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水輪發(fā)電機組的振動(dòng)與一般動(dòng)力機械振動(dòng)有一定差異，機組振動(dòng)的現象是比較明顯的，但振源往往是隱蔽的，除了機器本身轉動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外，還需考慮發(fā)電機電磁力以及作用于水輪機過(guò)流部分的流動(dòng)壓力對系統及其部件振動(dòng)的影響。

引起水輪發(fā)電機組振動(dòng)的原因多種多樣，往往是幾種振源同時(shí)存在，通常認為使機組產(chǎn)生振動(dòng)的干擾力源主要來(lái)自水力、機械和電氣三個(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)電機組的一般振動(dòng)不會(huì )危害機組，但當機組振動(dòng)超過(guò)允許值，尤其是長(cháng)期振動(dòng)及發(fā)生共振時(shí)，對供電質(zhì)量、機組使用壽命、附屬設備及儀器的性能、機組基礎和周?chē)慕ㄖ?，甚至對整個(gè)水電站的安全經(jīng)濟運行等，都會(huì )帶來(lái)嚴重的危害。

其危害性大致有以下幾類(lèi)：

1)引起機組零部件金屬和焊縫間疲勞破壞區的形成和擴大，從而使之產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂損壞而報廢。

2)使機組部分緊固部件松動(dòng)，不僅會(huì )導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)加速機組轉動(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)電機轉子振動(dòng)過(guò)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(guò)水系統發(fā)生振蕩，機組出力擺動(dòng)，使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴重時(shí)可使整體尾水設施遭到破壞。

5)水輪機組共振引起的后果更加嚴重。如機組設備與廠(chǎng)房的共振，可使整個(gè)設備和廠(chǎng)房遭到不同程度的損壞。

水力振動(dòng)由水輪機水力部分的動(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：尾水管內低頻渦帶、卡門(mén)渦列、葉道渦引起的水力不穩定、過(guò)度過(guò)程中的不穩定現象、水力不平衡、空腔汽蝕、間隙射流(軸流式水輪機)等。

一、尾水管內低頻渦帶

尾水管內低頻渦帶是混流式水輪機和軸流定槳式水輪機在部分負荷時(shí)尾水管中出現的一種不穩定流動(dòng)現象。水輪機在非設計工況下運行時(shí)，由于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(dòng)。尤其是在尾水管內出現大渦帶后，渦帶以近于固定的頻率在管內轉動(dòng)，引起水流低頻壓力脈動(dòng)。當管內水流一經(jīng)發(fā)生，壓力脈動(dòng)就會(huì )激起尾水管壁、轉輪、導水機構、蝸殼、壓力管道的振動(dòng)。

預防和處理措施：

1)優(yōu)化水力設計。采用負傾角轉輪翼型、合理設計葉片出口環(huán)量分布規律、適當的上冠和泄水錐，對高水頭混流式轉輪可考慮采用帶副葉片的轉輪等。

2)避開(kāi)振動(dòng)工況區運行。

3)改變水流的流動(dòng)和旋轉狀況；如加長(cháng)泄水錐；加長(cháng)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)機組運行中對渦帶區進(jìn)行適當補氣，一般采用自然補氣,必要時(shí)也可強迫補氣。

二、卡門(mén)渦列

當水流流經(jīng)非流線(xiàn)型障礙物時(shí)，在出口邊的兩側出現漩渦，形成旋轉方向相反、有規則交錯排列的漩渦，進(jìn)而互相干擾、互相吸引，形成非線(xiàn)型的渦列，俗稱(chēng)卡門(mén)渦列。這種渦列交替地作順時(shí)針或逆時(shí)針?lè )较蛐D，在其不斷形成與消失過(guò)程中，會(huì )在垂直于主流方向引起交變的振動(dòng)力。當卡門(mén)渦列的頻率與葉片固有頻率接近時(shí)，葉片動(dòng)應力急劇增大，有時(shí)發(fā)出響聲，甚至使葉片根部振裂。

預防和處理措施：

1)削減轉輪葉片或固定導葉出水邊的厚度,提高卡門(mén)渦頻率,避開(kāi)共振;

2)在葉片間加支撐,改變葉片的自振頻率;

3) 水輪機設計階段,預測卡門(mén)渦列的頻率、葉片與導葉的固有頻率,使錯開(kāi)卡門(mén)列渦和繞流部件頻率。

三、葉道渦引起的水力不穩定

混流式水輪機在偏離最優(yōu)工況時(shí)，葉片進(jìn)口的沖角增大,如果水流沖角過(guò)大，會(huì )導致葉片頭部脫流，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(lái)流在設計水頭以上是正沖角，脫流發(fā)生在上冠葉片進(jìn)口的背面；來(lái)流在設計水頭以下是負沖角，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。從水輪機模型試驗觀(guān)察是從轉輪葉片間流出來(lái)的,隨著(zhù)水輪機工況變化,當2～3個(gè)葉片間同時(shí)開(kāi)始出現可見(jiàn)的渦流,則認為在該工況下發(fā)生了葉道渦。

四、過(guò)渡過(guò)程中的不穩定現象

當水輪機工況發(fā)生變化時(shí)，會(huì )產(chǎn)生水力過(guò)渡過(guò)程，機組往往發(fā)生各種振動(dòng)。水力過(guò)渡過(guò)程包括小波動(dòng)和大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程，在小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中，靠水輪機調速器調節能夠很快達到穩定，而大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中，如機組啟動(dòng)、停機、負荷突然增減、甩負荷、同步調相、事故飛逸等過(guò)程中，通過(guò)水輪機的水流狀態(tài)必然更加紊亂、復雜，不但會(huì )引起水力不穩定現象，還可能在轉輪等部件上產(chǎn)生多種高頻動(dòng)應力。

五、水力不平衡

具有位能和動(dòng)能的水流通過(guò)蝸 殼的作用形成環(huán)流,再通過(guò)均勻分布的固定和活動(dòng)導葉均勻作用于轉輪,并激發(fā)轉輪旋轉。由于加工和安裝誤差,使導水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時(shí),作用于轉輪的水流失去軸對稱(chēng)時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)不平衡橫向力,引起轉輪振動(dòng),在空載或低負荷運行時(shí)振動(dòng)強烈。

六、機械因素

水輪機和發(fā)電機兩者結構所造成的機組機械振動(dòng)多種多樣, 主要有： 轉動(dòng)軸系)質(zhì)量不平衡、機組軸線(xiàn)不正或對中不良、導軸承缺陷或間隙調整不當、機組支撐結構或軸系剛性不足和軸密封調整不當等。

1.轉動(dòng)部分質(zhì)量不平衡

如果機組轉動(dòng)部件(主要是轉子)在制造、安裝與檢修過(guò)程中存在質(zhì)量不平衡，運轉中會(huì )產(chǎn)生強大的離心力，引起轉子弓狀回旋，增加軸承磨損，降低機械效率,形成轉子和軸承的振動(dòng)，甚至引發(fā)破壞性事故。由于轉子質(zhì)量不平衡，轉子重心與軸心產(chǎn)生一個(gè)偏心距。當主軸旋轉時(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)也越嚴重。

2.機組軸線(xiàn)不正或對中不良

由于轉子、轉輪幾何中心偏離旋轉中心，運行中會(huì )產(chǎn)生橫向及縱向振動(dòng)，直接形成回旋對推力軸承、導軸承均構成威脅，還能增大離心慣性力，兩者都使振幅增大。對新投產(chǎn)的機組，一般不會(huì )由于軸線(xiàn)不正而引起劇烈振動(dòng)，但對于運行一段時(shí)間后的機組，由于某種原因使軸線(xiàn)改變，如推力頭與軸配合不嚴密、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 )引起機組振動(dòng)。

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