水轮发电机组的振动及其危害

摘偠：随着社会的进步与发展水轮发电机组的安全、经济运行在电厂已经越来越重要,水电企业对水电机组的状态监测与故障分析技术提出叻更高的要求。本文概述水轮机叶轮稳定性的重要性、机组振动的机理、机组振动的危害以及机组故障的诊断加深我们对机组安全运行嘚认识。

能源是社会发展的物质基础是国民经济增长的支撑和动力。能源不仅与人类的发展紧密关联而且在社会经济发展中发挥着不鈳替代的作用。当今我国能源消费结构中化石能源仍占主导地位，能源的有限性与需求的日益增长之间的矛盾愈演愈烈能源成为制约社会经济发展的瓶颈。在这种情势下水电作为可再生能源开始登上历史舞台并占据重要地位。全球能源消耗预计从2010年的1.1743×10亿吨到2035年的1.7517×10億吨约增加了1.5倍目前化石燃料消耗大约占有90%。由于化石燃料的不可再生以及对环境和健康的影响，改变自然资源和清洁能源必须进一步挖掘在未来水力发电占全球电力供应的15%，是可再生能源和可持续能源的主要贡献者

水轮机叶轮是任何水电站的心脏，它将水的势能轉化为机械能水轮发电机组是水电厂最关键的主设备，它的安全运行是水电厂确保安全、优质、经济发供电的根本保障直接关系到电網的安全稳定运行，决定着水电厂的经济效益和社会效益研究表明，水轮机叶轮内部湍流脉动诱发的水力稳定性问题是决定机组运行稳萣性的最主要因素事实上，水电机组在运行过程中除因水力不稳产生振动外也经常由于机械和电气等方而的原因而产生振动。据统计水电机组约有80%的故障或事故都在振动信号中有所反映。所以研究水电机组的故障诊断方法和对水电机组的振动故障进行智能诊断，对提高我国水电机组故障诊断水平缩小与国外同类技术的差距都具有十分重要的意义。

随着水轮发电机组单机容量和结构尺寸的日益增大机组运行的稳定性成为亟需研究的科学和工程问题。深入分析水轮发电机组振动的机理能够更好的保证其运行的可靠性有效避免或者減轻振动故障对机组可能产生的危害。认识水轮机叶轮的振动至关重要具有重大现实意义。

从振动发生的情况看有的是水轮机叶轮本身的水力特性决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的机组运行过程中，由于某些方面如设计、加工、安装或参数配合不当也会引起發电机的电磁振动从结构上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，它们中的任何一个存在机械缺陷时都可能引起機组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。常规情况下机组有四大振动部件:上机架、下机架、顶盖、转動部分，异常情况下还有其它部件如定子铁心等。水轮发电机组由于受力、约束和旋转运行设备的振动是不可避免的。振动参量是反映水电机组运行状态的重要参数同时异常的振动也是损坏设备的重要原因之一。根据水电机组特性可将引起振动的振源划分为水力、機械、电气三个方面的因素来分别研究。

引起机械振动的主要原因有:大轴在法兰处对中不良连接不紧或固定件松动而造成大轴有折线，從而引起的振动;机组转动部分因质量不平衡、弯曲或零部件脱落等造成的振动;机组转动部件和固定部件的摩擦、导轴承瓦间隙大或推力轴承的推力轴瓦不平和推力头松动等原因引起的振动机械缺陷或故障引起的振动有共同的特点，其振动频率为转频或转频的倍数不平衡仂一般为径向或水平方向。

电磁振动分为两类:即转频振动和极频振动引起转频振动电磁方面的原因主要是转子绕组短路、定子和转子间氣隙不均匀、不对称工况运行、磁极的次序错误造成磁路不对称引起磁拉力的不平衡从而产生振动;定子铁芯松动引起100Hz的极频振动。

水力因素会引起机组振动、摆度增大振频随振源的变化而不同，如涡带偏心振频为1/2-1/6转频:卡门旋涡振频与叶片出水边相对流速、出水边厚度有关汽蚀振频为高频等。水力振动主要有:卡门涡列引起的振动;尾水管涡带引起的振动;水封间隙不等引起的振动;蜗壳、导叶和转轮水流不均匀引起的振动;压力管道中水力振动;狭缝射流、空腔汽蚀引起的振动;协联关系不正确引起的振动等从以上分析可见，水轮发电机组的振动与眾多因素有关振动的特征反映了机组的工作状态和故障情况。不同因素引起的振动都有其不同的特征表现。这些特征除了与振幅、振頻有关外还与机组负荷、励磁电流、水头等因素有关。

振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机叶轮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祝恶化，机组各部件的振动亦明显增大由于单位体积水流的能量取决于水头，所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱高水头、低负荷时振动相对而高较为严重。常见的由水力原因引起的水轮机葉轮振动有以下几种:

（1）尾水管中水流涡带所引起的压力脉动诱发的水轮机叶轮振动混流式水轮机叶轮在偏离最优工况运行时，尾水管Φ将出现涡带由此引起水轮机叶轮振动，并伴有响声常发生在30%~60%额定负荷范围内。强烈的涡带可能引起厂房振动;若由涡带引起的尾水管Φ的低频压力脉动频率与引水管固有频率接近则可能引起引水管强烈振动:如果压力脉动频率和水轮机叶轮的转频接近，则可能引起功率擺动如凤滩、拓溪、狮子滩、刘家峡等水电站均存在涡带引起的振动，常在转轮出口附近的尾水管上部装十字架补气装置或轴心补气，还有采取加长泄水锥或加同轴扩散形内层水管段;近年来一些大中型水电站在尾水管入口处加装导流瓦和导流翼板等都可使涡带引起的振动减轻或消失。

（2）卡门涡列引起的振动当水流流经非流线型障碍物时，在其后而尾流中分裂出一系列变态漩涡即所谓卡门涡列。這种涡列交替地作顺时针或反时针方向旋转在其不断形成与消失过程中，会在垂直于主流方向引起交变的振动力当卡门涡列的频率与葉片固有频率接近时，叶片动应力急剧增大有时发出响声，甚至使叶片根部振裂卡门涡列一般发生在500lc额定出力以上的某种工况，如浙江的黄坛口、湖南的水府庙、江西的洪门等水电站均发生过卡门涡列振动采用改变卡门涡列频率或叶片固有频率的办法，可以减轻卡门渦列振动如将叶片出水边削薄或改型，有可能使止背两而构成的交流漩涡抵消或削弱;同时提高了卡门涡列的振动频率使其远离叶片自振频率，避免共振但是叶片削薄改型部分不宜太长，否则会影响翼型的特性降低效率;尾端圆角应满足强度要求，不应太小水府庙水電站采用在叶片之间加焊支撑钢管，也可以改变叶片的自振频率避免疲劳裂纹。

（3）转轮止漏间隙不均匀引起的振动为了减少高水头沝轮机叶轮转轮的容积损失，通常采用梳齿形止漏装置但当结构不合理或间隙过小时，即使主轴很小的偏心或止漏环少量的几何形状误差(如椭圆度、不均匀磨损等）都会引起间隙内压力的变化和波动。间隙大处其流速较小而压力较大间隙小处则相反，因而造成间隙内嘚压力不均匀分布和侧向水推力引起转轮偏心变大和振动，其振动频率与止漏环偏心运动的频率相同实践证明，适当增大外止漏环间隙可使转轮偏心运动对转轮背压和止漏环间隙中压力的影响明显减弱，从而减小振动如渔子溪4号机运行半年出现振动过大，后将上下圵漏环间隙由1 mm增加到2.5mm振幅减小在规定范围内。

（4）冲击式水轮机叶轮尾水上涨引起的振动正常时，冲击式水轮机叶轮的尾水位与转轮必须保持一定距离尾水应无压流动。如果尾水渠雍水同溅到水斗上扰乱水头与射流的止常流程，也会引起机组效率下降和振动此外，运行时处于转轮附近的空气会被高速射流带走并从尾水渠中排出，机壳上的补气孔太小或冒水就有可能使尾水位抬高甚至淹没转轮使尾水形成有压流动，不仅产生强烈振动而且危及机组安全。此种情况下可采用扩大尾水渠断而或增加机壳补气量的方法来消除振动。

除上述几种常见的水力振动外其他水力振动还包括:进水口拦污栅被杂物堵塞激发的脉动:杂物进入水轮机叶轮转动与固定部件之间，引起断流或流量突变而振动;在不设调压井的长尾水系统电站中甩负荷工祝会出现水柱分离现象造成振动;转轮室内流场不稳定可能引起控制系统振动，导致压力脉动使出力在某一范围内摆动，利用单导叶接力器可以避免机组在导叶不同步的范围内运行

引起水轮机叶轮振动增大的原因很多，也可能是几种原因同时作用造成的甚至产生相互加剧的连锁反应，在未找到原因前应避开在振动区运行。尤其是机組向高比转速、大容量方向发展单机容量增大，机组结构尺寸增大为减少金属用量，机组刚度相对地降低振动问题将更加突出。为提高水电厂的安全性、经济性和可靠性必须对机组振动问题加强调查、研究和总结，提出相应的措施以提高水电设备的设计制造水平囷水电厂的安全经济运行水平。

水轮机叶轮运行中出现振动是常见的现象但不允许超出振动值。若能将其振幅限制在允许范围内就能確保机组安全止常运行。但较大振动对机组安全是不利的会造成如下危害:

（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苼摩擦甚至扫膛而损坏; 如大轴剧烈摆动可使大轴与轴瓦摩擦加剧温度升高导致轴瓦烧毁;发电机转子振动过大将增加滑环与电刷磨损程度，致使电刷产生火花并不断增大甚至发生发电机组着火事故

（2）引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂;

（3）尾水管低频压仂脉动可使尾水管壁产生裂缝，严重时可使整体尾水设施遭到破坏。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 水轮机叶轮组振动故障诊断

机组振动不可能仅僅是由于单一的原因引起的，也不可能是一个简谐振动而是由一些简单振动合成的复杂振动。只有把复杂振动分解成一些简谐振动再汾析各简谐振动产生的原因，方可找出产生复杂振动的主要原因和各种次要原因分清了主次，也就可以比较完善地解决振动问题

1）、艏先使导叶关闭，机组转为调相运行如果这时振动值减小很多，则干扰力源主要就是水轮机叶轮的水力部分;如果振动值没有什么变化則干扰力源主要是机组的机械部分和电磁部分。

2）、拆开主轴和法兰联接脱开水轮机叶轮转子，使发电机单独以同步电动机方式运行洳果此时振动消失，干扰力必定是机组的水轮机叶轮部分;若振动的振幅变化不大其频率基本不变，则振动产生的原因就是发电机的问题叻

当然水轮机叶轮故障诊断还要在实践中具体问题具体分析，此外水轮机叶轮模型试验是研究真机水力稳定性的重要手段。尽管现在巳经具备对水轮机叶轮进行较准确的数值模拟及性能预测的手段及仿真技术但是最终仍需进行模型试验来确定模型转轮的能量特性、汽蝕特性以及水力稳定性等。对于已运行的机组通过模型试验可以模拟电厂的运行工况以研究真机运行的各种特性。通过对电厂的模型机組进行多方面试验研究的结果表明转轮的能量特性较差;在小开度下，模型机组尾水管内存在较大的低频压力脉动;不同形状的泄水锥对模型机组尾水管的低频压力脉动有较大的影响;针对具体情况采用不同的补气方法可减轻机组的振动。

机组异常振动的原因分析产生异常振动的根源，最后合理解决由于机组异常振动引起的问题在机组实际运行中遇到机组的异常振动，不能只看表面现象片面地分析问题，而必须运用科学的试验和分析方法根据试验中的各种参数和征兆，找出振动的原因有针对性地进行处理。如何防治机组的振动关鍵在与搞清水轮机叶轮组的结构与监测，只有严密监测和充分熟知了机组的工作状况才能确保机组安全、高效、稳定运行。机组若发生叻超过允许值的振动就必须尽早设法减少其振动值甚至必须停止机组运行，为此必需对振动情况进行定性定量分析，找出振动的具体原因以便对症下药，具体地解决它以防机组发生严重破坏性事故的不良后果。

(来自一位研究生的报告）

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49(Je3A3250).在水轮机叶轮调节系统中被称莋调节对象的是( )。

(A)引水系统；(B)水轮机叶轮；(C)发电机；(D)引水系统、水轮机叶轮、发电机

50(Je3A3251).轴流转桨式水轮机叶轮转轮汽蚀与混流式水轮机叶輪转轮汽蚀比较( )。

(A)透平油；(B)水；(C)一定压力的透平油；(D)一定压力的水

52(Je3A3253).分块瓦导轴承在轴瓦修刮时，检查接触面积能否达到85%接触点能否达箌( )

53(Je3A4254).压紧式周围密封的蝶阀活门在全关时要有( )的倾斜角度。

54(Je3A4255).机组扩大性检修前或后进行盘车目的是( )。

(A)全面检查机组检修质量；(B)检查机组转動时受力是否平衡；(C)检查发电机转子间隙；(D)判断轴线质量是否合格

55(Je3A5256).当机组轴线与其旋转中心线重合时，主轴在旋转过程中将( )

(A)产生摆度；(B)振动；(C)不产生摆度；(D)不振动。

56(Je3A5257).关于水轮机叶轮导叶设计开度值叙述正确的是：( )。

(A) 水轮机叶轮导叶设计开度值的大小与转轮直径D1成正仳，与导叶数目Z0成正比； (B) 水轮机叶轮导叶设计开度值的大小与转轮直径D1成反比，与导叶数目Z0成反比； (C) 水轮机叶轮导叶设计开度值的大小与转轮直径D1成正比，与导叶数目Z0成反比； (D)水轮机叶轮导叶设计开度值的大小与转轮直径D1成反比，与导叶数目Z0成正比

60(Jf3A3294).用于捆绑设备的鋼丝绳的安全系数是：( )。

61(Jf3A4295).工作如不能按计划工期完成必须由( )办理工作延续手续。

(A)工作票签发人；(B)工作负责人；(C)值长；(D)总工程师

62 当主轴轉轮吊放在基础环上时，调整主轴法兰面的高程应比设计高程( )15─20mm以免发生电机转子吊入机坑里时与水轮机叶轮主轴相碰。 A.低 B.等于 C.高

63 如导葉在水轮机叶轮运行时会被顶起则导叶上端面间隙应调为实测总间隙的( )，下端面间隙应调为实测总间隙的( )

64 水导轴承安装时，水轮机叶輪的转动部分( )

A.处于转动状态 B.处于固定不能任意移动状态 C.处于停止自由状态

65 无操作架传动机构的转轮组合时，转轮体( ) A.应倒置 B.不必倒放 C.应傾斜放置

66 有操作架的转轮，在( )时不便于吊装转臂连杆等一般将转轮体( )安装。 A.正置 B.翻身倒置 C.倾斜旋转

67 对于混流式水轮机叶轮来讲座环是整个机组的安装基准，尤其对座环的( )误差要小 A.中心 B.高程 C.水平

68 对于自关闭导叶处于全关闭状态下，测量导叶与限位块之间的距离是否在( )mm之內否则

69 同步发电机利用( )原理工作。

A.电磁感应； B.能量守恒； C.热传导； D.机械

70 只承受弯矩作用而不传递扭矩的轴件，叫做( ) A.转轴； B.传动轴； C.惢轴； D.曲轴。 答案:C

71 材料力学中物体的变形有( )种基本变形形式。 A.4； B.5； C.6； D.7 答案:B

72 根据水力机组布置方式不同，水轮发电机可分为( )两类

A.悬型囷伞型； B.立式和卧式； C.反击式和冲击式； D.同步和异步。

73 水轮发电机组停机时如在转速低于35%ne时不加闸制动，长期低转速运转将对机组造荿的主要危害是( )。

A).多耗水不经济； B.导水机构容易被汽蚀； C.损坏推力轴承及导轴承； D.引起推力瓦的磨损。

74 为了拔键省力在开始拔键前0.5h左祐，从磁极键槽向下倒些( )以浸润两结合面的铅油 A.汽油； B.柴油； C.煤油； D.清油。

75 串联电路中各负载( )相等。 A.电压； B.电流； C.功率； D.电阻

76 并联電路中，各负载( )相等 A.电压； B.电流； C.功率； D.电阻。

77 使用百分表时测杆的触头应( )被测零件的表面。 A.平行； B.垂直； C.接触于； D.靠近

78 孔的上偏差大于轴的上偏差的配合是( )。 A.过盈配合 B.间隙配合 C.过渡配合 答案:B

79 钳工用的低速手动工具如锉刀一般用( )制造。 A.碳素工具钢 B.高速钢 C.硬质合金 D.优質钢 答案:A

80 影响转浆式水轮机叶轮转轮叶片外缘与转轮室壁的间隙原因是( ) A.汽蚀 B.泥沙磨损 C. 负荷经常变动 D.补焊后打磨不符合要求 答案: A、B、D

81 轴流轉桨式水轮机叶轮叶片外缘与转轮室壁的间隙应该( )。

A.稍大些 B.考虑容积效率所以愈小愈好 C.不同水轮机叶轮有不同允许值 答案: C

82 水轮机叶轮线型特性曲线中，主要包括( )

A.模型(主要)综合特性曲线 B.运转特性曲线 C.工作特性曲线 D.运转综合特性曲线 答案: B、C

83 指导水轮机叶轮安全经济运行的理論依据水轮机叶轮特性曲线是( )。 A.转速特性曲线 B.工作特性曲线 C.运转综合特性曲线 答案: C

85 导叶立面间隙测定是在接力器( )导叶( )状态下进行的

A.有油壓、全开启 B.有油压、全关闭 C.无油压、全开启 D.无油压、全关闭 答案: B

86 金属之所以是良导体是因为一切金属( )

A.内部存在大量的自由电子 B.内部电子比其它物质多 C.内部的电荷多 D.以上说法都不对 答案: A

87 金属导体的电阻与( )无关

A.导体的长度 B.导体的材料 C.导体的截面积 D.流过导体的电流 答案: d

88 下面说法错誤的是( )

A.自感是电磁感应的一种 B.电路中有感应电流必有感应电势存在 C.互感是电磁感应的一种 D.电路中产生感应电势必有感应电流 答案: D

89 电源为三角形连接时，线电压是相电压的( ) A.1倍 B.答案: A

90 两个点电荷之间的作用力由下列哪个定律确定( ) A.万用引力 B.库仑定律 C.能量守恒 B.电磁感应 答案: B

91 悬式“三导”结构机组中通常用( )作为盘车限位轴承。

92 电力变压器的容量指的是( )

93 变压器在运行中，温度最高的部位是( ) A.引线； B.变压器油； C.线圈； D.铁惢 答案: D

94 变压器在运行时，散热器中油的流向是( )

A.以上到下； B.以下到上； C.方向不定 答案: A

95 一般运行中的大型变压器油是( )。

A.直接与大气接触； B.通過吸湿器与大气接触； C.不与大气接触 答案: B

96 变压器的铁芯必须接地其接地点只能是( )。 A. 一点； B. 两点； C.按容量选择 答案: A

97 只有闸门全部淹没在水媔以下时其静水压强分 布图才是个＿＿＿。

98 任意断面总水头等于上游面总水头＿＿两断面间 的总水头损失

99、对于轴流转桨式水轮机叶輪,水力损失主要集中在( )。 A.转轮 B.导水机构 C.尾水管 D.涡壳 答案：B、C

二、判断题(正确的请在括号内打\√\错误的打\×\，共104题) 1(La3B1024).逆时针旋转旋入的螺紋为右螺纹。( )

2(La3B2025).零件图是指导生产组织活动的依据是加工制造和检验零件的重要技术文件。( 答案:√

3(La3B3026).任何一种热处理工艺都由加热、冷却两個阶段所组成( ) 答案:×