[摘 要] 通過(guò)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)機(jī)理的調(diào)查研究,提出了水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的一般特征,并由振動(dòng)特征判別振動(dòng)原因。
水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是水電站存在的一個(gè)普遍問(wèn)題,有設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等方面的原因。運(yùn)行中的機(jī)組都存在不同程度的振動(dòng),但這種振動(dòng)是不可避免的,所以電站只能在一定的條件下將振動(dòng)盡量地減小,使振動(dòng)值限制在允許的范圍內(nèi),當(dāng)振動(dòng)超過(guò)規(guī)定的允許值時(shí),便會(huì)影響機(jī)組的供電質(zhì)量、安全運(yùn)行和機(jī)組的壽命,需及時(shí)找出原因并采取措施消除。
一、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)主要特征
水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)都屬于有阻尼受迫振動(dòng),按其形式可分為受迫振動(dòng)和自激振動(dòng),受迫振動(dòng)是由于干擾力引起的,而干擾力的存在與否跟振動(dòng)無(wú)關(guān),即使振動(dòng)停止,干擾力也仍然存在。自激振動(dòng)中維持振動(dòng)的干擾力是由物體運(yùn)動(dòng)本身產(chǎn)生或所控制的,當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止,干擾力也就消失。根據(jù)干擾力的不同形式機(jī)組振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、水力振動(dòng)及電磁振動(dòng)。
1.機(jī)械方面
機(jī)械振動(dòng)的干擾力源是機(jī)組的機(jī)械部分,主要有以下幾個(gè)部分。
(1)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡 由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡,轉(zhuǎn)子重心與軸心產(chǎn)生一個(gè)偏心距。當(dāng)主軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí),由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用,主軸將產(chǎn)生彎曲變形。角速度越大主軸變形也就越大,振動(dòng)也越嚴(yán)重。當(dāng)角速度接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí),振動(dòng)增大產(chǎn)生共振。其主要特征為振幅敏感地隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速變化,振幅一般與轉(zhuǎn)速的二次方成正比,且水平振動(dòng)較大。
(2)機(jī)組軸線(xiàn)不正 在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最理想的是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線(xiàn)三者重合,最不理想的是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心與軸線(xiàn)不重合的狀態(tài)。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(xiàn)不正的主要表現(xiàn)形式是軸線(xiàn)與推力軸承底平面不垂直,由于機(jī)組轉(zhuǎn)子的總軸向力不通過(guò)推力軸承中心,就產(chǎn)生一個(gè)偏心力矩。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),偏心力矩也同時(shí)旋轉(zhuǎn),使各支柱螺栓受脈動(dòng)力,其脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同,從而產(chǎn)生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動(dòng),轉(zhuǎn)子也就隨之產(chǎn)生振擺。軸線(xiàn)不正,也是引起徑向振動(dòng)的原因。其特征為機(jī)組在空載低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),機(jī)組便有明顯振動(dòng)。
(3)軸承缺陷 在運(yùn)行中當(dāng)導(dǎo)軸承松動(dòng),剛性不足,導(dǎo)軸承間隙過(guò)大,運(yùn)行不穩(wěn)而潤(rùn)滑又不良時(shí),就會(huì)發(fā)生干摩擦,引起反向弓狀回旋,即橫向振動(dòng)力,其方向和軸的旋轉(zhuǎn)方向相反,頻率相同。導(dǎo)軸承間隙過(guò)小,會(huì)把轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)傳給支座和基礎(chǔ),導(dǎo)軸承間隙過(guò)大,轉(zhuǎn)軸振動(dòng)大。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件相碰(或摩擦)所引起的機(jī)組振動(dòng),其特征為振動(dòng)較強(qiáng)烈,并常常伴有撞擊聲;軸承間隙過(guò)大、主軸過(guò)細(xì)、軸的剛度不夠所引起的振動(dòng),其特征為機(jī)組振幅隨機(jī)組負(fù)荷變化較明顯。
2.水力方面
(1)水輪機(jī)進(jìn)入流道蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)均會(huì)產(chǎn)生旋渦,形成渦帶進(jìn)入轉(zhuǎn)輪引起機(jī)組振動(dòng),其主要特征為振動(dòng)隨機(jī)組運(yùn)行工況變化而變化,且時(shí)而明顯,時(shí)而消失。若是因蝸殼中的不均勻流場(chǎng)所引起的振動(dòng),其振動(dòng)頻率可表示為:
并且,這類(lèi)振動(dòng)多半發(fā)生在高比速軸流式水輪機(jī)中;若是因?qū)~中的不均勻流場(chǎng)所引起的機(jī)組振動(dòng),則多半發(fā)生在低比速水輪機(jī)中。該類(lèi)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪離導(dǎo)葉很近,導(dǎo)葉中的不均勻水流對(duì)轉(zhuǎn)輪影響很大。
(2)由轉(zhuǎn)輪葉片尾部的卡門(mén)渦列所誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng),因卡門(mén)渦列的形成與流體速度和繞流體尾部的斷面形狀和尺寸有關(guān),所以該振動(dòng)特征為振幅隨過(guò)機(jī)流量增加而明顯增大,且其振動(dòng)頻率可表示為:
(3)因水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況較遠(yuǎn),尤其是在低水頭、低負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)水流,形成偏心渦帶,使在尾水管中產(chǎn)生壓力脈動(dòng)并誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)。此時(shí)振動(dòng)強(qiáng)弱與水輪機(jī)的運(yùn)行工況關(guān)系較密切,某些區(qū)域振動(dòng)強(qiáng)烈,某些區(qū)域振動(dòng)又明顯減小,甚至恢復(fù)正常。其振動(dòng)頻率一般為:
(4)高水頭混流式水輪機(jī)因止漏環(huán)結(jié)構(gòu)形式和間隙組合不當(dāng)及運(yùn)行間隙不均勻引起水壓力脈動(dòng)誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng),該振動(dòng)特征為:振動(dòng)擺度及壓力脈動(dòng)幅值,均隨機(jī)組負(fù)荷和過(guò)機(jī)流量的增加而明顯增大。
3.電磁方面
(1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分因受不平衡力(這些不平衡力主要來(lái)自于周期性的不平衡磁拉力分量,定、轉(zhuǎn)子不均勻氣隙所引起的作用力,轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈短路時(shí)引起的力和發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱(chēng)工況下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力)的作用下產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng),其振動(dòng)特征為振動(dòng)隨勵(lì)磁電流增大而增大,且上機(jī)架處振動(dòng)較為明顯。
(2)當(dāng)一個(gè)磁極因短路而引起磁動(dòng)勢(shì)減小時(shí),和它相對(duì)應(yīng)的那個(gè)磁極的磁動(dòng)勢(shì)并沒(méi)有變,因而出現(xiàn)一個(gè)跟轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡磁拉力,引起轉(zhuǎn)子振動(dòng),其振動(dòng)特征為振動(dòng)隨定子電流增大而增大,振級(jí)與電流幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系,且上機(jī)架處振動(dòng)最為明顯。
(3)因定子鐵心組合縫松動(dòng)或定子鐵心松動(dòng)所引起的機(jī)組振動(dòng),其特征為振動(dòng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化較明顯,且當(dāng)機(jī)組載上一定負(fù)荷后,其振幅又隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小,對(duì)因定子鐵心組合縫松動(dòng)所引起的振動(dòng),還有一特征為其振動(dòng)頻率一般為電流頻率的兩倍。
(4)定子繞組固定不良,在較高電氣負(fù)荷和電磁負(fù)荷作用下使繞組及機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。其振動(dòng)特點(diǎn)為振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷運(yùn)行工況變化而變化,上機(jī)架處振動(dòng)亦較為明顯,但不會(huì)出現(xiàn)載上某一負(fù)荷后其振動(dòng)隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的情況。
二、機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)和振動(dòng)測(cè)試的關(guān)系
對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行一系列穩(wěn)定性試驗(yàn),判別引起機(jī)組振動(dòng)的主要因素。
(1)機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn) 在機(jī)組發(fā)出起動(dòng)命令時(shí)就以較慢速度開(kāi)啟錄波儀器,待機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)后,隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速變化,按需要完整記錄機(jī)組起動(dòng)過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)和其他狀態(tài)參數(shù)。
(2)變速試驗(yàn) 分別在各種轉(zhuǎn)速下測(cè)量機(jī)組典型部位,如上導(dǎo)、上機(jī)架、主軸聯(lián)接法蘭、水導(dǎo)軸承等的振幅或頻率。
1)若機(jī)組在60%~100%的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),振幅一直很大,改變轉(zhuǎn)速對(duì)振幅變化不敏感,而振動(dòng)頻率又與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率基本一致,則機(jī)組振動(dòng)原因大都是由于軸線(xiàn)曲折、軸承間隙未調(diào)好,導(dǎo)軸承不同心、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件有偏磨等。
2)若振幅隨機(jī)組轉(zhuǎn)速增加而迅速增大(一般振幅與轉(zhuǎn)速的二次方成正比),而振動(dòng)頻率又與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致時(shí),其振動(dòng)原因多半是轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)(靜)不平衡。
3)若振幅隨機(jī)組轉(zhuǎn)速增加而增大,但變化速度一般,上機(jī)架處振動(dòng)較明顯,而振動(dòng)頻率又與發(fā)電機(jī)主極頻率一致或是其倍數(shù),載上某一負(fù)荷后,振幅又逐漸隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小,則振動(dòng)原因可能是發(fā)電機(jī)定子鐵心組合間隙松動(dòng)或定子鐵心松動(dòng)。
(3)空載無(wú)勵(lì)磁試驗(yàn) 機(jī)組在空載額定轉(zhuǎn)速工況下,不加勵(lì)磁電壓,穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí),監(jiān)視各部位振動(dòng)、擺度及壓力脈動(dòng)值的變化情況和變化規(guī)律。
(4)空載有勵(lì)磁試驗(yàn) 機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下,載上勵(lì)磁,改變勵(lì)磁電流,觀察各典型部位振動(dòng)隨勵(lì)磁電流的變化。若振幅隨勵(lì)磁電流增大而增大,則不平衡磁拉力是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。需檢查發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空氣隙是否均勻,磁極線(xiàn)圈有無(wú)發(fā)生匝間短路、磁極背部與磁軛間是否出現(xiàn)氣隙等。
(5)變負(fù)荷、調(diào)相或補(bǔ)氣試驗(yàn) 改變機(jī)組負(fù)荷(25%、50%、75%、100%)每個(gè)工況至少穩(wěn)定5~10min,測(cè)量各種負(fù)荷下機(jī)組各典型部位的振幅及導(dǎo)葉接力器行程,繪制負(fù)荷與振幅或接力器行程與振幅的關(guān)系曲線(xiàn)。若振幅隨機(jī)組負(fù)荷(或接力器行程)增減而增減,而機(jī)組在調(diào)相運(yùn)行時(shí)振幅又大幅度降低,且水輪機(jī)導(dǎo)軸承處的振幅變化又較其他部位更為明顯時(shí),則水力不平衡是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。若振動(dòng)僅在某一負(fù)荷區(qū)域(經(jīng)電站實(shí)測(cè),對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度在 32%<0<82%)運(yùn)行時(shí)較為強(qiáng)烈,而避開(kāi)該區(qū)域時(shí),振動(dòng)又明顯減小,則尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。另外,若在機(jī)組振動(dòng)較強(qiáng)烈的運(yùn)行區(qū)域做補(bǔ)氣試驗(yàn),向尾水管補(bǔ)氣,測(cè)量水導(dǎo)軸承處或尾水管擴(kuò)散段頂板處的振動(dòng)。與不補(bǔ)氣相同工況作比較,若補(bǔ)氣前后有明顯差異,則說(shuō)明機(jī)組振動(dòng)原因也主要來(lái)自尾水管中的偏心渦帶。
(6)調(diào)速器手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行工況 對(duì)比調(diào)速器在手動(dòng)和自動(dòng)控制狀態(tài)下對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響。
(7)甩負(fù)荷試驗(yàn) 機(jī)組大修后,在投入運(yùn)行之前,還應(yīng)做甩負(fù)荷試驗(yàn),檢驗(yàn)調(diào)速器性能,記錄機(jī)組轉(zhuǎn)速上升、下降過(guò)渡過(guò)程、導(dǎo)葉開(kāi)度變化過(guò)程、壓力脈動(dòng)以及機(jī)組振動(dòng)和擺度的變化。
三、振動(dòng)原因分析
1.以振動(dòng)頻率分析振動(dòng)原因
在機(jī)組典型部位帶有錄波存儲(chǔ)功能的測(cè)振儀,將記錄的振動(dòng)記號(hào),作時(shí)域、頻域變換,進(jìn)行頻譜分析,以此來(lái)判斷振動(dòng)原因。
(1)若振動(dòng)頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致,則機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡、軸線(xiàn)曲折、導(dǎo)軸承間隙不適、主軸法蘭密封有偏磨、水輪機(jī)迷宮間隙不均勻是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。
(2)若振動(dòng)頻率為發(fā)電機(jī)電流頻率(我國(guó)電流頻率為50Hz)的二倍,則可能是定子鐵心組合縫松動(dòng)、發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流所引起的機(jī)組振動(dòng)。
(3)若振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速頻率乘以發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù),則多半是由于發(fā)電機(jī)氣隙不均勻所引起的機(jī)組振動(dòng)。
(4)若振動(dòng)頻率分別為轉(zhuǎn)速頻率乘以活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率乘以轉(zhuǎn)輪葉片數(shù),則振動(dòng)分別是因?qū)~開(kāi)口不均勻或轉(zhuǎn)輪開(kāi)口不均勻所致。
2.由振動(dòng)部位判別振動(dòng)原因
根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行所積累的經(jīng)驗(yàn),由機(jī)組振動(dòng)發(fā)生的不同部位,也可大致判別振動(dòng)原因。
(1)若在水導(dǎo)軸承處的振動(dòng)比其他部位較為明顯時(shí),則可能是蝸殼、導(dǎo)葉中的水力不平衡(該水力不平衡主要來(lái)自蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)和導(dǎo)葉開(kāi)口不均勻、轉(zhuǎn)輪線(xiàn)型、間隙、開(kāi)口不均勻)所引起的機(jī)械振動(dòng)。
(2)若在水導(dǎo)軸承處的振動(dòng)比其他部位較為明顯時(shí),則可能是蝸殼、導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪中的水力不平衡(該水力不平衡主要來(lái)自于蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)和導(dǎo)葉開(kāi)口不均勻,轉(zhuǎn)輪線(xiàn)型、間隙、開(kāi)口不均勻)所引起的機(jī)組振動(dòng)。
(3)若上機(jī)架處振動(dòng)較為明顯時(shí),則振動(dòng)原因多半來(lái)自于機(jī)組推力軸承(僅對(duì)懸式機(jī)組)、上導(dǎo)軸承缺陷(間隙擺度調(diào)整不適合)、故障或機(jī)組軸線(xiàn)有曲折、機(jī)組中心發(fā)生變化或發(fā)電機(jī)零部件有缺陷或故障。
(4)若因轉(zhuǎn)輪葉片出水邊線(xiàn)型差異、葉片尾部形成卡門(mén)渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的機(jī)組振動(dòng),則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測(cè)得明顯振動(dòng),蝸殼中會(huì)出現(xiàn)較大水壓波動(dòng)。
四、結(jié)語(yǔ)
綜上所述,振動(dòng)是影響水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行和危害機(jī)組壽命的主要故障,對(duì)振動(dòng)及時(shí)進(jìn)行故障診斷,有利于提高水輪發(fā)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平,可以為我國(guó)的水電生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。要清除水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的故障,必須尋找引起機(jī)組振動(dòng)的原因。主要介紹如何依據(jù)誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)的某些特征,捕捉其振動(dòng)的主要原因。為簡(jiǎn)化問(wèn)題,不考慮引起機(jī)組振動(dòng)諸因素間的相互影響,但對(duì)分析機(jī)組振動(dòng)的主要原因,仍有較好的參考作用。