水轮发电机振动原因分析完稿.doc

水轮发电机振动原因分析黑河塘运行维护项目部 马波摘 要：以黑河塘电站2F机组为例，浅析了水轮发电机振动的原因、危害以及黑河塘水电站2F机组振动变大原因分析及整改建议。关键字：水轮发电机 振动 黑河塘电站2F机组1 水轮发电机振动概述水轮发电机组的振动是以水轮机为原动力，水的能量是激发或维持机组振动的最根本能源。它既可直接激发并维持机组的振动，也可间接激发或维持机组振动。从振动的发生的情况看，有的是水轮机本身的水力特性所决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的。发电机是将水轮机的机械能转换为电能的装置，在转换过程中，由于某些方面如设计、加工、安装或参数配合不当也会引起发电机的磁振动。从结构上讲，水轮发电机组可以分成两大部分：转动部分和固定、支持部分。它们中任何一个部件存在机械缺陷时都可能引起机组的振动，而这些缺陷可能是由设计、加工、安装等任何一个环节所引起。因此，一般来说水轮发电机组有四大振动部件：上机架、下机架、顶盖、转动部分；异常情况下还有其它振动部件，如定子铁心等。 2 水轮发电机振动的类别2.1 水力因素振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性,且当机组处在非设计工况或过渡工况运行时,因水流状况恶化,机组各部件的振动亦明显增大。产生振动的水力因素主要有:水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。2.1.1水力不平衡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。2.1.2 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。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。2.1.3 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。2.1.4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、俗称卡门涡列如，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。2.1.5 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,2.2 机械因素振动的机械因素系指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其它力。其特征是振动频率等于机组的转动频率或整倍数的机组转动频率。引起振动的机械因素主要有:转子质量不平衡;机组轴线不正;导轴承缺陷等。2.2.1 机组轴线不正由于轴承中心线偏斜或偏移、转子的弯曲、转子与轴承的内隙以及承载后转子与轴承的变形等原因都将引起轴线不对中。其影响是：产生不平衡离心力；增大转子弓状回旋半径；引起迷宫中较强的压力脉动，有时还会引起机组的自激振动。有的电厂运行检修经验表明，有些不对中的情况还会产生两倍频的附加径向力和摆度，还会有一个转频的附加轴向力作用在推力轴承上。2.2.2 轴瓦间隙大其它条件不变时，轴瓦间隙的大小直接决定转子弓状回旋半径，（基本规律是：间隙有多大，摆度幅值就有多大）；降低转动部件的临界转速。2.2.3 轴承缺陷当导轴松动,或间隙过大润滑又不良,或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦,引起机组的横向振动。2.2.4 推力头松动推力头松动指推力头内孔和轴颈间存在间隙。当推力头松动时，机组振动、摆度的特点为：机组运行时的动态轴线姿态会发生突然变化，机组的振动、摆度忽大忽小，呈不稳定状态。而且，推力头松动也会给机组盘车带来困难。2.3电磁因素振动的电磁因素系指振动中的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。2.3.1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=(),励磁电流增加,振幅增大。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。2.3.2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 水轮发电机组振动的危害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是不利的,会造成如下危害:3.1 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;3.2 引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂;3.3 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。4 黑河塘电站2F机组振动情况4.1 黑河塘电站2F机组开机试验情况黑河塘电站开机时邀请四川电力试验研究所对机组进行了稳定性验收试验，试验使用德国申克公司一体化电涡流位移传感器及9200 型电涡流位移传感器18套、WT-3型微调装置18套、FTS2000 水力机组现场综合测试仪1套、自主研发的数据采集和水力机组振动分析系统1套，试验过程中先后配重34kg，有效的消除了机组的动不平衡。机组试验时测点布置如下：推力轴承处摆度（简称推力摆） -Y 一点取高点上导摆度（简称上导） -Y，-X 各一点取高点下导摆度（简称下导） -Y，-X 各一点取高点水导摆度（简称水导） -Y，-X 各一点取高点上机架水平振动（简称上平） -Y，-X 各一点取高点上机架垂直振动（简称上垂） -Y 一点定子水平振动（简称定平） -Y 一点下机架水平振动（简称下平） -Y，-X 各一点顶盖垂直振动（简称顶垂） -Y 一点图表 1 黑河塘电站2F稳定性试验数据单位：m工况推力上导下导上平上垂定平下平顶垂配重后空转152.7153.955.513.912.88.112.56配重后空载117176.676.1113.111.29.6116.150负荷50194.9104.210.217.810.814.46.1100负荷42.9196.5100.711.87.49.819.464.2试验结论4.2.1 机组轴线调整不太理想，上导存在原始摆度约150m，通过试验处理亦无法消除。4.2.2 在发电机转子上平面共加配重34kg 后，有效地消除了机组的动不平衡。4.2.3 机组磁力不平衡不明显。4.2.4 在目前运行水头下，机组无明显低频水力振动区。4.2.5 机组上、下导轴承存在二次间隙，运行一段时间后瓦隙扩大，经振动处理并重调瓦隙后机组运行稳定，各振动、摆度均在规程要求的优秀范围内。4.3 黑河塘电站投运后振动情况黑河塘电站机组用北京英华达公司研制生产的EN3800大型旋转机械振动监测故障诊断专家系统，该系统是基于计算机和单片机的集散型主从分布系统，可以自动采集、记录和分析与水轮发电机组安全有关的主要状态参数，包括振动、转速、轴位移、胀差、偏心、功率等，快速准确地把握机组的运行状态。整个系统由网络集成，采用积木式模块化结构，是集实时数据采集和处理、在线数据分析和储存、完备的分析功能和故障诊断于一体。它可以及时捕获振动故障原始信息，预告故障的存在和发展。运行人员对每天机组的运行情况进行了记录，2F机组在投运前半年机组振动稳定，但在投运半年后温度有明显的增大，4.3.1 2F机组测点布置说明如下：具体数据如下：上导+X、上导+Y、上机架水平、上机架垂直、下导+Y、下导+X、下机架水平、定子水平、定子垂直、水导+Y 、水导+X 、顶盖垂直，下表中每组导轴承去两点中最大值4.3.2黑河塘电站2F机组摆度数据表及趋势图图表 2黑河塘2F机组112月摆度统计单位：m时间上导上机架下导下机架定平定垂水导顶垂1月22871131161417229362月2005691182523156213月19752162161627229334月20825149191623253355月23153143222523250406月25052233292014222277月37055299312829211388月41432336292128218569月421493492423221713510月427583362728301663511月324352472728271632412月3405227627201814453图表 3 黑河塘电站2F机组摆度趋势图4.3.3 从趋势图3可以看出，黑河塘电站2F机组在运行半年后，上导、下导摆度明显增大，而从电站的负荷情况来看，进入7月以来电站来水量增大，进入汛期，长期在高负荷段运行，也是机组摆度增大的主要原因之一。图表 4黑河塘2F机组712月不同工况摆度统计单位：m负荷上导上机架下导下机架定平定垂水导顶垂0MW270242672422131432420MW424213462121161104030MW431223602423131501343MW3782232124251216326图表 4 黑河塘电站2F机组712月不同工况摆度趋势图 4.3.4 从图可以看出，2F机组在进入下半年高峰负荷后，摆度在机组的不同工况 下变化也较大，在振荡区（40%70）内摆度较大5 振动原因分析5.1 水力方面因素：运行水头稳定，各种水力方面情况在前半年后半年无明显变化，水力方面对机组摆度增大影响不大。5.2 机械方面：黑河塘电站安装质量不甚理想，留下不少问题在开机试验时已给出轴线调整不太理想，上导存在原始摆度约150m的结论，从数据可以看出，下导在运行半年后原始摆度也将比投产时有所增大。