水轮发电机组振动问题-高技.doc

水轮发电机组机械振动原因及解决方法广东省电力技工学校 张希栋 摘要本文尝试分析水轮发电机组机械性振动的产生原因，并以典型事例介绍振动异常和振动过大，对水轮发电机的危害以及减振与消振的方法。关键词 旋转机械 水轮发电机组 机械振动 1 引言水轮发电机组振动异常和振动过大是影响机组安全运行，导致设备存在事故隐患的常见现象。机组的振动多与结构有关，立式悬吊机组的推力轴承在转子的上方，传动轴主要由：主轴上端密封装置（推力轴承、上导轴承等）、转子、下导轴承、联轴器、下端密封装置（水导轴承、顶盖与止漏环等）、导水机构、水轮机等构件组成。推力轴承由推力头和镜板组成动件（采用螺栓连接），推力轴瓦和上导轴瓦安装在瓦架支承体上，组成不动件，与机组上支架相连。由此可知，推力轴承担负着转轴自重和机组工作负荷，也就是说，转轴单边受力是导致机组振动的主要原因。本人在参加机组检修工作中，遇到一些水轮发电机组振动的典型事例，并且运用振动的相关知识，较好地消除了影响水轮发电机组正常运行的异常振动。在此着重讨论引起振动的机械因素及其危害和减振的方法。 2 振动原因分析及解决方法机组振动源主要来自于主轴旋转、电磁作用、水流体冲击和压力以及噪声。机组振动的干扰力主要有惯性力、摩擦力和其它力。振动的主要表现为机械磨擦和油膜振荡。在不考虑共振的情况下（可使工作转速避开临界转速来减小共振），机组振动的种类从故障发生的频率分析主要有轴线不正、转子质量不平衡和各种压力脉动产生的振动。一般特征是故障振动频率等于机组转动或整倍数的机组转动频率；从振动相位分析有相位不变化（同步）的强迫振动和相位变化（不同步）的自激振动或其它振动。 21机组轴线不正旋转机械中，最理想的是机组中心、旋转中心及轴线三者重合，但实际上三者完全重合是不可能的，只要控制在一定范围内，对设备安全运行和使用寿命不会造成太大危害。但是，一旦超出许可值，或处于临界状态，则对旋转机械的运行参数产生重大影响，导致事故增加甚至设备损坏。水轮发电机组轴线不正的表现形式主要来自两个方面，一是轴线与推力头底平面不垂直（即轴线倾斜），二是轴线在联轴器的法兰结合面发生曲折（或是主轴弯曲）。由于轴线倾斜或曲折，使机组转子的总轴向力不能通过推力轴承中心，而产生一个偏心力矩。随着转子的旋转，偏心力矩也同时旋转，使得推力头与镜板的联接螺栓和推力轴瓦各支柱螺栓承受的是脉动力，其脉动频率与转速频率相同，从而导致各个部件，特别是联接件的轴向和径向振动。当联接螺栓长期承受脉动力时，材料内部出现“疲劳磨损”而产生细微裂纹，这将导致存在发生严重事故的隐患。1989年底，长潭水电厂2号机组大修回装“盘车”时，就因推力头与镜板的联接螺栓内部有微细裂纹，测量推力轴承的振动“摆度”时，出现大于0.12mm许可值的情况。“盘车”第11天才找到“振动摆度”超差的原因，机组的经济效益受到一定的影响，更换联接螺栓再“盘车”后，摆度恢复控制在许可值范围内。25000.35南水水电厂3号机组同样因为轴线不正使得机组振动摆度超出许可值，导致机组推力轴承“烧瓦”和其它部件相互磨擦而造成事故停机的现象。3号机组安装时，就存在转子失衡（生产厂家在转子上嵌有配重块）和主轴偏离中心的问题，机组长期处于故障的临界状态运行，水导轴承几次“烧瓦”，主轴下密封装置与水轮机转轮上环经常磨擦，致使止漏水封和迷宫环磨损。经过检测，证实3号机组水轮机法兰端面与中心线不垂直，是导致主轴偏离轴线的主要原因。如图所示，当水轮机法兰端面至水导轴承处的长度为2500mm时，水轮机转轮水导轴承处通过相位测量，测得偏心距为0.35mm，法兰盘的接触直径为500mm，计算得出法兰端面的倾斜增量： tg1 = tg1 = 0.00014由三角形关系可知： = 1 法兰端面倾斜增量： = 500tg= 5000.00014 = 0.07mm由上述关系得知，振动摆度的大小与转轴的长度，推力头底面（或法兰端面）与轴线的垂直度有直接的关系。转轴越长，垂直度的要求越高，产生振动的可能性越大。由此可见，轴线不正是机组振动的主要原因之一，是影响机组安全运行的直接因素。当时本人担任水轮机工作面的负责人。根据联轴器“找中心”的工作原理及必要条件，向主管技术部门提出对水轮机法兰端面进行刮研修复的建议。这一想法经过专家的论证并得到大力支持。根据2.5兆瓦水轮发电机检修规程规定，水轮机水导轴承处的主轴单幅振动摆度不应大于0.14mm，取值0.1mm作为计算标准，则有：0.12500 tg1 = tg1 = 0.00004由三角形关系可知： = 1 法兰端面倾斜量： 1 = 500tg= 5000.00004 = 0.02mm刮削量余量为： 0.07-0.02 = 0.05mm 换言之，刮削时必须采取从最小增量的相位开始（刮削量等于0），逐渐向最大增量方向加大刮削量的方法进行刮削。第一等分线图二 法兰面等份及刮削基准点刮去0.05mm刮去0.04mm刮去0.03mm刮去0.02mm刮去0.01mm刮削前，水轮发电机组解体后将转子吊至维修间，搭好操作平台。准备1000600 mm的检测平板、红丹油、平刮刀和挺刮刀、千分表及表座等。步骤如下（见图二）：沿着刮削方向将法兰盘分为5等份（用划针划出等分线）设定法兰盘边缘为刮削起点 在第一条等分线与第二等份的相交处刮削0.01 mm的凹坑(以原法兰面为基准，打表测量)依次在每一等分线与另一等份相交处刮削凹坑(按 0.01 mm的刮削余量递增)由此确定各等份的刮削余量后,开始刮削。为了保证刮削平面的准确性，可在每一等份的范围内，多刮削几个基准点。刮削时，根据平面刮削的原则，先粗刮，再半精刮，精刮至每平方毫米1216个接触点。刮削处理回装后经过检测，机组各项技术指标完全符合要求。22 转子质量不平衡旋转机械的质量不平衡也是导致机组振动异常的主要原因之一。资料介绍，转子不平衡引起的故障约占机械全部故障的60%左右。转子不平衡的形式有静不平衡和动不平衡。静不平衡表现在转子垂直方向的同一相位，形成偏离轴线的偏心力。动不平衡表现在转子垂直方向的反向相位，形成偏离轴线的偏心力偶（也有在同一转子上，同时存在多个不平衡量的情况）。两者都会造成转子质量失衡离心惯性力，当转轴以角速度旋转时, 在失衡离心惯性力的作用下，轴的旋转产生弓状回旋，其中心偏离原来的轴线，轴心线的回转半径就是振幅，这种振动也叫振摆。其特征是：振幅的大小随旋转速度变化而变化。用公式表示为=()，升高，增大；反之下降，减小。当轴承间隙值确定时，振摆越大，主轴转动时偏离旋转中心，造成油膜厚度越不均匀，润滑和冷却效果劣化，主轴自定心作用下降，越容易造成各导轴承的失效而发生“烧瓦”的现象。由于静不平衡和动不平衡是由转子偏心质量m和偏心距e引起，而振幅与二者之间又是相互关联的，所以，只要改变偏心质量m的大小和偏心距e的位置，振摆的幅度随之发生变化。因此，旋转精度要求较高的机械，包括水轮发电机组的转子在投入使用前，必须做动、静平衡试验。如有失衡的现象，须加上配重块(偏心质量)或在偏重方向某一确定的位置（偏心距）去掉一些金属，就可减少失衡离心力对主轴旋转产生振动过大的影响。23 油膜振荡引起机组振动油膜振荡同样也会导致机组异常振动。80年代初，本人参与天井山林场小水电厂一台机组的第1次大修。按规程检修后回装试车时，机组出现瞬间强烈振动，振动烈度、摆度均超出许可值，轴承润滑油温迅速升高至60以上。常规检查找不出振动原因。为了考证是否属于油膜振荡，在测量轴心轨迹时，出现振动逐步增加，轴心轨迹变化范围也逐渐增大，且呈现紊乱的状态（正常转动时的轴心是按一定轨迹运动的，且变化范围较小），本人在参照有关资料的油膜振荡特征后，判断机组振动异常是由油膜振荡所引起。资料介绍，油膜振荡是“由于滑动轴承中的油膜作用而引起的旋转轴的自激振荡，可产生与转轴达到临界转速时同等的振幅或更加激烈。油膜振荡不仅会导致高速旋转机械的故障，有时也是造成轴承或整台机组损坏的原因”。国内外都有过由于油膜振荡而出现机组破坏的实例。油膜振荡是转子-轴承系统的失稳状态，引起油膜振荡产生的主要原因有：轴系结构设计不合理。结构不合理将影响转轴的刚度，造成转子偏心而影响临界转速，同时也影响转轴的载荷分布和挠曲程度以及影响轴承的工作条件和工作性能。 轴承负载不均匀。大型轴系安装时，是在转子不旋转的状态下，按制造厂家提供的挠度曲线和规范，调整轴承中心位置找正的。但在运行过程中，由于机组的热变形，转子在油膜中浮起，以及油腔真空度、地基不均匀下沉等因素的影响，轴系的“对中”情况发生变化，即轴的标高产生起伏。因此，动态下的机组轴承负荷重新分配，有可能使个别轴承过载，出现温升过高或“烧瓦”，个别轴承的负荷偏低，产生油膜振荡或其它异常振动。轴承润滑油温度变化。油温对油膜振荡有很大的影响，当其它条件不变时，油温高则油的粘度低，最小油膜厚度变小，轴承的工作点、油膜刚度和阻尼系数都将发生变化。一般情况下，油温高，最小油膜厚度小，偏心率增大，轴承不易产生油膜振荡。 轴瓦间隙。轴瓦间隙影响轴承的稳定性，一般地说，最小间隙越小，轴承工作越稳定。但轴瓦间隙过小，容易引起油膜振荡。 轴承的预紧力、支承座和基础的刚度等对轴系的稳定性也有影响。防止油膜振荡的方法有：增大轴承载荷；降低润滑油粘度；改变轴承间隙；改变轴承的结构形式等。前述机组根据现场条件，决定采取改变轴承间隙的方法，轴承间隙由0.1mm增至0.120.13mm，消除了开机时的振动过大现象。由此看来，各种旋转机械一旦发生不明原因的振动，应考虑油膜振荡的因素，采取相应措施，以免造成更大的经济损失。24 引起机组振动的其它机械性因素转子松动（如轴颈不圆、转子出现微细裂纹），轴承间隙过大，润滑和冷却条件不良，轴承与固定止漏环同心度超差，联轴器定位止口加工误差（造成联轴器同轴度或端面跳动超差），以及机械上有关部位的膨胀余量不足，使转子和轴承产生变形与油封、水封发生磨擦等等，都是造成水轮发电机组振动异常或振动过大的原因。因此，安装或检修机组时必须注意采取有效措施加以减振和消振。3 机组振动产生的危害水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有一定差异，除了机器本身转动或固定部分引起的振动外，尚需考虑发电机的电磁力以及作用于水轮机过流部分的流体动压力对系统及其部件振动造成的影响。振动是旋转机械不可避免的现象，若能将其振幅限制在允许范围内，就能确保机组安全正常运行。但较大振动对机组安全运行是不利的，会造成如下危害: 使机组各连接部件松动，各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至产生“扫膛”而造成部件损坏；引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂；尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝；当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，将发生共振，引起机组出力大幅度波动，可能会造成机组从电力系统中解列，甚至危及厂房及水工建筑物。机组振动产生的危害，最终导致经济损失。本文所举的两个事例：长潭水电厂1.25万功率的机组，延误十天工期，若按每天开机二十个小时计算，损失的发电量为1.252010250万（度）；南水水电厂2.5万功率的机组，水导轴承烧瓦一次至少需要抢修七天，若按每天开机二十个小时计算，损失的发电量为2.5207350万（度）；可见，水轮发电机组振动导致的危害会给国民经济带来不可估量的直接和间接损失。由于水轮发电机组振动过大会造成严重的经济损失，因此，水电厂生产管理、运行、检修人员必须根据每台机组的特点，优化运行参数，制订最佳运行曲线，采取相应的预防和消振措施。避免机组产生危害性的振动。4 结束语以上简单分析了水轮发电机组引起机械性振动的主要原因。随着水力发电设备