水轮机和发电机振动及主轴摆动的原因与对策
中国东方电气集团公司 菊 平
摘要 综合介绍水电站水轮机和发电机振动及主轴摆动产生的原因与一般可以采取的对策。
关键词 水轮机 发电机 振动 主轴摆动 原因 对策
1 引言
水轮机和发电机的振动及主轴摆动是水电站设计乃至运行维护中一个特别重大的课题。它作为新机安装或者机大修试运时的动态质量评价，及为日常维护尽早发现异常和防止振动造成二次事故等均显得尤为重要。
基于上述情况，日本于80年代成立水力发电调查专业委员会，对本国9个电力公司及电源开发股份有限公司进行了关于振动和主轴摆动的管理标准、保护设备、振动和轴摆值的现状以及故障实例的调查，并参考制造厂资料及IEC、VDI的规范草案，作了下列主要内容的研究。 (1)主要原因及对策；
(2)管理方法和标准(含监视保护设备)； (3)调研和解析方法； (4)国际规范等动向； (5)振动、轴摆实地调研。 调研范围是：
（1）水电站主要水轮机及发电机(含抽水蓄能机组)；
（2）不计电网振荡、控制设备、压力钢管及厂房引发的振动。
2 产生原因及其对策
2．1 起源于水轮机的振动 2．1．1 尾水管内振动
2．1．1．1 旋转水流引发的振动
从混流式水轮机转轮流出的水的方向在正常运转情况下几乎是轴向的，但当负荷比额定值大的时候(或者水头高的时候)则产生与转轮转动方向相反的旋转成份；而负荷比额定值小的时候(或者水头低的时候)则产生与转轮转动方向相同的旋转成份，于是在尾水管中心附近产生具有一定边界的旋转水流，尾水管出口水压低时(尾水位低时)，旋转水流的中心出现低压形成空腔。该旋涡中心在过负荷情况下大多比较稳定，而在部分负荷时则变成龙卷形，在尾水管内摆动和旋转。其频率f通过在尾水管壁可以听见的“嚓”、“嚓”声或压力脉动不难测知，其值一般为：
f=n/60z （1）
式中f——旋转水流的频率，Hz； n——水轮机转速，r／min；
z——通常3～4，有些情况可取1．5。
尾水管内产生旋转水流的现象，在严重时会诱发压力钢管(当和钢管共振时)、厂房振动及电网振荡。减轻这一危害的对策有在尾水管安装补气管；或如图1所示在尾水管水流方向安装翅片等。
2．1．1．2 高尾水位部分负荷运行时的振动
尾水管内旋转水流的频率通常为水轮机旋转频率的1／3～1／4，但当尾水位高时，在导叶开度被极度限制的小范围(30％～40％)内，旋转水流的频率则接近于水轮机的旋转频率。换言之，每一台水轮机都有适合于该水轮机的气蚀系数σ。但σ过高时旋转水流的旋转就会加快，水压脉动亦增大。图2～4是其一例。
图2中横轴表示气蚀系数σ，竖轴表示尾水管内旋转水流的频率f。由图可知，导叶开度在45％，即使改变气蚀系数σ，旋转水流的频率也不变化。但当导叶开度为30％时，旋转水流频率则发生大的改变。
图3和图4横轴表示导叶开度，竖轴为水压脉动、旋转水流的频率及旋转水流频率与水轮机转速之比。从图3和图4也可看出，在导叶小开度情况下水压脉动及其频率有所增大。