水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)原因與分析

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1、水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問題與一般動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)冇一定差異，除了機(jī)器木身轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外，尚需考慮發(fā)電機(jī)的電磁力以及作用于水輪機(jī)過流部分的流動(dòng)壓力對(duì)系統(tǒng)及其部件振動(dòng)的影響。在機(jī)紐運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)K,流體一機(jī)械一電磁三部分是相互影響的。例如，當(dāng)水流流動(dòng)激起機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)時(shí)，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與泄子Z間會(huì)導(dǎo)致氣隙不對(duì)稱變化，由此產(chǎn)主的磁拉力不平衡也會(huì)造成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的振動(dòng)，而轉(zhuǎn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)某些變化后，又會(huì)對(duì)水輪機(jī)的水流流場(chǎng)及發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。因此，水輪機(jī)的振動(dòng)是電氣、機(jī)械、流體等多種原因引起的?？梢?，完全按照這三者的相互關(guān)系來研究系統(tǒng)的振動(dòng)是不夠的。鑒于問題的復(fù)雜性，將

2、引起水輪機(jī)組振動(dòng)原因大致分為機(jī)械、水力、電氣三方面的因素來研究，為水電廠生產(chǎn)管理、運(yùn)行、檢修人員提供參考意見，以便制定出相應(yīng)的預(yù)防和消振措施。1.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免的現(xiàn)象，若能將其振幅限制在允許范圍內(nèi)，就能確保機(jī)組安全正常運(yùn)行。但較大振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全是不利的，會(huì)造成如下危害：a）使機(jī)組各連接部件松動(dòng)，使各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件Z間產(chǎn)牛?摩擦甚至掃膛而損壞；b）引起零部件或焊縫的疲勞、形成并擴(kuò)大裂縫甚至斷裂;c）尾水管低頻壓力脈動(dòng)可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫;當(dāng)其頻率與發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)的自振頻率接近吋，將發(fā)生共振，引起機(jī)組出力大幅度波動(dòng)，可能會(huì)造成機(jī)組從電力系統(tǒng)

3、中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。2.水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)原因分析2」水力因素振動(dòng)的水力因素系指振動(dòng)中的干擾力來自水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力。其特征是帶有隨機(jī)性，且當(dāng)機(jī)紐?處在非設(shè)計(jì)工況或過渡工況運(yùn)行時(shí)，因水流狀況惡化，機(jī)紐各部件的振動(dòng)亦明顯增大。由丁?單位體積水流的能量取決丁?水頭，所以機(jī)纟ri的振動(dòng)一般是隨水頭的降低而減弱，高水頭、低負(fù)荷時(shí)振動(dòng)相對(duì)而言較為嚴(yán)重。產(chǎn)生振動(dòng)的水力因素主要冇:水丿j不平衡、尾水管低頻水壓脈動(dòng)、空腔汽蝕、卡門渦列、間隙射流等。2.1.1水力不平衡具有位能和動(dòng)能的水流通過蝸殼的作用形成環(huán)流，再通過分布均勻的固定和活動(dòng)導(dǎo)葉均勻作用于轉(zhuǎn)輪激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。由于

4、加T和安裝誤差，使導(dǎo)水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時(shí)，作用于轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)不平衡橫向力，引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng)，在空載或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈。2.1.2尾水管低頻水壓脈動(dòng)水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流及脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內(nèi)常引起水壓脈動(dòng)。尤其是在尾水管內(nèi)出現(xiàn)大渦帶后如圖1,渦帶以近于固定的頻率在管內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起水流低頻壓力脈動(dòng)。當(dāng)管內(nèi)水流一經(jīng)發(fā)生，壓力脈動(dòng)就會(huì)激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼、壓力管道的振動(dòng)。2.1.3空腔汽蝕水流通過水輪機(jī)時(shí)，具流向、流速隨流道改變，在流速增高或脫流部位壓力降低到汽化壓力吋水流屮產(chǎn)生汽泡，汽泡

5、進(jìn)入高壓區(qū)潰滅時(shí)便會(huì)出現(xiàn)汽蝕。汽蝕發(fā)生時(shí)，在汽蝕部位會(huì)發(fā)生特殊的噪聲和撞擊聲?？涨黄g是流道屮因漩渦帶引起脫流、負(fù)壓而造成的壓力交變產(chǎn)生的振動(dòng)。由空腔汽蝕引起機(jī)組的頂蓋和推力軸承出現(xiàn)劇烈的垂直振動(dòng)，它比橫向振動(dòng)的危害更大。2.1.4卡門渦列恒定流朿繞過物休時(shí)，在出口邊的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)則交錯(cuò)排列的線渦，進(jìn)而互相干擾、互相吸引，形成非線型的渦列、俗稱卡門渦列如圖2。當(dāng)卡門渦列的沖擊頻率接近丁?轉(zhuǎn)動(dòng)體葉片的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振，并拌有較強(qiáng)的且頻率比較單一的噪聲和金屈共鳴聲。2.1.5間隙射流在軸流式水輪機(jī)屮，葉片和轉(zhuǎn)輪室間隙處由于正背面壓差的存在，會(huì)形成

6、一股射流，其速度很高。由于轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)輪室某一部位來說，交替的出現(xiàn)瞬時(shí)壓力升高和降低，形成周期性的壓力脈動(dòng)。這種壓力脈動(dòng)會(huì)引起轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)，如圖3。2.2機(jī)械因素振動(dòng)的機(jī)械因素系指振動(dòng)屮的干擾力來門機(jī)械部分的慣性力、摩擦力及其它力。其特征是振動(dòng)頻率等丁?機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或整倍數(shù)的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。引起振動(dòng)的機(jī)械因素主要有:轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡;機(jī)組軸線不正;導(dǎo)軸承業(yè)等。2.2.1轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子重心S對(duì)軸心01,產(chǎn)生一個(gè)偏心距e如圖4a所示。當(dāng)軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用，軸將產(chǎn)生弓狀回旋，其中心01獲得撓度y,如圖4b所示。01繞0作圓周軸

7、運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)半徑Y(jié)就是振幅，這種振動(dòng)也叫振擺。其特征是:振幅是隨轉(zhuǎn)速度變化而變化的。用公式表示為Y=f(co),co升高，Y增大;反2?下降，Y減小。2.2.2機(jī)紐軸線不正在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最理想的是機(jī)紐?中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線三者重合，其狀態(tài)如圖5a,最不理想的是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心與軸線不重合的狀態(tài)，如圖5c。介于二者之間的是旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)組中心重合，機(jī)組軸線不JT?的主要表現(xiàn)形式是軸線與推力頭底平面不垂直和軸線在法蘭結(jié)合面處曲折，如圖6所示，由于軸線傾斜和曲折，使機(jī)紐?轉(zhuǎn)子的總軸向力Pa不通過推力軸承中心，就產(chǎn)生一個(gè)偏心力矩。隨著轉(zhuǎn)子