水轮机振动原因分析与处理

党文君

国网甘肃刘家峡水电厂运行分场 甘肃永靖 731600

摘要：当今时代，人们对电力能源需求量越来越多，同时，水电机组的水轮机尺寸和输出功率越来越大，虽然制造工艺和材料强度都得以提高，但在高转速和大的水头变幅条件下，无论是轴流式还是混流式，水轮机部件的刚度和运行的稳定性问题日益突出。但凡旋转部件，就不可避免的会产生振动，水轮机的转轮、导流叶片和旋叶等部件在自身转动惯性、重力、离心应力、水流的不稳定性冲击以及导叶尾缘脱体卡门涡的周期性扰动等因素的作用下，很容易失稳并诱发振动。

关键词：水轮机；振动原因；处理措施

引言

水力发电机组作为一种大型的旋转机械，其转子运动涉及水力、机械、电气等多种因素，转子在实际运动中呈现出复杂的非线性特点。当振动超过一定限度时，不仅容易降低机组效率，同时也缩短了设备零件的使用寿命，严重时甚至会造成被迫停机等现象。

1水轮机振动类型

水轮机在运行过程中，机轴沿轴向或径向产生明显的周期性位移的现象称为水轮机振动。根据振动的原因、方向和部位，可以把水轮机振动分为各种不同的类型，如图1所示。

图1水轮机振动分类

其中，轴振动是水轮机振动最多的类型。轴振动又可以分弓状回旋振动和摆振两种。弓状回旋振动是转子中心线两端振幅为零，中部绕某一固定点作圆周运动，其形状投影呈弓形，因此得名，圆周运动的半径即为振幅。摆振时转子中心无圆周运动，只是在垂直平面上摇摆。

2水轮机振动原因

2.1机械因素

2.1.1转子不平衡

由于转子的不平衡，其重心就对轴心产生一个离心力。当轴以角速度旋转时，因为离心力的作用，产生一系列的变化使轴心绕重心作圆周运动，振幅就是回转半径，其特征是：振幅是随转速而变。

2.1.2机组轴线不正

当水轮机机组中机组轴线不正是指的是旋转中心、机组中心及轴线三者是否在一条直线上，最不好的是三者都不重合的状态。最经常发生的情况是轴线与平面不垂直和轴线在结合处曲折，由于轴线弯曲，得到一个离心力矩，从而产生推力轴承的轴向振动并且产生振摆。所以轴线不正，也是引起径向振动的原因。

2.1.3导轴承缺陷

导轴承缺陷主要是当机组间隙过大，或润滑又不良导轴松动，或轴承与固定止漏环不同心等都会产生干摩擦，使机组发生横向振动。

2.2水力因素

2.2.1转轮水力不平衡

若进入水轮机转轮的水流失去轴对称，就必然出现不平衡的径向力，这种情况就是水力不平衡，也会造成水轮机振动。造成水力不平衡的因素，通常有蜗壳形状不正确，不能保证轴对称；导叶开度不均匀，引起流入转轮水流不对称和转轮压力分布不均匀；转轮止漏环不均匀，造成压力脉动，产生横向振动；流道有异物堵塞等。

2.2.2尾水管中水压力脉动

水轮机在非最优工况下运行，旋转的转轮出口水流，会在尾水管中形成涡带，造成压力脉动，引起机组振动。经验告诉我们，运行在30%～70%最优负荷的混流式水轮机，其尾水管内的涡带表现为正向螺旋状涡流状态，这样一来，在尾水管内将会产生显著的压力脉动，其脉动频率大致为机组转速频率的1/3～1/5。尾水管压力脉动最大值出现在尾水管直锥段的上半部，此后，这种压力脉动必然沿水流方向逐渐减弱，最终在肘管后消失。尾水管压力脉动值一般小于水头的10%，但超大型水轮机尾水管压力脉动值有时大大超过水头的10%，甚至达20%～30%以上。这种压力脉动必然引起尾水管本身、压力钢管、顶盖和推力轴承等的振动，还会导致机组出力波动，严重的情况下有可能造成引水管道共振和厂房振动。

2.2.3卡门涡列

如果平行流动的水流中放置一个物体，而且这个物体是圆柱体的并顺垂直流向安放的，当水流速度不断提升至雷诺数Re≥3.5×106时，在这个圆柱物体的后面会出现两排平行的、按一定距离交错排列的、方向相反的涡列，我们把这种现象称为卡门涡列。在水轮机转轮叶片、导叶等过流部件的尾部，也有可能出现这种卡门涡列并引起振动。当转轮叶片尾部产生的卡门涡列频率与叶片自振频率接近时，叶片将产生共振，使转轮叶片严重损坏。

3水轮机振动处理措施

3.1水轮机振动的测量

3.1.1测量方法

采用百分表和压力表进行机组振动、摆度及压力脉动的测量是最常用的方法。一般在轴承支架和定子机座处设置振动测点及在各部导轴承处设置摆度测点，在尾水管等处增设必要的压力脉动测点等。计算机监测装置中，采用加速度传感器测量振动，测量摆度采用电涡流传感器，测量压力采用压力变送器，不仅具有幅值显示功能，而且具有波形和频谱分析功能，还可以进行离线或在线监测。

3.1.2试验工况

水轮发电机组振动、摆度、压力脉动的测量，应分别在空载无励额定转速、变转速、空载变励磁电流、空载有励额定转速、不同负载、调相等工况下进行。通过空载无励额定转速工况，可了解机组轴线与轴承间机械蹩劲力作用的大小；通过空载变励磁电流工况，可了解定子铁芯有无冷态振动；通过空载有、无励额定转速工况，可了解发电机电磁不平衡力作用的大小；通过不同负载工况，可全面了解机组运行的稳定性；通过变转速工况，可了解发电机转子重量不平衡力作用的大小；通过调相工况，可了解机组无水力作用因素下的运行情况。总之，水电机组振动、摆度、压力脉动的测量，应在各种不同工况下进行，并通过比较分析，区分各种不平衡力作用的大小，从而查找引起振动的原因，及时处理，保证机组的稳定运行。

3.2振动测试

3.2.1转速试验

使机组在各种转速下旋转，准确测量机组各轴承的振动和摆度值，发现振幅不大，改变转速对振幅影响不大，通过理论研究则消除了这些原因：轴线曲折，导轴承不同心，盘车摆度未调好等。

3.2.2励磁试验

在固定功率下让转子磁极增加励磁电流，发现振幅并不随之变大，则磁力不平衡这方面的原因是不可能的。

3.2.3调相试验

使运行机组转为调相工况，如果振幅减小很多，则水轮机的水力部分主要是振动的干扰力原因，若振幅没有什么变化，则干扰力主要是机组的机械部分和电磁部分。

3.3水轮机振动的消除

经查明振源和振动原因后，根据不同的情况采用不同的措施消除或减缓振动。常用的方法主要有以下几个方面。

（1）补气。轴心孔和尾水管补气，是目前最常用的方法，若下游水位超过设计尾水位，且吸出高度Hs≤－5m时，宜采用压缩空气补气或射流补气。

（2）尾水管直锥段加装同心圆导流栅。

（3）尾水管壁加装三角形阻水筋或稳流片。

（4）调整止漏环间隙，对于高水头混流式机组，有时需割除下梳齿来消除水力自激振动。

（5）改变叶型和在叶片间加支撑，可以改变叶片自振频率，消除或减弱转轮叶片卡门涡列振动。

（6）调整轴线或调整轴瓦间隙等。

结语

水轮机组运行过程中防止因振动产生的事故十分重要。如何监视机组振动，及早发现异常情况，需要丰富的实践经验和科学理论。使用者需要了解水轮机振动的原因、水轮机振动的防护措施、水轮机振动的处理方法，在维护检查工作中全面加强设备的动态管理，在运行过程中正确分析查找水轮机振动的原因，找出解决方法进行处理，才能确保水轮发电机组安全稳定运行。另外，在机组的安装调试过程中，应该对安装精度与质量引起高度重视，避免重复拆装。

参考文献

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