振源往往是隐蔽的，除了机器本身转动或固定部分引起的振动外，还需考虑发电机电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统及其部件振动的影响。引起水轮发电机组振动的原因多种多样，往往是几种振源同时存在，通常认为使机组产生振动的干扰力源主要来自水力、机械和电气三个方面，三者相互影响、相互作用，常常交织在一起，形成耦合振动。

水轮发电机组的一般振动不会危害机组，但当机组振动超过允许值，尤其是长期振动及发生共振时，对供电质量、机组使用寿命、附属设备及仪器是性能、机组基础和周围的建筑物，甚至对整个水电站的安全经济运行等，都会带来严重的危害。

其危害性大致有以下几类：

1)引起机组零部件金属和焊缝间疲劳破坏区的形成和扩大，从而使之产生裂纹，甚至

断裂损坏而报废。

2)使机组部分紧固部件松动，不仅会导致这些紧固件本身的断裂，而且加剧被其连接

部分的振动，促使它们加速损坏。

3)加速机组转动部分相互磨损程度。如大轴剧烈摆动，可使轴与轴瓦的温度升高，使

轴瓦烧毁；发电机转子振动过大增加滑环与电刷的磨损程度，并使温度升高，使轴瓦烧毁，并使电刷火花不断增大

4)尾水管中形成的涡流脉动压力，可使过水系统发生振荡，机组出力摆动，使尾水管

壁产生裂缝，严重时可使整体尾水设施遭到破坏。

5)水轮机组共振引起的后果更加严重。如机组设备与厂房的共振，可使整个设备和厂

房遭到不同程度的损坏

1、水力方面

水力振动由水轮机水力部分的动水压力的干扰造成的振动叫水力振动。产生振动的

水力因素主要有:尾水管内低频涡带、卡门涡列、叶道涡引起的水力不稳定、过度过程中的不稳定现象、水力不平衡、空腔汽蚀、间隙射流（轴流式水轮机）等。

1.1尾水管内低频涡带

尾水管内低频涡带是混流式水轮机和轴流定桨式水轮机在部分负荷时尾水管中出现的一种不稳定流动现象。水轮机在非设计工况下运行时，由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响，在尾水管内常引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后，涡带以近于固定的频率在管内转动，引起水流低频压力脉动。当管内水流一经发生,压力脉动就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。

预防和处理措施:

1)优化水力设计。采用负倾角转轮翼型、合理设计叶片出口环量分布规律、适当的上

冠和泄水锥，对高水头混流式转轮可考虑采用带副叶片的转轮等。

2)避开振动工况区运行；

3)改变水流的流动和旋转状况；如加长泄水锥；加长尾水管锥段；加大尾水管锥角；

加阻水栅及隔板；控制涡带的偏心距。

4)机组运行中对涡带区进行适当补气，一般采用自然补气，必要时也可强迫补气。1.2卡门涡列

当水流流经非流线型障碍物时，在出口边的两侧出现漩涡，形成旋转方向相反、有规则交错排列的漩涡，进而互相干扰、互相吸引，形成非线型的涡列，俗称卡门涡列。这种涡列交替地作顺时针或逆时针方向旋转，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。

预防和处理措施:

1)削减转轮叶片或固定导叶出水边的厚度，提高卡门涡频率，避开共振；

2)在叶片间加支撑，改变叶片的自振频率；

3)水轮机设计阶段，预测卡门涡列的频率、叶片与导叶的固有频率，使错开卡门列涡

和绕流部件频率。

1.3叶道涡引起的水力不稳定

混流式水轮机在偏离最优工况时，叶片进口的冲角增大，如果水流冲角过大，会导致叶片头部脱流，形成叶道涡，进而可能产生中频或高频的水压脉动。

来流在设计水头以上是正冲角，脱流发生在上冠叶片进口的背面；来流在设计水头以下是负冲角，脱流发生在上冠叶片进口的正面。而叶道涡就起源于偏离最优工况后上冠进口处的脱流，分为高水头叶道涡和低水头叶道涡。从水轮机模型试验观察是从转轮叶片间流出来的，随着水轮机工况变化，当2～3个叶片间同时开始出现可见的涡流，则认为在该工况下发生了叶道涡。

预防和处理措施:

1)优化水轮机水力设计，特别是转轮上冠处的型线和叶片头部的叶型;

2)为避开高水头叶道涡，水轮机最优水头（设计水头）应该尽可能接近最高水头；

3)在水轮机顶盖上预留压缩空气补气孔，必要时补入压缩空气消除振动;

4)机组尽量避开机组在叶道涡发生区运行。

1.4过度过程中的不稳定现象

当水轮机工况发生变化时，会产生水力过渡过程，机组往往发生各种振动。水力过渡过程包括小波动和大波动过渡过程，在小波动过渡过程中，靠水轮机调速器调节能够很快达到稳定，而大波动过渡过程中，如机组启动、停机、负荷突然增减、甩负荷、同步调相、事故飞逸等过程中，通过水轮机的水流状态必然更加紊乱、复杂，不但会引起水力不稳定现象，还可能在转轮等部件上产生多种高频动应力。

1.5水力不平衡

具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流，再通过均匀分布的固定和活动导叶均匀作用于转轮，并激发转轮旋转。由于加工和安装误差，使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时，作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，在空载或低负荷运行时振动强烈。

2 、机械因素

水轮机和发电机两者结构所造成的机组机械振动多种多样，主要有: 转动部件（即

轴系）质量不平衡、机组轴线不正或对中不良、导轴承缺陷或间隙调整不当、机组支撑结构或轴系刚性不足和轴密封调整不当等。

2.1转动部分质量不平衡

如果机组转动部件（主要是转子）在制造、安装与检修过程中存在质量不平衡，运转中会产生强大的离心力，引起转子弓状回旋，增加轴承磨损，降低机械效率，形成转子和轴承的振动，甚至引发破坏性事故。由于转子质量不平衡，转子重心与轴心产生一个偏心距。当主轴旋转时，由于失衡质量离心惯性力的作用，主轴将产生弯曲变形。轴变形越大，振动也越严重。

其振动特性:

1)振幅与机组出力无关，在空载下也振动；

2)振幅随转速的增高而增大，且大致与转速的平方成正比；

3)径向振幅最大，轴向较小;；

4)振动频率为转频和倍频，其主频为转频率。

预防和处理措施:

对可能引起质量不平衡的部件，在设计时采取配种措施；

提高发电机转子磁轭堆积和磁极挂装的安装质量，尽可能减小发电机转子的静态不平衡；

对于高速、长转子机组应根据机组上下导轴承的摆度值，在转子的上部和( 或) 下部的不同方位配重。

2.2机组轴线不正或对中不良

由于转子、转轮几何中心偏离旋转中心，运行中会产生横向及纵向振动，直接形成回旋对推力轴承、导轴承均构成威胁，还能增大离心惯性力，两者都使振幅增大。对新投产的机组，一般不会由于轴线不正而引起剧烈振动，但对于运行一段时间后的机组，由于某种原因使轴线改变，如推力头与轴配合不严密、卡环不均匀压缩、推力头与镜板间的垫变形或破坏等，都会引起机组振动。

机组轴线不正包括:

1)发电机上端轴和转子中心体不同心；