浅析水轮发电机组动不平衡的原因及危害

浅析水轮发电机组动不平衡的原因及危害

罗平县锌电股份有限公司腊庄电厂：祝庭达

论文摘要：

本文从下述几个方面阐述了水轮发电机组动不平衡的原因及

危害：

一、水轮发电机组动不平衡的原因源于三个方面：机械不平衡力、电磁不平衡力和水力不平衡。

二、电磁、水力及机械三者不平衡的相互影响。当三者中任意两者的力矢量夹角在 90度以内时，有相互增加的作用，当三者中任意两者的夹角大于 90度时，有相互减弱的作用。

三、配重实例

对老渡口电站3号水轮发电机组转子进行配重。

水轮发电机组动不平衡是静不平衡和力矩不平衡的随机组合，轴的质量中心线与旋转中心线不平行也不相交，它引起水轮发电机组的振动。

水轮发电机组的振动是一种不可避免的、非常有害的现象，它不但产生噪音，使机组各连接部件松动,使各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏，还加速结构部件的疲劳破坏，降低机组的服役期限，严重影响机组的正常安全与稳定运行。因此，我们必须将振动限制在规范允许的范围内。产生振动的原因是由于水轮发电机组转动部件的不平衡力造成的，这种不平衡力来源于三个方面：机械不平衡、电磁不平衡和水力不平衡。

1、机械不平衡力

引起机械不平衡力的原因很多，主要有水轮机质量失衡、发电

机质量失衡、机组镜板水平调整差、大轴轴线不正、三导轴承不同心等。实践证明,水轮发电机组的振动大多数是由于发电机转子的质量不平衡造成，尤其是大、中型水轮发电机组，其直径和重量一般都很大，均在现场叠装而成。虽然在安装过程中为使转子均质分布而采取了对磁轭铁片称重分类进行叠装和转子磁极称重后均衡配置的措施，但仍然无法做到绝对均衡，因此，机组运行在中极易发生因转子质量分布不均而产生的较大不平衡力。这种不平衡力的主要特征是：1)机组在空转(空载、无励磁 )工况下 ,机组的大轴轴线摆度就很大，机架等部位的振动大；2)振动幅值随转速增加而增大，且与转速平方成直线关系；3)振动频率为转频。

2、电磁不平衡力

机组振动的电磁不平衡力干扰力来自发电机电气部分的电磁力。其特征是振动随励磁电流的增大而增大。引起电磁振动的主要因素有转子绕组短路、空气间隙不均匀等。

2.1、转子绕组短路

当一个磁极因短路而引起磁动势减小时,和它相对应的那个磁极的磁动势并没有变,因而出现一个跟转子一起旋转的辐向不平衡磁拉力,引起转子振动。这种振动的大小取决于失去作用的线圈匝数。其振动的振幅与励磁电流有关,用公式表示为Ｙ=ｆ(Ａ),励磁电流Ａ增加,振幅Ｙ增大。当去掉励磁,振动立即消失。所以很容易把这种振动和其它原因产生的振动区分开来。

2.2、空气间隙不均匀

当发电机转子不圆或有摆度时,空气间隙就会不均匀,从而产生单边的不平衡磁拉力,随着转子的旋转而引起空气间隙周期性变化,单边不平衡磁拉力沿着圆周作周期性移动,引起机组振动。

3、水力不平衡力

具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流,再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀作用于转轮激发转轮旋转。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。主要有下列几个方面：

3.1、尾水管低频水压脉动

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。

3.2、空腔汽蚀

水流通过水轮机时,其流向、流速随流道改变,在流速增高或脱流部位压力降低到汽化压力时水流中产生汽泡,汽泡进入高压区溃灭时便会出现汽蚀。汽蚀发生时,在汽蚀部位会发生特殊的噪声和撞击声。空腔汽蚀是流道中因漩涡带引起脱流、负压而造成的压力交变产生的振动。由空腔汽蚀引起机组的顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动,它比横向振动的危害更大。

3.3、卡门涡列

恒定流束绕过物体时,在出口边的两侧出现漩涡,形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡,进而互相干扰、互相吸引,形成非线型的涡列、俗称卡门涡列。当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时,将产生共振,并拌有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。

3.4、间隙射流

在轴流式水轮机中,叶片和转轮室间隙处由于正背面压差的存在,会形成一股射流,其速度很高。由于转轮的旋转,对转轮室某一部位来说,交替的出现瞬时压力升高和降低,形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动。

4、电磁、水力及机械三者不平衡的相互影响

水轮发电机组的电磁不平衡主要因定子或转子的椭圆度较大，空气间隙不均匀，以及转子绕组匝间短路产生的磁力不平衡等造成；水力不平衡主要由于导叶、叶片开口不均，型线不好，止漏环间隙不圆度过大等造成。它们二者与机械不平衡相互影响，共同作用于机

组上。当一台机组轴线调整居中，导叶、叶片开口均匀（水力平衡良好 )，空气间隙测量合格(电磁平衡良好)，若其存在转子质量不平衡，则运转后势必在某一方向上的摆度、振动大，轴线朝这一方向偏移，进而造成空气间隙及止漏环间隙的改变，从而也引起了电磁不平衡和水力不平衡。这种状况的机组在空转--加励磁--带负荷的工况改变过程中其振动、摆度是逐渐增大的。解决的根本方法是消除转子的质量不平衡。可以把机械、电磁及水力不平衡力三者的相互影响关系归结为两类：当三者中任意两者的力矢量夹角在 90度以内时，有相互增加的作用，当三者中任意两者的夹角大于 90度时，有相互减弱的作用。

正因为三者的相互作用，当水轮发电机组振动、摆度较大时，可采用综合平衡法进行消除或消减其不平衡力。当水力及电磁不平衡力不是很大时，可采用在相反方位进行配重的方式来减少其部分不平衡力，尤其对三导轴承比较接近的机组，效果特别明显。

当水轮发电机组出现动不平衡后，可通过试验找正不平衡方位，利用经验公式进行配重处理。

公式(1)是与振幅无关的经验公式：

P = KMg／Rn 2 (1)

式中：P--为试块重量kg；K --为系数 (0.5～2.5)，高速机组取小值，低速机组取大值；M --为转子质量 kg；g --为重力加速度980 cm/S^2 ；R--为配重半径cm；n--为机组额定转速r／min。

式(2)是与振幅有关的经验公式：

P =450μM／Rn2 (2)

式中：μ为机组配重前的最大振幅值mm；其它字母代表意义同公式(1)。

对于转速较高的机组，当转子磁轭高度大于转子直径的三分之一时，会出现较大的不平衡力偶，使上、下机架水平振动较大且方向相反，此时，应分别在转子磁轭的两个断面进行配重，必要时反复校正。