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引起水輪發電機組振動的原因
2025-05-15
水輪發電機組的振動與一般動力機械振動有一定差異，機組振動的現象是比較明顯的，但振源往往是隱蔽的，除了機器本身轉動或固定部分引起的振動外，還需考慮發電機電磁力以及作用于水輪機過流部分的流動壓力對系統及其部件振動的影響。
引起水輪發電機組振動的原因多種多樣，往往是幾種振源同時存在，通常認為使機組產生振動的干擾力源主要來自水力、機械和電氣三個方面，三者相互影響、相互作用，常常交織在一起，形成耦合振動。
水輪發電機組的一般振動不會危害機組，但當機組振動超過允許值，尤其是長期振動及發生共振時，對供電質量、機組使用壽命、附屬設備及儀器的性能、機組基礎和周圍的建筑物，甚至對整個水電站的安全經濟運行等，都會帶來嚴重的危害。
其危害性大致有以下幾類：
1)引起機組零部件金屬和焊縫間疲勞破壞區的形成和擴大，從而使之產生裂紋，甚至斷裂損壞而報廢。
2)使機組部分緊固部件松動，不僅會導致這些緊固件本身的斷裂，而且加劇被其連接部分的振動，促使它們加速損壞。
3)加速機組轉動部分相互磨損程度。如大軸劇烈擺動，可使軸與軸瓦的溫度升高，使軸瓦燒毀；發電機轉子振動過大增加滑環與電刷的磨損程度，并使溫度升高，使軸瓦燒毀，并使電刷火花不斷增大。
4)尾水管中形成的渦流脈動壓力，可使過水系統發生振蕩，機組出力擺動，使尾水管壁產生裂縫，嚴重時可使整體尾水設施遭到破壞。
5)水輪機組共振引起的后果更加嚴重。如機組設備與廠房的共振，可使整個設備和廠房遭到不同程度的損壞。
水力振動由水輪機水力部分的動水壓力的干擾造成的振動叫水力振動。產生振動的水力因素主要有：尾水管內低頻渦帶、卡門渦列、葉道渦引起的水力不穩定、過度過程中的不穩定現象、水力不平衡、空腔汽蝕、間隙射流(軸流式水輪機)等。
一、尾水管內低頻渦帶
尾水管內低頻渦帶是混流式水輪機和軸流定槳式水輪機在部分負荷時尾水管中出現的一種不穩定流動現象。水輪機在非設計工況下運行時，由于轉輪出口處的旋轉水流及脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內常引起水壓脈動。尤其是在尾水管內出現大渦帶后，渦帶以近于固定的頻率在管內轉動，引起水流低頻壓力脈動。當管內水流一經發生，壓力脈動就會激起尾水管壁、轉輪、導水機構、蝸殼、壓力管道的振動。
預防和處理措施：
1)優化水力設計。采用負傾角轉輪翼型、合理設計葉片出口環量分布規律、適當的上冠和泄水錐，對高水頭混流式轉輪可考慮采用帶副葉片的轉輪等。
2)避開振動工況區運行。
3)改變水流的流動和旋轉狀況；如加長泄水錐；加長尾水管錐段；加大尾水管錐角加阻水柵及隔板；控制渦帶的偏心距。
4)機組運行中對渦帶區進行適當補氣，一般采用自然補氣,必要時也可強迫補氣。
二、卡門渦列
當水流流經非流線型障礙物時，在出口邊的兩側出現漩渦，形成旋轉方向相反、有規則交錯排列的漩渦，進而互相干擾、互相吸引，形成非線型的渦列，俗稱卡門渦列。這種渦列交替地作順時針或逆時針方向旋轉，在其不斷形成與消失過程中，會在垂直于主流方向引起交變的振動力。當卡門渦列的頻率與葉片固有頻率接近時，葉片動應力急劇增大，有時發出響聲，甚至使葉片根部振裂。
預防和處理措施：
1)削減轉輪葉片或固定導葉出水邊的厚度,提高卡門渦頻率,避開共振;
2)在葉片間加支撐,改變葉片的自振頻率;
3) 水輪機設計階段,預測卡門渦列的頻率、葉片與導葉的固有頻率,使錯開卡門列渦和繞流部件頻率。
三、葉道渦引起的水力不穩定
混流式水輪機在偏離最優工況時，葉片進口的沖角增大,如果水流沖角過大，會導致葉片頭部脫流，形成葉道渦，進而可能產生中頻或高頻的水壓脈動。來流在設計水頭以上是正沖角，脫流發生在上冠葉片進口的背面；來流在設計水頭以下是負沖角，脫流發生在上冠葉片進口的正面。
而葉道渦就起源于偏離最優工況后上冠進口處的脫流,分為高水頭葉道渦和低水頭葉道渦。從水輪機模型試驗觀察是從轉輪葉片間流出來的,隨著水輪機工況變化,當2～3個葉片間同時開始出現可見的渦流,則認為在該工況下發生了葉道渦。
四、過渡過程中的不穩定現象
當水輪機工況發生變化時，會產生水力過渡過程，機組往往發生各種振動。水力過渡過程包括小波動和大波動過渡過程，在小波動過渡過程中，靠水輪機調速器調節能夠很快達到穩定，而大波動過渡過程中，如機組啟動、停機、負荷突然增減、甩負荷、同步調相、事故飛逸等過程中，通過水輪機的水流狀態必然更加紊亂、復雜，不但會引起水力不穩定現象，還可能在轉輪等部件上產生多種高頻動應力。
五、水力不平衡
具有位能和動能的水流通過蝸 殼的作用形成環流,再通過均勻分布的固定和活動導葉均勻作用于轉輪,并激發轉輪旋轉。由于加工和安裝誤差,使導水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時,作用于轉輪的水流失去軸對稱時就產生一個不平衡橫向力,引起轉輪振動,在空載或低負荷運行時振動強烈。
六、機械因素
水輪機和發電機兩者結構所造成的機組機械振動多種多樣, 主要有： 轉動軸系)質量不平衡、機組軸線不正或對中不良、導軸承缺陷或間隙調整不當、機組支撐結構或軸系剛性不足和軸密封調整不當等。
1.轉動部分質量不平衡
如果機組轉動部件(主要是轉子)在制造、安裝與檢修過程中存在質量不平衡，運轉中會產生強大的離心力，引起轉子弓狀回旋，增加軸承磨損，降低機械效率,形成轉子和軸承的振動，甚至引發破壞性事故。由于轉子質量不平衡，轉子重心與軸心產生一個偏心距。當主軸旋轉時，由于失衡質量離心慣性力的作用，主軸將產生彎曲變形。軸變形越大，振動也越嚴重。
2.機組軸線不正或對中不良
由于轉子、轉輪幾何中心偏離旋轉中心，運行中會產生橫向及縱向振動，直接形成回旋對推力軸承、導軸承均構成威脅，還能增大離心慣性力，兩者都使振幅增大。對新投產的機組，一般不會由于軸線不正而引起劇烈振動，但對于運行一段時間后的機組，由于某種原因使軸線改變，如推力頭與軸配合不嚴密、卡環不均勻壓縮、推力頭與鏡板間的墊變形或破壞等，都會引起機組振動。
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