水轮发电机组振动产生的原因分析
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摘 要：本文从大湾二级电站#1水轮发电机组振动超标的故障出发，阐述水轮发电机组常见振动现象、振动原因及振动判断方法，为水电站生产管理、运行、检修人员提供参考意见，以便制定出相应的预防和消振措施。
关键词：水轮发电机组 振动原因 分析
中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2020）06-0-01
一、概述
大湾二级电站总装机容量为3×2096.5KW。水轮发电机组由南宁发电设备总厂生产，机组设有上导轴承、推力轴承、水导轴承。机组的上导轴承、下导轴承和推力轴承均采用油浸式自循环冷却方式。
#1机组于2017年3月份开机后，机组振动在规定范围之内，连续运行两个月后机组径向振动开始增大，最大达到65μm。8月份检修时我们对下导轴承轴瓦间隙重新进行了调整，调整后轴瓦间隙均符合检修标准。检修后机组在空载情况下，导轴承和推力轴承温度均匀正常再次开机运行，机组振动降到规定范围之内。运行到9月底振动再次升高，达到67μm。
二、水轮发电机组振动过大的危害
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，就能确保机组安全平稳运行。但较大振动对机组安全是不利的，会造成如下危害：
a）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碰撞而损坏;
b）引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂;
c）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。
三、水轮发电机组振动产生的原因
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。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言较为严重。
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。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。
2.1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，实际中三者完全重合是不可能的，但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。一旦超出许可值，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（即轴线傾斜），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。
2.2转子质量不平衡
转子质量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。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Y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。
2.3 镜板不平
镜板不平主要是由于加工和安装上的缺陷所造成的，其特征为摆度波形上有明显的2倍频。
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。
2.5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。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”。引起油膜振荡的主要原因有：轴系结构设计不合理、轴承负载不均匀、轴承润滑油温度变化及轴瓦间隙等。
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。
经过认真的分析和讨论，认为#1机振动超标的主要原因是机组轴线不正，因为一般情况下运行时间较长的机组振动过大的原因只有两个，一是大修后机组轴瓦间隙没有达到标准规定值。二是镜板不平。#1机组轴向振动较小，在规定范围之内，所以只有第一种情况，就是在8月份停水期间，仅调整下导瓦间隙是不够的，还必须调整水导瓦，才能保证机组轴线中心，从而使振动在要求范围之内。针对此种情况，冬季机组停运后，我们对上下导瓦和水导瓦间隙重新进行了调整，机组启动后振动在规定范围之内，运行正常。
结语
以上内容主要分析了水轮发电机组振动原因。只有了解水轮发电机组振动过大的原因，并利用信息技术对主轴旋转部分的振动现象进行适时监测，及时对反馈数据进行分析，做出准确的故障诊断，才能为水轮发电机组安全平稳运行提供可靠的保证。
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