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摘要：水电站的建设运行中，水轮发电机机组的振动问题一直是一个困扰业界的难题。因此本文就如何解决发电机组的异常振动问题做以探索，以期寻找到更加安全，节能的处理办法。
关键词：水轮发电机组；振动；原因；解决对策
我国的水电站建设从建国以来取得了显著的成效，不仅建有世界最大的水电站——三峡水电站，而且技术也是处于世界领先地位，对外承揽了许多水电站建设项目，如俄罗斯维捷布克水电站等，目前三峡水电站已达到了总装机1820万千瓦，年发电量846.8亿千瓦时，这些都是我们发展中取得的成就，但在水电站的建设中也遇到了一系列的问题，其中水轮发电机组的振动就是其一，下面我们就这个问题做以具体的探析，并寻求最佳的解决方案。
一、水轮发电机发生振动的类型
（一）机械振动
机械内部零件的摩擦力，运动的惯性力，以及转动的离心力等均可以干扰振动从而引起水轮发电机组的异常振动。同时引起振动的机械因素还有:转动的机组部分质量不均衡，这样由于转子偏重在转动过程中就会产生离心惯性力，机组的转动部分会有规律性地受到离心惯性力的强迫作用；正常情况下，机组的轴线是垂直于推力头底平面的，当机组转子的振摆超出设计长度，并且轴线与底面产生夹角时，会造成其转动部分的总轴向力与推力轴承中心不在同一条直线上；这种偏离导致水力以及磁力都不同心;不断振动的转子以及导轴承的缺陷，诸如松动或者缝隙大、无润滑，产生了干摩擦，都会出现横向振动。
（二）水力产生的振动
水力发电本身就是运用水流的势能和动能并利用蜗壳的作用产生环流，再通过导叶推动转轮，从而产生电能这一原理。在加工和安装过程中，如果产生了误差,而使导水叶叶片、流道出现不符合标准的尺寸与形状时,快速的水流对转轮的作用时将不会再保持轴对称，这样就出现了不平衡横向力,这就是转轮振动的原因,这种情况在空载或低负荷运行时格外明显。
1.尾水管内引起的脉动
水轮机在操作环境出现异常时,出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀的影响下,对尾水管内会产生一个水压脉动。尤其是大涡带条件下,以相似的频率在管内运动,就形成了水流低频压力脉动。而当管内水流开始运行时,这种脉动就会激起尾水管壁、转轮等的发生共同振动。
2.汽蚀现象引起振动
水流在水轮机导叶的作用下,流向、流速改变了方向,在流速增高时以及脱流部位压力降低到汽化压力时就产生了汽泡,而汽泡溃灭时在高压区便会出现汽蚀。这时在汽蚀部位会发出特殊的噪声和撞击声。所谓空腔汽蚀则是流道中脱流、负压造成的压力间互作用而产生的振动。空腔汽蚀往往会使得机组的顶盖和推力轴承发生剧烈的垂直振动,这个振动的危害更大。
3.卡门涡列共振
恒定流束在遇到障碍物时,则会在两侧出现漩涡,而这一旋涡由于叶片的规则排列对其的作用产生了整齐排列的线涡,线涡在吸引的同时又互相干扰,这样形成的非线型的涡列就是所谓的卡门涡列。当涡列的频率接近转动体叶片的固有频率时,就产生了共振,此时的声音通常为较强的且频率比较单一以及金属共鸣声。
4.高速的射流引起脉动振动
轴流式水轮机的正反两面会有压力差,原主力差的作用下会伴随有射流,此射流速度很高。在转轮的旋转起来时,射流会对某一部位集中的作用而产生瞬时压力升高和降低,这样就出现了周期性的脉动。此脉动就是引起转轮室振动的原因。
（三）电磁振动
众所周知发电机电气部分会产生电磁力。而电磁力会引起振动。为了有效地防治电磁振动，就要具体分析其构成因素。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。
1.转子绕组短路
电磁拉力往往是由于辐向不平衡拉力造成的，而这个拉力的产生则是源于有一端磁极短路而使该端的磁动势减小,同时和它相对应的另一个磁极的磁动势不变,这样就出现了一个辐向不平衡磁拉力,这个拉力会引起转子振动。其振动的大小视失去作用的线圈匝数而定。具体的计算振幅与励磁电流的关系式为Ｙ=ｆ(Ａ),励磁电流Ａ增加,则振幅Ｙ同时增大，二者呈函数关系。
2.空气间隙不均匀
当发电机转子出现了形变，比如说不圆或有摆度,就会出现单侧的不平衡磁拉力,这一拉力会周期性的随着转子的旋转沿着圆周作移动,这就造成了机组振动。
二、引起水轮发电机发生振动的原因
水轮发电机之所以会产生振动，不外乎下面几种原因，水力因素，机械因素，电磁因素，下面就这几种具体情况加以解释说明。
（一）水力引起振动的原因
运行水头情况要稳定，各种水力方面情况因季节变化不大，水力方面就会对机组摆度增大影响就小。
（二）机械引起的振动原因
转子的质量偏差以及机组的轴线位置还有轴承的性能均影响着机械振动。
（三）电磁力干扰引起振动的原因
发电机的电气部分的电磁力对机组摆度的影响效果明显，该振动是励磁电流的增函数。
为了区分具体的振动产生的原因，以便找到适当的解决办法，可以分别做以下几个试验：
1.转速试验
使机组在低于额定转速的情况下旋转，并测出导轴承支持机架内端的振幅及频率，并绘制出相应的曲线，如果机组在该范围内，振幅一直高于设计值，这样先改变转速，如果这样也改变不了振幅，而振动频率与转速频率又保持相同，那就证明：轴线曲折，盘车的摆度不对，致使导轴承不同心，同时伴有主轴与固定部件有偏磨等。要是振幅随机组改变面改变，且成正比，二者的频率又一致，则说明此振动是由于静(动)不平衡所引起的，
2.励磁试验
在设计范围内加励磁电流，测绘出振幅与励磁电流的曲线。如果振幅随励磁电流变化，则证明该振动源于磁拉力不平衡，此时需考虑发电机空气间隙问题，线圈有无短路现象，是否出现了第二气隙等。另外，将负荷逐步加大，分别测量各种情况下的振幅及导叶接力器行程，并绘制图像或关系曲线。如果振幅随负荷增减而同向变化时，且水轮机导轴承处的振幅变化大于上导轴承处的振幅变化，则说明是由于水力不平衡引起机组的振动。
3.调相试验
暂时将导叶关闭，机组转为调相运行模式，如果此时发现机组振幅减小很多，则说明干扰力源为水力振动；若振幅不改变，则振动的干扰力源则为机械和电磁。
三、水轮发电机振动过大的危害
既然振动是水轮发电机不可避免的问题,那么接下来我们要研究的就是将其振幅尽可能的缩小,以确保机组安全正常运行。接下来我们看看较大振动对机组影响有哪些:
(1)机组的转动部分和轴承在振动时会受周期性交变力的作用,这样就使得螺栓发生松动、有焊缝的地方会发生开裂、还会使主轴损坏;机组中本来固定的轴承、机架等会在振动下发生变形、松动;还有干摩擦会将转动部件及静止部件扫膛而损坏。
(2)零部件的焊缝就是由于振动引起并加大的，严重的还要发生断裂。
(3)低频压力脉动的产生直接引起了尾水管壁产生裂缝，其共振还会引起机组产生振动,这样就改变了机组的输出频率并破坏了波形,最可怕的是解列,因为它不仅降低供电的质量,还会危及周围的厂房及建筑物。
(4)同时机组的稳定性也会遭到振动的破坏，直致机组无法正常运行。
(5)不通过轴心的总轴容易烧瓦及结构损坏，导致恶性循环
(6)干摩擦会产生一个摩擦力矩，在该力矩影响下主轴向逆时针方向发生偏离，结果造成机组转动部分的横向抖动，即”甩轴”现象。
(7)还有地些严重的共振会造成过速试验或飞逸情况。
水轮机组由于振动产生的经济损失现举例说明：某工厂1.25万功率的机组，由于振动产生是水轮机停机检修，延误了十天的工期，假使每天开机可以达到20小时，则损失的发电量为250万（度）；同样是该机且，若烧瓦一次，则至少抢修七天，损失的发电量为175万（度）。由此可见，水轮发电机组的振动产生的危害是不可估量的。因此一定要在设计施工中尽可能的找到振动产生的原因，并采取有力的措施将其消除到中控范围内。这样才能使水轮发电机组在安全，高效中运行。
四、水轮发电机振动的分析方法
水轮发电机组产生的振动多种多样，只有找出具体原因，对症下药，才能够从根本上消除这一振动产生的影响。因此采用不同的测试方法来区分不同的振动就显得尤为重要，下面就不同的振动采取的测试方法加以一一说明。
目前大多彩用机械测振法、电测法和光测法三种。其中前两种方法应用更广泛。
（一）机械测振法
机械测振仪是测量振动的频率的装置，同时它也可以测量振动的位移情况，多用于低频振动，通过笔式的记录装置记下振动的时间历程，通过对比，得出振动的频率，类似常见的心电图装置。
还有一种中做千分表，千分表比较简单，用来直接测量振动的振幅就可以。其原理大致为将千分表固定在所测机组的部位，方向与振动方向保持一致，这样，当振动时就可以通过千分表直接读出振幅。
手握式惯性测振仪。与机械式测振仪有相似的地方，都是通过记录装置记录下振动的图像，通过图像计算出频率及位移，所不同的是此仪器是可以手持。
固定式测振仪。是升级版的千分表，其原理与千分表相同，不同的是千分表是置于重块外的，而固定式测振仪是将千分表嵌在重块内的，这样就不同于千分表，这种测振仪适合于测试无法悬挂千分表的机组位置。
（二）电气测振法
电气法测振系统主要由传感器、显示器、示波器、记录仪器等组成。传感器是将机械振动产生的量的变化转换成电量或电参数的变化器件。由传感器将输出量与输入量之间的关系，经过测振仪的计算出振动量，再通过示波仪拍照，记录振幅及频率。
五、解决水轮发电机振动异常的主要方法
振动是旋转机械不可避免的现象,但可以通过研究将其振幅限制在可以忽略的范围内,就能确保水轮机机组的安全正常运行。
首先要将大、中型机组的临界转速设计值大于飞逸转速值的120%;其次应缩短水轮机组的开、关机时间,以减少共振;找正大轴中心,不使中心发生偏移，从而产生摩擦起振动；再次应当进一步加强轴系和支承系统的刚度，也是为了减少因摩擦产生的变形和偏心力；最后应减少气蚀的发生。
要想提高水轮发电机机组的运行质量和寿命，就应当对发电机的转动部件进行校平衡。校动静平衡的基本原理是利用转动时如果重量不平衡则会产生离心力进而产生振动现象，那么就需要找出不平衡重量的位置及大小，再用通过平衡重量以消除振动。校动平衡，就是人为地干涉转子的不平衡性。用一试重块，通过模拟转子的转动，找到并求出转子原有不平衡力的大小及方位，并采取措施，在它的对称位置加配重块，使配重块与原有的不平衡力互相抵消，这样就达到了减少振动的目的。在大型水轮发电机组的建设中做好动静平衡的试验可以大大原减少水轮发电同组的振动。
在水力振动方面，在安装导叶的关闭油路时可以分段安装关闭阀，这样就延缓了导叶的关闭速度，也就减小了脱流造成的机组振动。还可以通过联桨叶与手动的方式相结合，以减小机组的振动。反复的进行开机试验，将电磁振动减小到可控范围内。要考核一个机组运行的是否稳定主要就是看水轮发电机的稳定性，因此在设计水轮发电机组时一定要克服振动指标，这样才能提高整个机组的安全性与稳定性。其主要指标主要以下几个方面：其出力的波动和工作水头；水流周期性冲击；水压力脉动、调速系统的振荡、机组内部不正常的音响（噪音、异常声音）、机组支承部分的振动机组转子振摆、等。由于水发电机组是由若干个零件组合而成，其间不可避免的会有接触与摩擦，我们的研究课题是那些会引起零部件产生形变及位移的振动。主要是由于这些振动将导会造成机组运行参数的波动，或者影响机组的供电质量及负荷分配，有的还会引发安全事故，从而威胁机组的安全运行，直至缩短了机组的使用寿命。所以，振动是衡量机组设计、制造、安装和检修质量的一个综合性技术指标，也是造成机组的不安全隐患的主要方面。但这种振动又是不可避免的，我们必需对水轮发电机组的振动予以足够的重视，了解它的基本规律，及时地发现异常振动表象，并准确进行检查、细致的分析、判断，采取有效的消振措施，将振动控制在安全的范围之内。
水轮发电机组的振动是造成机组的不安全隐患之一，所以一定要将这一危害减少到最小范围内，这样才能提高水轮发电机组的工作效率，不至于因为振动影响机组的工作寿命，损失经济效益。
六、结语：
我国水电站建设技术已经日趋成熟，并处于世界领先地位，如何保持并发扬这一优势，取决于我们处理水发电机组异常振动的措施是否得力，虽然在实践过程中仍存在着技术难题，但我们已找寻到了合理的处置办法，并将在以后的工作中不断改进。因此本文旨在讨论水轮发电机组的振动问题，以此抛砖引玉，找出这一难题的最佳解决方案，将我国的水电站建设水平推向一个新的高度。
参考文献：
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