立式水轮发电机组上机架振动过大原因分析及处理

立式水轮发电机组上机架振动过大原因分析及处理
周刚
(南方电网调峰调频发电公司天生桥水力发电总厂贵州兴义562400) (CSG Power Generation Company Tianshengqiao Hydropower Station,Xingyi 562400,Guizhou,China)
摘要：立式水轮发电机组振动式普遍存在的，通过对中山包机组机架振动的案例，探讨分析了造成水轮发电机组振动的原因，并提出了解决问题的方法。

关键词：机组振动、摆度；原因分析
1．概述
中山包水轮发电机组为三导悬式结构。

推力轴承位于转子上方并布置在上机架中心体上，上导轴承设置在上机架中心体内，下导轴承设置在下机架中心体内，在水轮机中设一水导轴承。

其基本参数如下：
额定容量： 40MW∕47.06MVA
额定电压：10.5KV
额定电流: 2587A
额定频率：50HZ
额定转速/飞逸转速：500/935 r/min
2003年，中山包机组向当地电网供电，机组长期处于低负荷运行。

2004年初，中山包机组出现上机架振动过大现象，多次出现上机架下层盖板螺钉被振松，上机架发出异常声响，－Y方向上机架千斤顶窜动明显，对机组安全运行造成了严重威胁。

为了找到造成振动的原因，对机组进行了全面分析和检查。

2．振动原因分析
2.1上、下及水导轴承检查情况
机组小修时，对机组上、下及水导轴承间隙进行检查，发现上、下及水导瓦间隙不均匀，不能满足设计要求，见表2、图1。

因此对上、下导瓦间隙进行调整，并将导瓦瓦面进行修刮。

在上导瓦调整过程中发现铬钢垫有破碎情况，出现在机组上下游侧Y轴线上的三块瓦上，破碎的主要是0.05mm铬钢垫共五片，磨损较大或破裂有0.20mm两片、0.50mm的两片、1.0mm一片，可见上机架振动过大是铬钢垫损坏的原因。

而水导瓦因无备品不能对其进行更换和调整。

表2：机组上、下导间隙调整（单位：mm）
单位：mm
设计要求：总间隙为0.26－0.36mm
图1 水导瓦间隙测量
2.2推力轴承体检查
对机组的推力轴承抗重螺拴及其锁锭装置进行了全面的检查，没有松动现象。

检查机组推力镜板水平情况，沿X和Y轴对称4个方向进行测量，测量值均小于0.01mm/m，从测量数据来看，符合《水轮发电机组安装技术规范》要求（0.02mm/m）。

2.3上机架检查情况
首先对上机架进行了全面的外观检查，机架螺栓未见松动，焊缝未见脱焊，千斤顶剪断销未见断裂。

在机组X、Y支背架设百分表，退上机架千斤顶，每个千斤顶有五片碟形弹簧，发现＋Y方向碟形弹簧片有4块损坏，其中一块碎裂，三块断裂；在－Y方向发现两块损坏，一块碎裂，一块断裂。

可见，上机架振动过大造成碟形弹簧损坏，同时由于碟形弹簧的损坏加大了上机架的振动。

2.4大轴联接螺栓检查
考虑到大轴联接螺栓折断也可能造成上机架振动，将大轴保护罩拆开后对大轴联接螺栓进行外观检查，大轴联接螺栓外观完整，焊缝未发现裂纹，从外观情况判断大轴联接螺栓未发生折断。

2.5过流部件检查
对转轮叶片及泄水锥进行检查，转轮叶片完整，有叶片背面靠出水边处有一定汽蚀，中山包泄水锥与转轮为整体结构，泄水锥外观完整。

同时，也对转轮的上、下止漏环间隙进行测量，其间隙较均匀，满足技术要求。

2.6机组转动部分检查
对机组转子顶部、配重块、转子支臂和下端部进行了检查。

转子励磁引线卡稳固，引线未见位移滑动；配重块焊接牢固，螺栓锁锭完好；支臂内无异物，铁芯未受损伤；空气间隙符合设计要求，见图2。

单位：mm
图2 空气间隙测量
2.7造成振动的原因
从上述检查情况来看，可以排除推力轴承、水力不平衡、轴系不平衡等可能造成上机架振动过大的因素。

中山包上机架振动过大的直接原因是上机架千斤顶碟形弹簧损坏，从而致使－Y方向上机架千斤顶窜动明显，并发出异常声响。

其间接原因是，导瓦间隙不均匀，并且不符合技术要求，使上机架各支臂受力不均，从而加速了碟形弹簧疲劳损坏。

对导轴承间隙重新进行调整、对上机架千斤顶碟形弹簧重新更换后，机组投运，对机组
各部的振动、摆度进行监测，见表3，振动、摆度恢复正常，满足技术要求。

表 3 小修后机组各部振动、摆度测量单位：0.01mm
3．从中山包机组谈立式水轮发电机组振动原因
水轮发电机组的振动是一个复杂的问题，但从振动的原因来看，一般有机械、水力及电磁等方面的原因。

机械振动由于机组机械部分的惯性力、摩擦力及其他力的干扰造成的振动。

引起机械振动的因素有：转子质量不平衡、机组轴线不正、导轴承缺陷等。

水力振动是由于水轮机水力部分的动水压力的干扰造成的振动。

引起水力振动的因素有：水力不平衡、尾水管中的水力不稳定、涡列等。

磁振动由发电机电磁部分的电磁力的干扰造成的振动。

引起电磁振动的因素有：发电机三相不对称运行、发电机突然短路等。

3.1机械振动原因
1）转子质量不平衡。

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。

在制造时，要进行转子的静平衡、动平衡试验，使不平衡重量尽可能
小，从根本上消除这种振动的原因。

2）轴线不正。

机组轴线不正会引起两种形式的振动：弓状回旋。

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。

从运行角度分析，一
般出现在投运年限较长，各导轴承间隙大，没能及时修复，或者检修质量不良等情
况下。

另外一种是摆振。

在动水压力下，推力轴承处发生摆振。

为此，在安装和检
修时必须找正轴线，调整各导轴承的间隙在允许范围内。

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。

3）导轴承缺陷。

当导轴承松动、刚性不足、运行不稳而润滑不良时，会发生摩擦，引起反向弓状回旋，即横向振动力。

导轴承间隙过小，会把转轴的振动传给支座和基
础，导轴承间隙过大，转轴振动大。

适当的导轴承间隙，才有可能同时保证转轴与
支座的振动均在允许范围内。

3.2水力振动原因
1）水力不平衡。

当流入转轮的水流失去轴对称时，出现不平衡的横向力，于是造成转轮振动。

水流失去轴对称的主要原因是过流通道不对称，如：蜗壳形状不正确；导叶开度不均，引起转轮压力分布不均；在流道中塞有外物；转轮止漏环偏心等。

2）尾水管中水力不稳定。

尾水管中水力不稳定现象，主要指尾水管中的水压周期性的变化，压力脉动作用于机组和基础上，就引起振动、噪音和出力波动，同时它对尾水管有相当大的破坏作用。

这种情况一般发生在非设计工况下，水流在尾水管进口有一个圆周分量，形成旋流。

当此分量达一定值时，便在尾水管中出现涡带，使尾水管的水流发生周期性的变化，引起水压脉动和管壁振动。

当水轮机的自振频率与压力脉动频率相同时，便发生共振，威胁水轮机组的运行。

3）涡列。

当水流绕流叶片，由出口边流出时，便会在出口边处产生涡列，从叶片的正面和背面交替出现，形成对叶片交替的冲击。

当叶片自振频率与冲击频率相同，便产生共振。

由涡列所引起的振动只在一定水头和开度时才会发生，它能使叶片的根部或轮缘产生裂纹，有时还伴随著一定的声响。

3.3电磁振动原因
1）发电机三相不对称运行。

电机运行时，会发生三相不平衡负载，引起三相电流不平衡。

三相不平衡电流会在三相绕组中产生一个正序旋转磁场和一个负序旋转磁场。

当负序磁场对著水力发电机转子纵轴附近时，因气隙小，磁阻小，磁力线就多，转子和定子间的作用力就大。

当负序磁场对著转子横轴附近时，因气隙大，磁阻大，磁力线就少，转子与定子间的作用力就小。

这样，负序磁场和转子之间的作用力时大时小，就使力矩变成两倍于周波数的频率而脉动，造成转子及定子机座的振动。

2）发电机突然短路会使定子绕组的端部受到很大的电磁力的作用。

这些力包括定子绕组端部相互间的作用、定子绕组端部与转子绕组端部相互间的作用力以及定子绕组端部与铁芯之间的作用力。

另外，发电机突然短路还使转子轴受到很大的电磁力矩作用，所受力矩分为两种：一种是短路电流中使定子、转子绕组产生电阻损耗的有功电流分量所产生的阻力矩，另一种是突然短路过度过程中才出现的冲击交变力矩。

这些电磁力及电磁力矩能使发电机组受到剧烈的振动，并给发电机部件带来危害。

发电机转子两点接地当发电机在运行中出现转子两点接地时，部分线匝短路，电阻降低，有较大的短路电流流过短路点，励磁电流不正常的增大，发电机进相多，引起磁场不平衡，造成发电机组强烈的振动。

4．结束语
立式水轮发电机组振动是普遍存在的，中山包机组上机架振动过大是立式水轮发电机组振动的一个特例，本文旨在探讨造成立式水轮发电机组振动的原因，从而为以后工作中分析和解决立式水轮发电机组振动的问题提供有效的方法和思路。

收稿日期：2011-7-7
周刚（1971-），男，工程师，从事水电站水轮发电机组及其辅助设备检修及其管理工作。

（E-mail：zhougang@）。