水轮机和发电机振动及主轴摆动的原因与对策.docx

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水轮机和发电机振动及主轴摆动的原因与对策

水轮机和发电机振动及主轴摆动的原因与对策

中国东方电气集团公司菊平

摘要综合介绍水电站水轮机和发电机振动及主轴摆动产生的原因与一般可以采取的对策。

关键词水轮机发电机振动主轴摆动原因对策

1引言

水轮机和发电机的振动及主轴摆动是水电站设计乃至运行维护中一个特别重大的课题。

它作为新机安装或者机大修试运时的动态质量评价，及为日常维护尽早发现异常和防止振动造成二次事故等均显得尤为重要。

基于上述情况，日本于80年代成立水力发电调查专业委员会，对本国9个电力公司及电源开发股份有限公司进行了关于振动和主轴摆动的管理标准、保护设备、振动和轴摆值的现状以及故障实例的调查，并参考制造厂资料及IEC、VDI的规范草案，作了下列主要内容的研究。

（1）主要原因及对策；

（2）管理方法和标准（含监视保护设备）；

（3）调研和解析方法；

（4）国际规范等动向；

（5）振动、轴摆实地调研。

调研范围是：

（1）水电站主要水轮机及发电机（含抽水蓄能机组）；

（2）不计电网振荡、控制设备、压力钢管及厂房引发的振动。

2产生原因及其对策

2．1起源于水轮机的振动

2．1．1尾水管内振动

2．1．1．1旋转水流引发的振动

从混流式水轮机转轮流出的水的方向在正常运转情况下几乎是轴向的，但当负荷比额定值大的时候（或者水头高的时候）则产生与转轮转动方向相反的旋转成份；而负荷比额定值小的时候（或者水头低的时候）则产生与转轮转动方向相同的旋转成份，于是在尾水管中心附近产生具有一定边界的旋转水流，尾水管出口水压低时（尾水位低时），旋转水流的中心出现低压形成空腔。

该旋涡中心在过负荷情况下大多比较稳定，而在部分负荷时则变成龙卷形，在尾水管内摆动和旋转。

其频率f通过在尾水管壁可以听见的“嚓”、“嚓”声或压力脉动不难测知，其值一般为：

f=n/60z

（1）

式中f——旋转水流的频率，Hz；

n——水轮机转速，r／min；

z——通常3～4，有些情况可取1．5。

尾水管内产生旋转水流的现象，在严重时会诱发压力钢管（当和钢管共振时）、厂房振动及电网振荡。

减轻这一危害的对策有在尾水管安装补气管；或如图1所示在尾水管水流方向安装翅片等。

2．1．1．2高尾水位部分负荷运行时的振动

尾水管内旋转水流的频率通常为水轮机旋转频率的1／3～1／4，但当尾水位高时，在导叶开度被极度限制的小范围（30％～40％）内，旋转水流的频率则接近于水轮机的旋转频率。

换言之，每一台水轮机都有适合于该水轮机的气蚀系数σ。

但σ过高时旋转水流的旋转就会加快，水压脉动亦增大。

图2～4是其一例。

图2中横轴表示气蚀系数σ，竖轴表示尾水管内旋转水流的频率f。

由图可知，导叶开度在45％，即使改变气蚀系数σ，旋转水流的频率也不变化。

但当导叶开度为30％时，旋转水流频率则发生大的改变。

图3和图4横轴表示导叶开度，竖轴为水压脉动、旋转水流的频率及旋转水流频率与水轮机转速之比。

从图3和图4也可看出，在导叶小开度情况下水压脉动及其频率有所增大。

水压脉动及其频率增大后，机组的噪声和振动都随之增大。

为了降低部分负荷运行时引发的振动，可采取在尾水管安装补气管等方法。

2．1．2气蚀引发的振动

气蚀严重的场合下设备往往会发生振动和产生噪声，图5是一例不同导叶形状的气蚀试验结果。

由图可见，当水流相对于导叶的流入角度超过3°时就会出现一个产生剧烈振动的区域。

此现象在真机上尤其发生在部分负荷运行时，有时伴随着“吧吧”、“咚咚”这类响声，诱发起尾水管的振动、转动部分的摆动等。

改善气蚀振动的方法通常是在尾水管内安装补气管，或修改转轮叶型（如图6）。

由气蚀造成的这类振动有些电站在导叶上也能观察到。

2．1．3卡门涡引发的振动

卡门涡是指在水流中放置圆柱、板之类的物体后，在圆柱、板等后面产生的比较规则的旋涡。

一旦产生了卡门涡，圆柱或板就将受到与水流流动方向垂直的交变力（见图7）。

卡门涡的频率f可由下式表示：

式中f——卡门涡的频率，Hz；

St———Strouhal数，St＝0．15～0．20；

v——流速，m／s；

t——圆柱直径或板厚，m。

如果卡门涡的频率与转轮轮叶或固定导叶的固有频率相等，又不采取措施，则会发出啸声或疲劳破坏。

卡门涡是否产生取决于水流中放置的物体的形状。

其频率取决于水流的速度，所以卡门涡引发的振动是流速达到一定程度共振条件成立时才发生的振动，故水轮机真机只在带某些负荷时才会发生这类振动。

防止这一现象的对策可以采取修正轮叶形状，或在轮叶之间设置支柱，以改变轮叶的固有频率等。

图8是修正轮叶形状之一例，图9是轮叶间安置支柱之一例。

2．1．4转轮进口压力波动引发的振动

2．1．4．1转轮轮叶数与活动导叶数相互干涉引发的振动

图10和图11表示活动导叶数为zg、轮叶数为zr的水轮机平面图。

在轮叶a从活动导叶b运动到下一枚活动导叶b’的过程中将产生压力波动。

假设转轮的旋转速度为n（r／min），则压力波的频率f可由下式来表示：

频率为f的压力波通过导叶之间传至蜗壳。

同样的现象对位于轮叶a旋转前方的轮叶a’亦然，轮叶a’通过导叶b’时产生的压力波前进了a·△t的距离。

这里a是压力波在水中的传播速度（m／s），△t是轮叶a’从导叶b’的位置运动到图示位置的时间（s）。

假设轮叶a’现在位置与导叶b’二者相位角之差为△θ，则

由此可见，当这一距离等于蜗壳中心线上的相位差2πR／zg时，则在各导叶产生的水压脉动将同时到达压力钢管的某一断面（如A—A断面）。

若这一条件成立，那么压力钢管、电站厂房及机组就将产生振动和啸声。

本现象在活动导叶数zg和转轮轮叶数zr相差1枚时，即

zg-zr＝1（6）

的情况下较易发生。

实际上相反的情况下，即zr-zg＝l时也有发生这种现象的例子。

此外，本现象随负荷增大振动更趋剧烈。

防止本现象的措施可以采取改变转轮叶片数量、加大轮叶和导叶间的距离等。

2．1．4．2转轮轮叶和活动导叶的间隔引发的振动

以上2．1．4．1中叙述的现象是由于导叶数与轮叶数相干扰而产生的现象。

当导叶尾部与轮叶头部间隔狭小时也会产生频率f为：

f=nzr/60（7）

的水压脉动，但与导叶和轮叶的数量无关。

随着负荷逐渐增大，由此引起的水轮机本身的振动、导叶的振动和压力钢管的振动也都会随之增大。

因引发这种振动的原因是导叶与轮叶之间的间隔过小，所以针对性措施应加宽二者的间隔。

2．1．5固定导叶后部紊流引发的振动

把物体置于水流中时，只要该水流并非是层流，那么在物体后面便会产生一定程度的紊流。

若在此紊流中放置另外的物体，那么该物体就会被该紊流诱发起振动。

在水轮机上这一现象可以在固定导叶与活动导叶之间观察到。

如图12所示，由于在固定导叶后部设置活动导叶，故活动导叶往往都会引发振动。

本现象一般发生在超过一定负荷运行的情况下，其频率不固定。

为防止发生此类振动，可以采取改变固定导叶和活动导叶相对位置；修正固定导叶尾部形状等方法。

2．1．6转轮迷宫形状引发的振动

图13是转轮迷宫结构示意图。

当迷宫结构如图13（A）时，可能会诱发主轴摆动。

其原因是，若在外部干扰下转轮偏向右侧，由于迷宫间隙关系，右侧背压空①的压力便会下降，而左侧背压空②的压力则上升，产生一个不平衡力矩使转轮的位移增大，振动亦随之增大。

这一现象被称作自励摆动。

而图13中（B）、（C）结构则不会发生这一现象。

因转轮迷宫形状造成的轴的横向摆动程度同主轴的刚度有关，当主轴的固有频率nc（临界转速）与所述摆动的频率一致时，这一摆动便会加剧。

防止发生此类摆动的对策往往可采取改变转轮迷宫的结构形状。

2．1．7转轮特性引发的振动

2．1．7．1水泵工况

水泵水轮机作水泵运行时，压力波动会引发机组振动。

本现象较多地发生在高ns混流式水泵水轮机及斜流式水泵水轮机上。

图14是水泵水轮机水泵特性的一个特例。

如图所示，容易产生压力波动的区域是在扬水量较小的工况区。

对于具有这样不稳定特性的转轮，如设其Q～H曲线为AB，低扬程运行时的运行工况点是AB线与管道损失曲线（静扬程十管路的水头损失）EF的交点④，随着静扬程的提高，损失曲线EF向CD上移，运行工况点也从④移动到③。

如果从该运行工况点进一步提高静扬程，那么即便想在交点③以上扬程运行，因Q～H曲线呈图示掉头形状，故必须通过流量比交点①低的曲线。

但是运行工况点从③移向①时，导叶开度仍保持在运行工况点③附近开度，故流量有增大要求，结果重新回到运行工况点③。

于是运行工况点就在③和①之间反复来回振荡，产生波动现象，扬水量和水压力起伏变化，造成机组难以稳定运行。

克服这一现象的对策是应避免Q～H曲线有向左下降的特性，缩小高扬程运行区域。

前者具体说应充分研究转轮内部流态，修正转轮的流道形状和轮叶的断面长度，或者修正转轮进出口部位的角度等，以改善其逆流、脱流、失速等有碍稳定运行的状况。

2．1．7．2水轮机工况

为降低抽水蓄能电站的成本，常有采取从一根压力钢管引出数台水轮机的布置形式。

在这种情形下，如果电站数台水泵水轮机都满负荷运行时要启动剩余的一台，则由于电站有效水头变得很低，该水轮机接近图15所示的小开度不稳定运行区域，有时就会出现在正流区和逆流区往复的现象，甚至出现机组并联困难的局面。

这种情况下将产生和上述水泵工况压力波动类似的现象。

本现象与转轮的水力性能、管路特性和运行方法等相关，防止措施有：

在转轮的水力性能方面设法使水轮机的设计工况点偏离其不稳定运行区；或者在规划压力钢管时设法减轻机组之间运行状态的相互干扰。

2．1．8水中落叶引发的主轴摆动

小型、高速混流式水轮机在有大量落叶混入水中情况下会产生主轴摆动。

这种摆动从空载至满负荷的任何工况下都会发生，但更多地发生在急升负荷途中的50％～80％负荷附近。

一般认为水中落叶引发主轴摆动的原因是落叶进入水轮机的转动部分与固定部分之间，使该处水流遮断，形成干摩擦所至。

过了落叶期这种摆动就会自然消失。

2．1．9脱流引发的振动

现在，为了降低电站造价，即便是长尾水管（尾水道）的水电站也常常省去了调压井。

对于这一类水电站，脱流现象就成了问题。

当机组甩负荷等原因使水轮机迅速停机时，因快速关闭活动导叶，在水轮机尾水管内便产生很大的压力降。

这时的静压如果降至水的饱和蒸气压以下，该处的水便会形成气泡而分离。

这便是所谓脱流现象。

问题是一旦分离后的水重新结合，便会产生巨大的压力，伴随着巨大的声响，使水轮机产生振动。

这种情况下的高压不仅限于尾水管，还会波及到压力钢管。

图16是由模型试验再现的该现象。

本现象随着理论解析的进步和计算技术的提高，辅以实验已能在电站规划阶段予以把握。

其预防措施可在靠近电站的尾水道上设置调压井，以及甩负荷时延缓调速器的关闭速度等。

（待续）