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      小型水輪發電機組運行中的振動分析

      水輪發電機組振動是水電站存在的一個普遍問題,有設計、制造、安裝、檢修、運行等方面的原因。運行中的機組不同程度都存在著振動,電站規定振動值在某一允許范圍內,當振動超過規定的允許值時,便會影響機組的安全運行和機組的壽命,需及時找出原因并采取措施消除。同時水輪發電機組的振動是一個復雜的問題,但從振動的原因來看,一般有機械、水力及電磁等方面的原因。筆者結合實踐談談水輪發電機組運行中的振動問題。

      機械掘動

      由于機組機械部分的慣性力、摩擦力及其他力的干擾造成的振動叫做機械振動。引起機械振動的因素有:轉子質量不平衡、機組軸線不正、導軸承缺陷等。

      特子質量不平衡。由于轉子質量不平衡,轉子重心與軸心產生一個偏心距。當主軸旋轉時,由于失衡質量離心慣性力的作用,主軸將產生彎曲變形。軸變形越大,振動也越嚴重。在制造時,要進行轉于的靜平衡、動平衡試驗,使不平衡重量盡可能小,從根本上消除這種振動的原因.

      軸線不正。機組軸線不正會引起兩種形式的振動,弓狀回旋.由于轉子、轉輪幾何中心偏離旋轉中心,運行中會產生橫向及縱向振動,直接形成回旋對推力軸承、導軸承均構成威脅,還能增大離心慣性力,兩者都使振幅增大。從運行角度分析,一般出現在投運年限較長,各導軸承間隙大,沒能及時修復,或者檢修質量不良等情況下。另外一種是擺振。在動水壓力下,推力軸承處發生擺振。為此,在安裝和檢修時必須找正軸線,調整各導軸承的間隙在允許范圍內。對新投產的機組,一般不會由于軸線不正而引起劇烈振動,但對于運行一段時間后的機組,由于某種原因使軸線改變,如推力頭與軸配合不嚴密、卡環不均勻壓縮、推力頭與鏡板間的墊變形或破壞等,都會引起機組振動。

      導軸承缺陷。當導軸承松動、剛性不足、運行不穩而潤滑不良時,會發生摩擦,引起反向弓狀回旋,即橫向振動力。導軸承間隙過小,會把轉軸的振動傳給支座和基礎,導軸承間隙過大,轉軸振動大。適當的導軸承間隙,才有可能同時保證轉軸與支座的振動均在允許范圍內。

      水力撮動

      由水輪機水力部分的動水壓力的干擾造成振動叫水力振動。引起水力振動的因素有,水力不平衡、尾水管中的水力不穩定、渦列等。

      水力不平衡。當流入轉輪的水流失去的軸對稱時,出現不平衡的橫向力,于是造成轉輪振動。水流失去軸對稱的主要原因是過流通道不對稱,如:蝸殼形狀不正確,導葉開度不均,引起轉輪壓力分布不均,在流道中塞有外物,轉輪止漏環偏心等。

      尾水管中水力不穩定。尾水管中水力不穩定現象,主要指尾水管中的水壓周期性的變化,壓力脈動作用于機組和基礎上,就引起振動、噪音和出力波動,同時它對尾水管有相當大的破壞作用。這種情況一般發生在非設計工況下,水流在尾水管進口有一個圓周分量,形成旋流。當此分量達一定值時,便在尾水管中出現渦帶,使尾水管的水流發生周期性的變化,引起水壓脈動和管壁振動。當水輪機的自振頻率與壓力脈動頻率相同時,便發生共振,威脅水輪機組的運行。

      渦列。當水流繞流葉片,由出口邊流出時,便會在出口邊處產生渦列,從葉片的正面和背面交替出現,形成對葉片交替的沖擊。當葉片自振頻率與沖擊頻率相同,便產生共振。由渦列所引起的振動只在一定水頭和開度時才會發生,它能使葉片的根部或輪緣產生裂紋,有時還伴隨著一定的聲響。

      在偏離設計工況下運行,機組一般都存在著一個振動區。這個振動區主要是由水力方面引起的,如尾水管中水力不穩定、渦列等。在沒有解決振動問題之前,為了機組的安全與穩定,值班人員應盡可能地避開這些區域運行。磁振動由發電機電磁部分的電磁力的干擾造成的振動叫做電磁振動。引起電磁振動的因素有:發電機二相不對稱運行、發電機突然短路等。

      發電機三相不對稱運行

      發電機運行時,會發生三相不平衡負載,引起三相電流不平衡。三相不平衡電流會在三相繞組中產生一個正序旋轉磁場和一個負序旋轉磁場。當負序磁場對著水力發電機轉子縱軸附近時,因氣隙小,磁阻小,磁力線就多,轉子和定子間的作用力就大。當負序磁場對著轉子橫軸附近時,因氣隙大,磁阻大,磁力線就少,轉子與定子間的作用力就小。這樣,負序磁場和轉子之間的作用力時大時小,就使力矩變成兩倍于周波數的頻率而脈動,造成轉子及定子機座的振動。

      發電機突然短路

      發電機突然短路會使定子繞組的端部受到很大的電磁力的作用。這些力包括定于繞組端部相互間的作用、定子繞組端部與轉子繞組端部相互間的作用力以及定于繞組端部與鐵芯之間的作用力。另外,發電機突然短路還使轉子軸受到很大的電磁力矩作用,所受力矩分為兩種:一種是短路電流中使定子、轉子繞組產生電阻損耗的有功電流分量所產生的阻力矩,另一種是突然短路過度過程中才出現的沖擊交變力矩。這些電磁力及電磁力矩能使發電機組受到劇烈的振動,并給發電機部件帶來危害。

      發電機轉子兩點接地

      當發電機在運行中出現轉子兩點接地時,部分線匝短路,電阻降低,有較大的短路電流流過短路點,勵磁電流不正常的增大,發電機進相多,引起磁場不平衡,造成發電機組強烈的振動。

      此外,非同期并列、系統故障、雷擊也會使發電機組產生電磁振動。
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