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水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因

    水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)與一般動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)有一定差異，機(jī)組振動(dòng)的現(xiàn)象是比較明顯的，但振源往往是隱蔽的，除了機(jī)器本身轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外，還需考慮發(fā)電機(jī)電磁力以及作用于水輪機(jī)過流部分的流動(dòng)壓力對系統(tǒng)及其部件振動(dòng)的影響。引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因多種多樣，往往是幾種振源同時(shí)存在，通常認(rèn)為使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的干擾力源主要來自水力、機(jī)械和電氣三個(gè)方面，三者相互影響、相互作用，常常交織在一起，形成耦合振動(dòng)。  水輪發(fā)電機(jī)組的一般振動(dòng)不會(huì)危害機(jī)組，但當(dāng)機(jī)組振動(dòng)超過允許值，尤其是長期振動(dòng)及發(fā)生共振時(shí)，對供電質(zhì)量、機(jī)組使用壽命、附屬設(shè)備及儀器是性能、機(jī)組基礎(chǔ)和周圍的建筑物，甚至對整個(gè)水電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等，都會(huì)帶來嚴(yán)重的危害。
  其危害性大致有以下幾類：
  1）引起機(jī)組零部件金屬和焊縫間疲勞破壞區(qū)的形成和擴(kuò)大，從而使之產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂損壞而報(bào)廢。
  2）使機(jī)組部分緊固部件松動(dòng)，不僅會(huì)導(dǎo)致這些緊固件本身的斷裂，而且加劇被其連接部分的振動(dòng)，促使它們加速損壞。
  3）加速機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分相互磨損程度。如大軸劇烈擺動(dòng)，可使軸與軸瓦的溫度升高，使軸瓦燒毀；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)過大增加滑環(huán)與電刷的磨損程度，并使溫度升高，使軸瓦燒毀，并使電刷火花不斷增大。
  4）尾水管中形成的渦流脈動(dòng)壓力，可使過水系統(tǒng)發(fā)生振蕩，機(jī)組出力擺動(dòng)，使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)可使整體尾水設(shè)施遭到破壞。
  5）水輪機(jī)組共振引起的后果更加嚴(yán)重。如機(jī)組設(shè)備與廠房的共振，可使整個(gè)設(shè)備和廠房遭到不同程度的損壞。
  水力振動(dòng)由水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力的干擾造成的振動(dòng)叫水力振動(dòng)。產(chǎn)生振動(dòng)的水力因素主要有：尾水管內(nèi)低頻渦帶、卡門渦列、葉道渦引起的水力不穩(wěn)定、過度過程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象、水力不平衡、空腔汽蝕、間隙射流（軸流式水輪機(jī)）等。
  一、尾水管內(nèi)低頻渦帶
  尾水管內(nèi)低頻渦帶是混流式水輪機(jī)和軸流定槳式水輪機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)尾水管中出現(xiàn)的一種不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象。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，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)。
  預(yù)防和處理措施：：
  1）優(yōu)化水力設(shè)計(jì)。采用負(fù)傾角轉(zhuǎn)輪翼型、合理設(shè)計(jì)葉片出口環(huán)量分布規(guī)律、適當(dāng)?shù)纳瞎诤托顾F，對高水頭混流式轉(zhuǎn)輪可考慮采用帶副葉片的轉(zhuǎn)輪等。
  2）避開振動(dòng)工況區(qū)運(yùn)行。
  3）改變水流的流動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀況；如加長泄水錐；加長尾水管錐段；加大尾水管錐角加阻水柵及隔板；控制渦帶的偏心距。
  4）機(jī)組運(yùn)行中對渦帶區(qū)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)氣，一般采用自然補(bǔ)氣，必要時(shí)也可強(qiáng)迫補(bǔ)氣。
  二、卡門渦列
  當(dāng)水流流經(jīng)非流線型障礙物時(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)排列的漩渦，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。這種渦列交替地作順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，在其不斷形成與消失過程中，會(huì)在垂直于主流方向引起交變的振動(dòng)力。當(dāng)卡門渦列的頻率與葉片固有頻率接近時(shí)，葉片動(dòng)應(yīng)力急劇增大，有時(shí)發(fā)出響聲，甚至使葉片根部振裂。
  預(yù)防和處理措施：：
  1）削減轉(zhuǎn)輪葉片或固定導(dǎo)葉出水邊的厚度，提高卡門渦頻率，避開共振；2）在葉片間加支撐，改變?nèi)~片的自振頻率；
  3） 水輪機(jī)設(shè)計(jì)階段，預(yù)測卡門渦列的頻率、葉片與導(dǎo)葉的固有頻率，使錯(cuò)開卡門列渦和繞流部件頻率。
  三、葉道渦引起的水力不穩(wěn)定
  混流式水輪機(jī)在偏離最優(yōu)工況時(shí)，葉片進(jìn)口的沖角增大，如果水流沖角過大，會(huì)導(dǎo)致葉片頭部脫流，形成葉道渦，進(jìn)而可能產(chǎn)生中頻或高頻的水壓脈動(dòng)。來流在設(shè)計(jì)水頭以上是正沖角，脫流發(fā)生在上冠葉片進(jìn)口的背面；來流在設(shè)計(jì)水頭以下是負(fù)沖角，脫流發(fā)生在上冠葉片進(jìn)口的正面。
  而葉道渦就起源于偏離最優(yōu)工況后上冠進(jìn)口處的脫流，分為高水頭葉道渦和低水頭葉道渦。從水輪機(jī)模型試驗(yàn)觀察是從轉(zhuǎn)輪葉片間流出來的，隨著水輪機(jī)工況變化，當(dāng)2～3個(gè)葉片間同時(shí)開始出現(xiàn)可見的渦流，則認(rèn)為在該工況下發(fā)生了葉道渦。
  預(yù)防和處理措施：：
  四、過度過程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象
  當(dāng)水輪機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水力過渡過程，機(jī)組往往發(fā)生各種振動(dòng)。水力過渡過程包括小波動(dòng)和大波動(dòng)過渡過程，在小波動(dòng)過渡過程中，靠水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)能夠很快達(dá)到穩(wěn)定，而大波動(dòng)過渡過程中，如機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、負(fù)荷突然增減、甩負(fù)荷、同步調(diào)相、事故飛逸等過程中，通過水輪機(jī)的水流狀態(tài)必然更加紊亂、復(fù)雜，不但會(huì)引起水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，還可能在轉(zhuǎn)輪等部件上產(chǎn)生多種高頻動(dòng)應(yīng)力。
  五、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，再通過均勻分布的固定和活動(dòng)導(dǎo)葉均勻作用于轉(zhuǎn)輪，并激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。由于加工和安裝誤差，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。
  六、機(jī)械因素
  水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)兩者結(jié)構(gòu)所造成的機(jī)組機(jī)械振動(dòng)多種多樣， 主要有： 轉(zhuǎn)動(dòng)軸系）質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正或?qū)χ胁涣?、?dǎo)軸承缺陷或間隙調(diào)整不當(dāng)、機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)或軸系剛性不足和軸密封調(diào)整不當(dāng)?shù)取?br />  1.轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡
  如果機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件（主要是轉(zhuǎn)子）在制造、安裝與檢修過程中存在質(zhì)量不平衡，運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，引起轉(zhuǎn)子弓狀回旋，增加軸承磨損，降低機(jī)械效率，形成轉(zhuǎn)子和軸承的振動(dòng)，甚至引發(fā)破壞性事故。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子重心與軸心產(chǎn)生一個(gè)偏心距。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用，主軸將產(chǎn)生彎曲變形。軸變形越大，振動(dòng)也越嚴(yán)重。
  2.機(jī)組軸線不正或?qū)χ胁涣?br />  由于轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪幾何中心偏離旋轉(zhuǎn)中心，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生橫向及縱向振動(dòng)，直接形成回旋對推力軸承、導(dǎo)軸承均構(gòu)成威脅，還能增大離心慣性力，兩者都使振幅增大。對新投產(chǎn)的機(jī)組，一般不會(huì)由于軸線不正而引起劇烈振動(dòng)，但對于運(yùn)行一段時(shí)間后的機(jī)組，由于某種原因使軸線改變，如推力頭與軸配合不嚴(yán)密、卡環(huán)不均勻壓縮、推力頭與鏡板間的墊變形或破壞等，都會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。