水輪發電機組的振動問題與一般動力機械的振動有一定差異,除了機器本身轉動或固定部分引起的振動外,尚需考慮發電機的電磁力以及作用於水輪機過流部分的流動壓力對系統及其部件振動的影響.在機組運轉的狀態下,流體—機械—電磁三部分是相互影響的.例如,當水流流動激起機組轉動部分振動時,在發電機轉子與定子之間會導致氣隙不對稱變化,由此產生的磁拉力不平衡也會造成機組轉動部分的振動,而轉動部分的運動狀態出現某些變化後,又會對水輪機的水流流場及發電機的磁場產生影響.
因此,水輪機的振動是電氣、機械、流體等多種原因引起的.可見,完全按照這三者的相互關係來研究系統的振動是不夠的.鑑於問題的複雜性, 將引起水輪機組振動原因大致分為機械、水力、電氣三方面的因素來研究,為水電廠生產管理、執行、檢修人員提供參考意見,以便制定出相應的預防和消振措施.
1 水輪發電機組振動的危害
振動是旋轉機械不可避免的現象,若能將其振幅限制在允許範圍內,就能確保機組安全正常執行.但較大振動對機組安全是不利的,會造成如下危害:
a)使機組各連線部件鬆動,使各轉動部件與靜止部件之間產生摩擦甚至掃膛而損壞;
b)引起零部件或焊縫的疲勞、形成並擴大裂縫甚至斷裂;
c)尾水管低頻壓力脈動可使尾水管壁產生裂縫;當其頻率與發電機或電力系統的自振頻率接近時,將發生共振,引起機組出力大幅度波動,可能會造成機組從電力系統中解列,甚至危及廠房及水工建築物.下面簡單介紹幾起天橋水電廠機組振動引起的事故,以便從中了解機組振動的起因.
a)20世紀80年代初,天橋水電站多次發生因振動擺度過大而引起的裝置損壞事故.2023年8月3號機由於上導軸承擺度大導致4個上導瓦背墊塊斷裂;2023年10月3號機發生發電機掃膛嚴重事故,上導瓦架與上機架固定螺栓8只中的5只被剪斷,1只定位銷剪斷、瓦架變形.上機架振幅達 0 22mm,水導軸承處振幅達0 20mm.
水輪機軸與發電機大軸法蘭聯接處擺度為0 74mm,後經測量分析為機組軸承中心不正,發電機轉子外圓度超標,空氣間隙不勻等原因所致.
b)2023年2月天橋水電站4號機尾水管錐管段不鏽鋼襯板與普通鋼襯板銜接處(高程808 7m)以下約有23m2普通鋼板沿環向脫落.其主要原因是由於葉片翼端間隙射流及尾水管渦帶產生的低頻水壓脈動相互作用,引起錐管段鋼板振動,焊縫疲勞破壞後被撕裂或脫落.
c)2023年11月天橋水電站1號機大修後,發生發電機推力瓦12塊被燒毀的嚴重事故,因推力瓦水平調整不好,軸系中心不正及調速系統失調所致.
d)2023年5月天橋水電站3號機大修檢查發現尾水管彎管段垂直於水流方向產生環狀裂縫,其主要原因為尾水管低頻水壓脈動激起尾水管壁振動,當振動頻率接近尾水管的固有頻率產生共振時,嚴重造成尾水管壁產生裂縫.
從以上幾個例項看出,機組發生振動的原因主要是由於機械、水力、電氣三方面的原因引起的,其它如調速系統失調、振盪的因素也有,但不甚嚴重也不常發生.
2 水輪發電機振動原因分析
2 1 水力因素
振動的水力因素係指振動中的干擾力來自水輪機水力部分的動水壓力.其特徵是帶有遂幡巍懟啤笑桅痞兀?性,且當機組處在非設計工況或過渡工況執行時,因水流狀況惡化,機組各部件的振動亦明顯增大.
由於單位體積水流的能量取決於水頭,所以機組的振動一般是隨水頭的降低而減弱,高水頭、低負荷時振動相對而言較為嚴重.產生振動的水力因素主要有:水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動、空腔汽蝕、卡門渦列、間隙射流等.
2 1 1 水力不平衡
具有位能和動能的水流通過蝸殼的作用形成環流,再通過分布均勻的固定和活動導葉均勻作用於轉輪激發轉輪旋轉.由於加工和安裝誤差,使奠幡巍懟啤笑桅痞兀?葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時,作用於轉輪的水流失去軸對稱時就產生乙個不平衡橫向力,引起轉輪振動,在空載或低負荷執行時振動強烈.
2 1 2 尾水管低頻水壓脈動
水輪機在非設計工況下執行時,由於轉輪出口處的旋轉水流及脫流旋渦和汽蝕等影響,在尾水管內常引起水壓脈動.尤其是在尾水管內出現大渦帶後如圖1,渦帶以近於固定的頻率在管內轉動,引起水流低頻壓力脈動.當管內水流一經發生,壓力脈動就會激起尾水管壁、轉輪、奠幡巍懟啤笑桅痞兀?
機構、蝸殼、壓力管道的振動.
2 1 3 空腔汽蝕
水流通過水輪機時,其流向、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時水流中產生汽泡,汽泡進入高壓區潰滅時便會出現汽蝕.汽蝕發生時,在汽蝕部位會發生特殊的雜訊和撞擊聲.空腔汽蝕是流道中因漩渦帶引起脫流、負壓而造成的壓力交變產生的振動.
由空腔汽蝕引起機組的頂蓋和推力軸承出現劇烈的垂直振動,它比橫向振動的危害更大.
2 1 4 卡門渦列
恆定流束繞過物體時,在出口邊的兩側出現漩渦,形成旋轉方向相反、有規則交錯排列的線渦,進而互相干擾、互相吸引,形成非線型的渦列、俗稱卡門渦列如圖2.當卡門渦列的衝擊頻率接近於轉動體葉片的固有頻率時,將產生共振,並拌有較強的且頻率比較單一的雜訊和金屬共鳴聲.
2 1 5 間隙射流
在軸流式水輪機中,葉片和轉輪室間隙處由於正背面壓差的存在,會形成一股射流,其速度很高.由於轉輪的旋轉,對轉輪室某一部位來說,交替的出現瞬時壓力公升高和降低,形成週期性的壓力脈動.這種壓力脈動會引起轉輪室振動,如圖3.
2 2 機械因素
振動的機械因素係指振動中的干擾力來自機械部分的慣性力、摩擦力及其它力.其特徵是振動頻率等於機組的轉動頻率或整倍數的機組轉動頻率.引起振動的機械因素主要有:
轉子質量不平衡;機組軸線不正;導軸承缺陷等.
2 2 1 轉子質量不平衡
由於轉子質量不平衡,轉子重心s對軸心o1,產生乙個偏心距e如圖4a所示.當軸以角速度旋轉時,由於失衡質量離心慣性力的作用,軸將產生弓狀迴旋,其中心o1獲得撓度y,如圖4b所示.o1繞o作圓周軸運動,迴轉半徑y就是振幅,這種振動也叫振擺.
其特徵是:振幅是隨轉速度變化而變化的.用公式表示為y=f(ω),ω公升高,y增大;反之ω下降,y減小.
2 2 2 機組軸線不正
在旋轉機械中最理想的是機組中心、旋轉中心及軸線三者重合,其狀態如圖5a,最不理想的是機組中心、旋轉中心與軸線不重合的狀態,如圖 5c.介於二者之間的是旋轉中心與機組中心重合, 機組軸線不正的主要表現形式是軸線與推力頭底平面不垂直和軸線在法蘭結合面處曲折,如圖6所示,由於軸線傾斜和曲折,使機組轉子的總軸向力pa不通過推力軸承中心,就產生乙個偏心力矩.隨著轉子的旋轉,偏心力矩也同時旋轉,使各支柱螺栓的受力是脈動力,其脈動頻率與轉速頻率相同,從而產生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動,轉子也就隨之產生振擺.
軸線不正,也是引起徑向振動的原因之上.
2 2 3 軸承缺陷
當導軸鬆動,或間隙過大潤滑又不良,或軸承與固定止漏環不同心等都會發生幹摩擦,引起機組的橫向振動.
2.3 電磁因素
振動的電磁因素係指振動中的干擾力來自發電機電氣部分的電磁力.其特徵是振動隨勵磁電流的增大而增大.引起電磁振動的主要因素有轉子繞組短路、空氣間隙不均勻等.
2 3 1 轉子繞組短路
當乙個磁極因短路而引起磁動勢減小時,和它相對應的那個磁極的磁動勢並沒有變,因而出現乙個跟轉子一起旋轉的輻向不平衡磁拉力,引起轉子振動.這種振動的大小取決於失去作用的線圈匝數.其振動的振幅與勵磁電流有關,用公式表示為y=f(a),勵磁電流a增加,振幅y增大.
當去掉勵磁,振動立即消失.所以很容易把這種振動和其它原因產生的振動區分開來.
2 3 2 空氣間隙不均勻
當發電機轉子不圓或有擺度時,空氣間隙就會不均勻,從而產生單邊的不平衡磁拉力,隨著轉子的旋轉而引起空氣間隙週期性變化,單邊不平衡磁拉力沿著圓周作週期性移動,引起機組振動.
水輪發電機組執行規程
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水輪發電機組啟動試驗方案
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關鍵詞 水輪發電機 分類 特徵 引言水輪發電機由轉子 定子 機架 推力軸承 導軸承 冷卻器 制動器等主要部件組成。定子主要由機座 鐵芯和繞組等部件組成。定子 轉子 端蓋 電刷 機座及軸承等通常是水輪發電機構成的部件。定子由定子鐵芯 機座 線包繞組以及固定這些部分的其他結構件組成。轉子由轉子磁極 轉子...