摘要:以天桥水电厂4台水轮发电机组典型振动事故为例,对引起振动的原因,进行了分析。
关键词:机组;振动;分析
水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有一定差异,除了机器本身转动或固定部分引起的振动外,尚需考虑发电机的电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统及其部件振动的影响。在机组运转的状态下,流体—机械—电磁三部分是相互影响的。例如,当水流流动激起机组转动部分振动时,在发电机转子与定子之间会导致气隙不对称变化,由此产生的磁拉力不平衡也会造成机组转动部分的振动,而转动部分的运动状态出现某些变化后,又会对水轮机的水流流场及发电机的磁场产生影响。因此,水轮机的振动是电气、机械、流体等多种原因引起的。可见,完全按照这三者的相互关系来研究系统的振动是不够的。鉴于问题的复杂性,将引起水轮机组振动原因大致分为机械、水力、电气三方面的因素来研究,为水电厂生产管理、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。
1水轮发电机组振动的危害
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,就能确保机组安全正常运行。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扫膛而损坏;
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。下面简单介绍几起天桥水电厂机组振动引起的事故,以便从中了解机组振动的起因。
ａ)20世纪80年代初,天桥水电站多次发生因振动摆度过大而引起的设备损坏事故。1980年8月3号机由于上导轴承摆度大导致4个上导瓦背垫块断裂;1982年10月3号机发生发电机扫膛严重事故,上导瓦架与上机架固定螺栓8只中的5只被剪断,1只定位销剪断、瓦架变形。上机架振幅达022ｍｍ,水导轴承处振幅达020ｍｍ。水轮机轴与发电机大轴法兰联接处摆度为074ｍｍ,后经测量分析为机组轴承中心不正,发电机转子外圆度超标,空气间隙不匀等原因所致。
ｂ)1997年2月天桥水电站4号机尾水管锥管段不锈钢衬板与普通钢衬板衔接处(高程8087ｍ)以下约有23ｍ2普通钢板沿环向脱落。其主要原因是由于叶片翼端间隙射流及尾水管涡带产生的低频水压脉动相互作用,引起锥管段钢板振动,焊缝疲劳破坏后被撕裂或脱落。
ｃ)2000年11月天桥水电站1号机大修后,发生发电机推力瓦12块被烧毁的严重事故,因推力瓦水平调整不好,轴系中心不正及调速系统失调所致。
ｄ)2002年5月天桥水电站3号机大修检查发现尾水管弯管段垂直于水流方向产生环状裂缝,其主要原因为尾水管低频水压脉动激起尾水管壁振动,当振动频率接近尾水管的固有频率产生共振时,严重造成尾水管壁产生裂缝。
从以上几个实例看出,机组发生振动的原因主要是由于机械、水力、电气三方面的原因引起的,其它如调速系统失调、振荡的因素也有,但不甚严重也不常发生。
2　水轮发电机振动原因分析
21　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。产生振动的水力因素主要有:水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。
211　水力不平衡
具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流,再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀作用于转轮激发转轮旋转。由于加工和安装误差,使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时,作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力,引起转轮振动,在空载或低负荷运行时振动强烈。
212　尾水管低频水压脉动
水轮机在非设计工况下运行时,由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响,在尾水管内常引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后如图1,涡带以近于固定的频率在管内转动,引起水流低频压力脉动。当管内水流一经发生,压力脉动就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。
213　空腔汽蚀
水流通过水轮机时,其流向、流速随流道改变,在流速增高或脱流部位压力降低到汽化压力时水流中产生汽泡,汽泡进入高压区溃灭时便会出现汽蚀。汽蚀发生时,在汽蚀部位会发生特殊的噪声和撞击声。空腔汽蚀是流道中因漩涡带引起脱流、负压而造成的压力交变产生的振动。由空腔汽蚀引起机组的顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动,它比横向振动的危害更大。
214　卡门涡列
恒定流束绕过物体时,在出口边的两侧出现漩涡,形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡,进而互相干扰、互相吸引,形成非线型的涡列、俗称卡门涡列如图2。当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时,将产生共振,并拌有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。
215　间隙射流
在轴流式水轮机中,叶片和转轮室间隙处由于正背面压差的存在,会形成一股射流,其速度很高。由于转轮的旋转,对转轮室某一部位来说,交替的出现瞬时压力升高和降低,形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动,如图3。
22　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。引起振动的机械因素主要有:转子质量不平衡;机组轴线不正;导轴承缺陷等。
221　转子质量不平衡
由于转子质量不平衡,转子重心Ｓ对轴心Ｏ1,产生一个偏心距ｅ如图4ａ所示。当轴以角速度旋转时,由于失衡质量离心惯性力的作用,轴将产生弓状回旋,其中心Ｏ1获得挠度ｙ,如图4ｂ所示。Ｏ1绕Ｏ作圆周轴运动,回转半径Ｙ就是振幅,这种振动也叫振摆。其特征是:振幅是随转速度变化而变化的。用公式表示为Ｙ=ｆ(ω),ω升高,Ｙ增大;反之ω下降,Ｙ减小。
222　机组轴线不正
在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,其状态如图5ａ,最不理想的是机组中心、旋转中心与轴线不重合的状态,如图5ｃ。介于二者之间的是旋转中心与机组中心重合,　　机组轴线不正的主要表现形式是轴线与推力头底平面不垂直和轴线在法兰结合面处曲折,如图6所示,由于轴线倾斜和曲折,使机组转子的总轴向力Ｐａ不通过推力轴承中心,就产生一个偏心力矩。随着转子的旋转,偏心力矩也同时旋转,使各支柱螺栓的受力是脉动力,其脉动频率与转速频率相同,从而产生推力轴承各支柱螺栓的轴向振动,转子也就随之产生振摆。轴线不正,也是引起径向振动的原因之上。
223　轴承缺陷
当导轴松动,或间隙过大润滑又不良,或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦,引起机组的横向振动。
2.3　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。
231　转子绕组短路
当一个磁极因短路而引起磁动势减小时,和它相对应的那个磁极的磁动势并没有变,因而出现一个跟转子一起旋转的辐向不平衡磁拉力,引起转子振动。这种振动的大小取决于失去作用的线圈匝数。其振动的振幅与励磁电流有关,用公式表示为Ｙ=ｆ(Ａ),励磁电流Ａ增加,振幅Ｙ增大。当去掉励磁,振动立即消失。所以很容易把这种振动和其它原因产生的振动区分开来。
232　空气间隙不均匀
当发电机转子不圆或有摆度时,空气间隙就会不均匀,从而产生单边的不平衡磁拉力,随着转子的旋转而引起空气间隙周期性变化,单边不平衡磁拉力沿着圆周作周期性移动,引起机组振动。