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【摘 要】 水轮发电机组只有安全运行才会带来可观的经济效益，但是，在实际运行过程中，水轮发电机组经常会出现剧烈振动的现象，很大程度上会影响电站的正常运行。基于此，本文就水轮发电机运行中剧烈震动的原因及处理措施进行分析与研究。
【关键词】 水轮发电机组；剧烈振动；原因
引言：
水轮发电机组的振动是一种非常有害的现象，影响机组的使用寿命。过分的振动会使焊缝开裂，零部件疲劳断裂飞出，严重威胁着机组的运行安全。但这种振动又是不可避免的，故我们只能在一定的技术能力下将振动尽量地减小，使振动值限制在允许的范围内。
一、机械振动分析
在机械振动中，主要包括相应的导轴承缺陷、机组轴线不合格与轴系曲折、转动（含转轮、转子）质量不平衡等问题。
机械振动方式主要有以下几种：导轴承缺陷、机组轴线不合格与轴系曲折、转动（含转轮、转子）质量不平衡等。
（一）振动则是由于不匹配的转轮叶片与导叶数所致。分析转轮产生的频率为f=n/60*Z。这则是在转轮叶片与导叶数相差l的情况下，此时，经过导叶间，水压脉动传到蜗壳外，则会造成机组或厂房的振动。为了避免此类振动的发生，一般往往通过改变频率的方法，可以通过转轮的短叶片来实现。
（二）水导摆度大和大轴偏磨则是由于转轮不平衡。对于出厂时的转轮来说，轴径偏磨以及安装后水导摆度大，则往往是由于没有能够达到平衡要求的G6.3级平衡精度。
（三）出现轴系曲折或者不合格的机组轴线问题。軸线与推力轴承镜板面不垂直，在旋转中心与机组中心重合的情况下，则这就是机组轴线不正的主要表现形式。一个偏心力矩的产生，往往是由于推力轴承中心并没有产生机组转子的总轴向力，这样的情况下，偏心力矩随着转子的旋转而旋转，脉动力则会作用在各支柱螺栓（或弹簧油箱），当存在转速频率和脉动频率相同的时候，这样就能够使得轴向振动发生在推力轴承各支柱螺栓，也就让转子产生了振摆过程。
二、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：
（一）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；
（二）引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂；
（三）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。
（四）共振所引起的后果更为严重，如机组设备和厂房的共振可使整个设备和厂房毁坏，当尾水管中的水流脉动频率与发电机及电力系统的自振频率接近时，负荷的微小变化所发生的共振，可能引起发电机本身的极大波动和电力系统的大幅度振荡，因而可使机组从系统中解列，对电站和电力系统的安全运行带来严重危害。
（五）机组过大的振动不仅危及水电站的安全运行，而且还影响水电站和电力系统的经济运行。这是因为不少机组均有一明显振动区，为保证机组的安全，应避开振动区运行，这就给机组之间和系统之间负荷的合理分配带来困难，因而不利于水电站和系统的经济运行。
三、振动的原因及特征
与普通的动力机械的区别在于，水轮发电机组振动缘由需要考虑的情况比较多，第一是机组在自己作业运行的时候必不可少的会产生强烈的振动；第二是，水流在水轮机运作时所形成的压力、发电机本身的电磁力和部分固定部件所产生的振动也会对发电机组和它的零件产生振动影响。而且机械、流体、电磁在发电机工作的状态下也是相互作用的。（图1是水轮机发电组示意图）所以，引发水轮机组振动是水力以及机械等各种因素造成的，详细缘由主要体现在以下几个方面：
（一）机械原因
由于机组振动会产生一些干扰力，而这些干扰力主要是因为机械本身的摩擦、惯性力以及一些其他的作用力产生的，所以把这些转子质量不平衡、主轴刚度不够、机组轴线不正等因素归结为机械方面的原因，它的主要特征就是机组转动的频率和转速是相同的、而振幅则随着转速平方的增大而增大。（见下图）
（二）水力方面的原因
水力方面的原因主要是动力水压对水轮机的干扰，而且在这一方面是比较不受控制的，有着很大的随机性。特别是在水轮机运行过度或者在非设计的环境下工作时，机组的一部分组件会因为不理想的水流状况而振动加速甚至断裂。机组的振动一般是随水头的降低而减弱，因为单位体积水流的能量取决于水头，高负荷、低水头时振动的频率才会有所下降。具体使得机组振动的水力方面的原因在以下几个方面有所体现：
1.通流器件中水力不平稳。当水流进入转轮时，出现不对称情况，就会产生不稳定的横向作用力，然后使器件喘振，并且在低载荷或者零载荷运行时，会有高强度振动。所以流通通道不对称会造成流体不对称。
2.尾水管产生涡流带。涡流带是一种复杂流体形式，定桨式流体输送机在局部载负（器件开度40%～70%或最优流体流量的30%～80%）的时候，尾部流通管中出现的一种不平稳的流体模式。这一流体模式大致上会呈现螺旋形状，它的涡流核心会偏向某一方向转动，令尾部流通管的流体出现大幅度的低压脉冲，它的脉冲率为Fw=n/（3～6），范围在40%～70%器件开度时，脉冲压力的数值会出现最大值，造成不正常运转。在涡流带脉冲率和发电机部件的振动频率产生共振时，该单元器件会产生振动减少发电量；在脉冲率和刚性管道流体振动频率或者压力钢管自有振荡频率相似的时候，就可以让刚性管道出现非常大的流体振动；在涡流带的频率和基地工程自有振动频率近似的时候，会造成基地工程强烈振荡。
3.卡门涡流。在流体绕经轮片从入口那边输出的时候，会在输出口那边出现涡流列，当在轮片的正反面间断轮流出现时，会令轮片受到流体的撞击。在撞击频率和轮片自身振动频率接近时，就会发生共振情况。一般只有处在某一范围内的水头和开度时，才会发生一般涡流列造成的振荡，并造成轮片底部或者轮叶边缘出现裂痕，事故发生时可能会有声响。 4.尾部流通管安装位置低。转桨式流体输送机的尾管一般安装位置很低，流体输出口会出现不稳流体，如果拐弯之前还不稳定，并且低尾管会造成流体与弯道管入口之间距离缩小，不平稳流体在进行拐弯时，会出现周期的作用力进行干扰，引发单元部件的振荡。
（三）电气因素造成的振动
发电机组中电气引发的磁场力是产生该单元机组振荡的主要因素，其振动幅度随着电磁流量的增大而增大，并且发电机组在不对称的三相电流中、发电机组出现故障时运行机组转子接地、磁场不均等都是它的重要特征。其中一点是机组转子的接地：发电机组在运转时，因为产生转子接地的状况，可能造成一些短路等故障，会让电阻值减小，大量的电流经过故障点时，容易产生电场的不平稳，让发电機组振荡激烈。
四、处理措施
查明振动原因后，对不同情况采取不同措施，对于水轮机振动一般有以下几种方法：
（一）尾水管装十字架补气，十字架本身可以破坏尾水管中旋流，减小压力脉动，同时涡带内补气也可消除振动。故县电厂即采用此种形式。
（二）轴心补气，从主轴中心孔向转轮补气，有时候也能消除水力原因引起的振动。
（三）阻水栅防振，在尾水管内加装阻水栅，使之改变涡带的旋转频率，破坏共振。此法在湖南风滩电厂得到应用，效果明显。
（四）加支撑筋消振，在转轮叶片间加支撑筋，对解决涡列引起的叶片振动有一定效果。
（五）调整止漏环间隙，当高水头水轮机止漏环间隙小时，要适当加大；如有偏心，要设法消除，可以得到良好的消振效果。
（六）避开振动区运行，当掌握水轮机振动区后，在没有解决振动问题之前，应尽可能避开在此区域运行。
五、结束语
导致水轮发电机组产生剧烈振动的原因就是主轴的刚度严重不足、安装不当。在这种情况下，如果运行的时间相对较短，机组不会产生太大的问题，但是如果运行时间相对较长，那么就会给整个水轮发电机组带来较大的麻烦，产生剧烈的振动，影响水轮发电机组的正常运行。因此，对于水电站来说，在对水轮发电机组进行管理时，一定要经常进行检查和维修，遇到故障要找出真正的原因，然后采取合适的措施来彻底解决问题。只有这样，才能保证水轮发电机组的正常运行。
参考文献：
[1]汪文波，赵鸿.水轮发电机组运行中剧烈振动故障诊断及处理[J].天水师范学院学报，2008，02：92-94.
[2]毛廷贵.浅议水轮发电机组运行剧烈振动时异常声音的分析及处理[J].中国水运（下半月），2008，04：179-180.
[3]陈泰山.水轮发电机组运行时剧烈振动和异常声音的分析及处理[J].中国科技信息，2005，18：116-128.
[4]翟建平.水轮发电机组推力头镜板缺陷引起机组振动的原因分析及处理[J].水利水电技术，2012，02：69-71.
【关键词】 水轮发电机组；剧烈振动；原因
引言：
水轮发电机组的振动是一种非常有害的现象，影响机组的使用寿命。过分的振动会使焊缝开裂，零部件疲劳断裂飞出，严重威胁着机组的运行安全。但这种振动又是不可避免的，故我们只能在一定的技术能力下将振动尽量地减小，使振动值限制在允许的范围内。
一、机械振动分析
在机械振动中，主要包括相应的导轴承缺陷、机组轴线不合格与轴系曲折、转动（含转轮、转子）质量不平衡等问题。
机械振动方式主要有以下几种：导轴承缺陷、机组轴线不合格与轴系曲折、转动（含转轮、转子）质量不平衡等。
（一）振动则是由于不匹配的转轮叶片与导叶数所致。分析转轮产生的频率为f=n/60*Z。这则是在转轮叶片与导叶数相差l的情况下，此时，经过导叶间，水压脉动传到蜗壳外，则会造成机组或厂房的振动。为了避免此类振动的发生，一般往往通过改变频率的方法，可以通过转轮的短叶片来实现。
（二）水导摆度大和大轴偏磨则是由于转轮不平衡。对于出厂时的转轮来说，轴径偏磨以及安装后水导摆度大，则往往是由于没有能够达到平衡要求的G6.3级平衡精度。
（三）出现轴系曲折或者不合格的机组轴线问题。軸线与推力轴承镜板面不垂直，在旋转中心与机组中心重合的情况下，则这就是机组轴线不正的主要表现形式。一个偏心力矩的产生，往往是由于推力轴承中心并没有产生机组转子的总轴向力，这样的情况下，偏心力矩随着转子的旋转而旋转，脉动力则会作用在各支柱螺栓（或弹簧油箱），当存在转速频率和脉动频率相同的时候，这样就能够使得轴向振动发生在推力轴承各支柱螺栓，也就让转子产生了振摆过程。
二、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：
（一）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；
（二）引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂；
（三）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。
（四）共振所引起的后果更为严重，如机组设备和厂房的共振可使整个设备和厂房毁坏，当尾水管中的水流脉动频率与发电机及电力系统的自振频率接近时，负荷的微小变化所发生的共振，可能引起发电机本身的极大波动和电力系统的大幅度振荡，因而可使机组从系统中解列，对电站和电力系统的安全运行带来严重危害。
（五）机组过大的振动不仅危及水电站的安全运行，而且还影响水电站和电力系统的经济运行。这是因为不少机组均有一明显振动区，为保证机组的安全，应避开振动区运行，这就给机组之间和系统之间负荷的合理分配带来困难，因而不利于水电站和系统的经济运行。
三、振动的原因及特征
与普通的动力机械的区别在于，水轮发电机组振动缘由需要考虑的情况比较多，第一是机组在自己作业运行的时候必不可少的会产生强烈的振动；第二是，水流在水轮机运作时所形成的压力、发电机本身的电磁力和部分固定部件所产生的振动也会对发电机组和它的零件产生振动影响。而且机械、流体、电磁在发电机工作的状态下也是相互作用的。（图1是水轮机发电组示意图）所以，引发水轮机组振动是水力以及机械等各种因素造成的，详细缘由主要体现在以下几个方面：
（一）机械原因
由于机组振动会产生一些干扰力，而这些干扰力主要是因为机械本身的摩擦、惯性力以及一些其他的作用力产生的，所以把这些转子质量不平衡、主轴刚度不够、机组轴线不正等因素归结为机械方面的原因，它的主要特征就是机组转动的频率和转速是相同的、而振幅则随着转速平方的增大而增大。（见下图）
（二）水力方面的原因
水力方面的原因主要是动力水压对水轮机的干扰，而且在这一方面是比较不受控制的，有着很大的随机性。特别是在水轮机运行过度或者在非设计的环境下工作时，机组的一部分组件会因为不理想的水流状况而振动加速甚至断裂。机组的振动一般是随水头的降低而减弱，因为单位体积水流的能量取决于水头，高负荷、低水头时振动的频率才会有所下降。具体使得机组振动的水力方面的原因在以下几个方面有所体现：
1.通流器件中水力不平稳。当水流进入转轮时，出现不对称情况，就会产生不稳定的横向作用力，然后使器件喘振，并且在低载荷或者零载荷运行时，会有高强度振动。所以流通通道不对称会造成流体不对称。
2.尾水管产生涡流带。涡流带是一种复杂流体形式，定桨式流体输送机在局部载负（器件开度40%～70%或最优流体流量的30%～80%）的时候，尾部流通管中出现的一种不平稳的流体模式。这一流体模式大致上会呈现螺旋形状，它的涡流核心会偏向某一方向转动，令尾部流通管的流体出现大幅度的低压脉冲，它的脉冲率为Fw=n/（3～6），范围在40%～70%器件开度时，脉冲压力的数值会出现最大值，造成不正常运转。在涡流带脉冲率和发电机部件的振动频率产生共振时，该单元器件会产生振动减少发电量；在脉冲率和刚性管道流体振动频率或者压力钢管自有振荡频率相似的时候，就可以让刚性管道出现非常大的流体振动；在涡流带的频率和基地工程自有振动频率近似的时候，会造成基地工程强烈振荡。
3.卡门涡流。在流体绕经轮片从入口那边输出的时候，会在输出口那边出现涡流列，当在轮片的正反面间断轮流出现时，会令轮片受到流体的撞击。在撞击频率和轮片自身振动频率接近时，就会发生共振情况。一般只有处在某一范围内的水头和开度时，才会发生一般涡流列造成的振荡，并造成轮片底部或者轮叶边缘出现裂痕，事故发生时可能会有声响。 4.尾部流通管安装位置低。转桨式流体输送机的尾管一般安装位置很低，流体输出口会出现不稳流体，如果拐弯之前还不稳定，并且低尾管会造成流体与弯道管入口之间距离缩小，不平稳流体在进行拐弯时，会出现周期的作用力进行干扰，引发单元部件的振荡。
（三）电气因素造成的振动
发电机组中电气引发的磁场力是产生该单元机组振荡的主要因素，其振动幅度随着电磁流量的增大而增大，并且发电机组在不对称的三相电流中、发电机组出现故障时运行机组转子接地、磁场不均等都是它的重要特征。其中一点是机组转子的接地：发电机组在运转时，因为产生转子接地的状况，可能造成一些短路等故障，会让电阻值减小，大量的电流经过故障点时，容易产生电场的不平稳，让发电機组振荡激烈。
四、处理措施
查明振动原因后，对不同情况采取不同措施，对于水轮机振动一般有以下几种方法：
（一）尾水管装十字架补气，十字架本身可以破坏尾水管中旋流，减小压力脉动，同时涡带内补气也可消除振动。故县电厂即采用此种形式。
（二）轴心补气，从主轴中心孔向转轮补气，有时候也能消除水力原因引起的振动。
（三）阻水栅防振，在尾水管内加装阻水栅，使之改变涡带的旋转频率，破坏共振。此法在湖南风滩电厂得到应用，效果明显。
（四）加支撑筋消振，在转轮叶片间加支撑筋，对解决涡列引起的叶片振动有一定效果。
（五）调整止漏环间隙，当高水头水轮机止漏环间隙小时，要适当加大；如有偏心，要设法消除，可以得到良好的消振效果。
（六）避开振动区运行，当掌握水轮机振动区后，在没有解决振动问题之前，应尽可能避开在此区域运行。
五、结束语
导致水轮发电机组产生剧烈振动的原因就是主轴的刚度严重不足、安装不当。在这种情况下，如果运行的时间相对较短，机组不会产生太大的问题，但是如果运行时间相对较长，那么就会给整个水轮发电机组带来较大的麻烦，产生剧烈的振动，影响水轮发电机组的正常运行。因此，对于水电站来说，在对水轮发电机组进行管理时，一定要经常进行检查和维修，遇到故障要找出真正的原因，然后采取合适的措施来彻底解决问题。只有这样，才能保证水轮发电机组的正常运行。
参考文献：
[1]汪文波，赵鸿.水轮发电机组运行中剧烈振动故障诊断及处理[J].天水师范学院学报，2008，02：92-94.
[2]毛廷贵.浅议水轮发电机组运行剧烈振动时异常声音的分析及处理[J].中国水运（下半月），2008，04：179-180.
[3]陈泰山.水轮发电机组运行时剧烈振动和异常声音的分析及处理[J].中国科技信息，2005，18：116-128.
[4]翟建平.水轮发电机组推力头镜板缺陷引起机组振动的原因分析及处理[J].水利水电技术，2012，02：69-71.