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摘要：随着地球环境的每况愈下，以及人们环保意识的增强，水轮发电机组得到了广泛应用，但是水轮发电机组振动故障，严重影响水轮发电机组的正常运行和发电效益,要清除振动故障,必须认清振动的原因,找准振源。从机械、水力、电磁等三个方面分析了引起水轮发电机组振动的主要原因及特征。本文阐述了水轮发电机组现场振动故障诊断。
關键词：水轮发电机组；振动；故障；诊断
中图分类号：U472.42 文献标识码：A 文章编号：
1、引言
随着我国经济的发展，对电力需求不断增加，水轮发电机组得到了广泛应用，但是出现振动故障的频率不断增加，严重影响机组的安全运行和发电效率，水轮机振动故障会引起结构上的疲劳破坏,甚至引起共振,造成固定导叶和转轮裂纹。要清除机组振动故障,必须认清振动的原因,找准振源。由于水轮发电机组工作的特殊性,其振动的原因比普通动力机械复杂得多,除了要考虑机组本身旋转部分和固定部分的振动外,还要考虑流动液体的动水压力对电站引水系统、水轮机过流部件造成的影响及发电机电磁力对机组振动的影响。
2、引起振动的主要原因及特征
水轮发电机组的振动,通常是一般非简谐振动,它由多个具有不同振幅、不同频率的简谐振动相互叠加而成,因而可以采用谐波振动分析法将其分解为若干简谐振动来研究。受迫振动是导致振幅增大的主要原因,受迫振动的干扰力有:水轮机部分的动水压力;机械部分的惯性力、摩擦力等;发电机部分的电磁力。所以,通常把引起水轮发电机组振动的原因分为机械、水力和电磁三个方面。
2.1 机械方面
(1)由于水轮发电机组的振动,通常是一般非简谐振动，因机组转动部分质量不平衡引起的机组振动,其主要特征:机组振幅随机组转速变化而变化的。用公式表示为Y=f(X),X升高Y增大;反之X下降,Y减小。
(2)水轮发电机组的振动由多个具有不同振幅、不同频率的简谐振动相互叠加而成,因而可以采用谐波振动分析法将其分解为若干简谐振动来研究。其中因轴承间隙过大、主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动,其特征为:机组振幅随机组负荷变化较明显。
(3)因机组轴线曲折、紧固零部件松动、机组对中心不准、推力轴承调整不良所引起的机组振动,其特征为:机组在空载低转速运行时,机组便有明显振动。
2.2 水力方面
(1)水轮机部分的动水压力是主要受迫振动的干扰力之一，水轮机进水流道如蜗壳中的不均匀流场均会产生旋涡,形成涡带进入转轮引起机组振动,其主要特征为:振动随机组运行工况变化而变化,并且,这类振动多半发生在高比速轴流式水轮机中;若是因导叶中的不均匀流场所引起的机组振动,则多半发生在低比速水轮机中。该类水轮机转轮离导叶很近,导叶中的不均匀水流对转轮影响大。
f =n z2/60
式中:z2为转轮叶片数目;n为机组转速。
(2)由转轮叶片尾部的卡门涡列所诱发的机组振动,因卡门涡列的形成与流体速度和绕流体尾部的断面形状和尺寸有关,所以该振动特征为:振幅随过机流量增加而明显增大,如图1所示,且其振动频率可表示为:
f = st(w1/d)
式中:w1为转轮进口处的水流相对速度;st为流体力学中的斯特罗哈数,实验测得st=0.18~0.22;d为绕流体尾部的最大厚度。
因水轮机偏离设计工况较远,尤其在低水头、低负荷运动时转轮出口产生旋转水流,形成偏心涡带,使在尾水管中产生压力脉动并诱发机组振动。其振动特点为:振动强弱与水轮机的运行工况关系较密切。其振动频率一般为:
f =(1/4~13/)/f0
式中:f0为机组转速频率。
(4)间隙射流:在轴流式水轮机中,叶片和转轮室间隙处由于正背面压差的存在,会形成射流,其速度很高。由于转轮的旋转,对转轮室某一部位来说,交替的出现瞬时压力升高和降低,形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动。该振动特征为:振动摆度及压力脉动幅值,均随机组负荷和过机流量的增加而明显增大。
2.3 电磁方面
(1)发电机转动部分因受不平衡磁拉力的作用产生的机组振动,其振动特征为:振动随励磁电流增大而增大,且上机架处振动较为明显。
(2)定子绕组固定不良,在较高电气负荷和电磁负荷作用下使绕组及机组产生振动。其振动特点为:振动随转速、负荷运行工况变化而变化,上机架处振动亦较为明显。
3、机组振动试验
对机组进行下列试验,可大致判别由何主要因素引起的机组振动。
3.1 转速试验。最重要的机械原因，振动速度，振动频率和速度基本上相同的频率。可分别使机组的各种转速下旋转，并测量各个导轴承座的振幅及频率 ，绘制转速与振幅的关系曲线。如振幅一直很大，改变转速值对振幅影响很小 ，且振动频率与转速频率基本一致，则振动原因可能是轴线曲折、盘车摆度未调好 、导轴承不同心、主轴与固定部件有偏磨。应重新盘车并调中心。如果振幅随机组转速增高而加大 ，且基本上与转速平方成正比，而振动频率与转速频率又一致 ，则振动是转动部件静(动)不平衡引起的，应做静、动平衡试验 ，并根据试验结果加配重块处理。
3.2励磁试验。水轮发电机可以通过励磁试验判定振动，在励磁试验中，在额定转速下给转子磁极加励磁电流，测量并绘制振幅与励磁电流的关系曲线。如果振幅A随励磁电流 i加大而增大，则磁拉力不平衡是引起机组振动的主要原因，应进一步检查发电机气隙是否均匀 ，磁极线圈有无匝间短路 ，磁极背部与磁轭间是否出现了第二气隙等。此外 ，还有因定子分瓣合缝把合不严引起的电磁振动及定子高次谐波引起的振动等。
3.3从小到大负荷试验带来不同的负载，测量各种载荷幅值和导叶接力器行程，绘制负荷与振幅的关系曲线 ，如果振幅随负荷增减 ，或随接力器行程增减而增减时，且水轮机导轴承处的振幅变化比上导轴承处的振幅变化来得敏感，则水力不平衡是引起机组振动的主要原因。应检查水轮机过流部分有无局部堵塞，轮叶出水边开 口是否一致，高水头水轮机下腔叶轮背部水压脉动是否过大等。如果振动仅在某一负荷区域运行中较大，避开这一负荷区域运行时，振动明显减小 ，则空蚀是产生振动的主要原因。
行时，振动明显减小 ，则空蚀是产生振动的主要原因。
3．4调相试验。首先使导叶关闭，机组转为调相运行 ，如果这时振幅减小很多 ，则振动的干扰力源主要是水轮机的水力部分 ；若振幅没有什么变化，则振动的干扰力源主要是机组的机械部分和电磁部分。在实际中碰到的情况要复杂很多，有时同相位叠加，有时对称抵消一部分 ，有时成某一夹角使轴位发生多变等。加之某些不平衡力并不是固定不变的，例如水压脉动产生的水力不平衡，就经常随脉动值的频繁变化而变化，致使在同一工况下不同时间内测得的数值也不一致，甚至相互矛盾。
结语
随着我国经济的持续发展，水轮发电机组的应用会更加广泛。由于水轮发电机组的现场振动会严重影响机组的安全运行和发电效率，因此在以后的实际工作中对水轮发电机的振动 、摆度数据大小、频率及相互关系进行具体分析 ，找出原因，并根据具体原因，逐一给于解决 ，为水轮发电机的安全稳定运行打基础。
参考文献:
[1] 张 兵,杨新峰,许 钧,等.水轮发电机组振动与摆度探索及监测系统[J].西北水力发电,2006,22(S1):15-19.
[2] 米文英.水轮发电机组振动原因分析[J].山西电力,2003,(2):25-27.
[3] 王珂仑.水力机组振动[M].北京:水力电力出版社,1986.
關键词：水轮发电机组；振动；故障；诊断
中图分类号：U472.42 文献标识码：A 文章编号：
1、引言
随着我国经济的发展，对电力需求不断增加，水轮发电机组得到了广泛应用，但是出现振动故障的频率不断增加，严重影响机组的安全运行和发电效率，水轮机振动故障会引起结构上的疲劳破坏,甚至引起共振,造成固定导叶和转轮裂纹。要清除机组振动故障,必须认清振动的原因,找准振源。由于水轮发电机组工作的特殊性,其振动的原因比普通动力机械复杂得多,除了要考虑机组本身旋转部分和固定部分的振动外,还要考虑流动液体的动水压力对电站引水系统、水轮机过流部件造成的影响及发电机电磁力对机组振动的影响。
2、引起振动的主要原因及特征
水轮发电机组的振动,通常是一般非简谐振动,它由多个具有不同振幅、不同频率的简谐振动相互叠加而成,因而可以采用谐波振动分析法将其分解为若干简谐振动来研究。受迫振动是导致振幅增大的主要原因,受迫振动的干扰力有:水轮机部分的动水压力;机械部分的惯性力、摩擦力等;发电机部分的电磁力。所以,通常把引起水轮发电机组振动的原因分为机械、水力和电磁三个方面。
2.1 机械方面
(1)由于水轮发电机组的振动,通常是一般非简谐振动，因机组转动部分质量不平衡引起的机组振动,其主要特征:机组振幅随机组转速变化而变化的。用公式表示为Y=f(X),X升高Y增大;反之X下降,Y减小。
(2)水轮发电机组的振动由多个具有不同振幅、不同频率的简谐振动相互叠加而成,因而可以采用谐波振动分析法将其分解为若干简谐振动来研究。其中因轴承间隙过大、主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动,其特征为:机组振幅随机组负荷变化较明显。
(3)因机组轴线曲折、紧固零部件松动、机组对中心不准、推力轴承调整不良所引起的机组振动,其特征为:机组在空载低转速运行时,机组便有明显振动。
2.2 水力方面
(1)水轮机部分的动水压力是主要受迫振动的干扰力之一，水轮机进水流道如蜗壳中的不均匀流场均会产生旋涡,形成涡带进入转轮引起机组振动,其主要特征为:振动随机组运行工况变化而变化,并且,这类振动多半发生在高比速轴流式水轮机中;若是因导叶中的不均匀流场所引起的机组振动,则多半发生在低比速水轮机中。该类水轮机转轮离导叶很近,导叶中的不均匀水流对转轮影响大。
f =n z2/60
式中:z2为转轮叶片数目;n为机组转速。
(2)由转轮叶片尾部的卡门涡列所诱发的机组振动,因卡门涡列的形成与流体速度和绕流体尾部的断面形状和尺寸有关,所以该振动特征为:振幅随过机流量增加而明显增大,如图1所示,且其振动频率可表示为:
f = st(w1/d)
式中:w1为转轮进口处的水流相对速度;st为流体力学中的斯特罗哈数,实验测得st=0.18~0.22;d为绕流体尾部的最大厚度。
因水轮机偏离设计工况较远,尤其在低水头、低负荷运动时转轮出口产生旋转水流,形成偏心涡带,使在尾水管中产生压力脉动并诱发机组振动。其振动特点为:振动强弱与水轮机的运行工况关系较密切。其振动频率一般为:
f =(1/4~13/)/f0
式中:f0为机组转速频率。
(4)间隙射流:在轴流式水轮机中,叶片和转轮室间隙处由于正背面压差的存在,会形成射流,其速度很高。由于转轮的旋转,对转轮室某一部位来说,交替的出现瞬时压力升高和降低,形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动。该振动特征为:振动摆度及压力脉动幅值,均随机组负荷和过机流量的增加而明显增大。
2.3 电磁方面
(1)发电机转动部分因受不平衡磁拉力的作用产生的机组振动,其振动特征为:振动随励磁电流增大而增大,且上机架处振动较为明显。
(2)定子绕组固定不良,在较高电气负荷和电磁负荷作用下使绕组及机组产生振动。其振动特点为:振动随转速、负荷运行工况变化而变化,上机架处振动亦较为明显。
3、机组振动试验
对机组进行下列试验,可大致判别由何主要因素引起的机组振动。
3.1 转速试验。最重要的机械原因，振动速度，振动频率和速度基本上相同的频率。可分别使机组的各种转速下旋转，并测量各个导轴承座的振幅及频率 ，绘制转速与振幅的关系曲线。如振幅一直很大，改变转速值对振幅影响很小 ，且振动频率与转速频率基本一致，则振动原因可能是轴线曲折、盘车摆度未调好 、导轴承不同心、主轴与固定部件有偏磨。应重新盘车并调中心。如果振幅随机组转速增高而加大 ，且基本上与转速平方成正比，而振动频率与转速频率又一致 ，则振动是转动部件静(动)不平衡引起的，应做静、动平衡试验 ，并根据试验结果加配重块处理。
3.2励磁试验。水轮发电机可以通过励磁试验判定振动，在励磁试验中，在额定转速下给转子磁极加励磁电流，测量并绘制振幅与励磁电流的关系曲线。如果振幅A随励磁电流 i加大而增大，则磁拉力不平衡是引起机组振动的主要原因，应进一步检查发电机气隙是否均匀 ，磁极线圈有无匝间短路 ，磁极背部与磁轭间是否出现了第二气隙等。此外 ，还有因定子分瓣合缝把合不严引起的电磁振动及定子高次谐波引起的振动等。
3.3从小到大负荷试验带来不同的负载，测量各种载荷幅值和导叶接力器行程，绘制负荷与振幅的关系曲线 ，如果振幅随负荷增减 ，或随接力器行程增减而增减时，且水轮机导轴承处的振幅变化比上导轴承处的振幅变化来得敏感，则水力不平衡是引起机组振动的主要原因。应检查水轮机过流部分有无局部堵塞，轮叶出水边开 口是否一致，高水头水轮机下腔叶轮背部水压脉动是否过大等。如果振动仅在某一负荷区域运行中较大，避开这一负荷区域运行时，振动明显减小 ，则空蚀是产生振动的主要原因。
行时，振动明显减小 ，则空蚀是产生振动的主要原因。
3．4调相试验。首先使导叶关闭，机组转为调相运行 ，如果这时振幅减小很多 ，则振动的干扰力源主要是水轮机的水力部分 ；若振幅没有什么变化，则振动的干扰力源主要是机组的机械部分和电磁部分。在实际中碰到的情况要复杂很多，有时同相位叠加，有时对称抵消一部分 ，有时成某一夹角使轴位发生多变等。加之某些不平衡力并不是固定不变的，例如水压脉动产生的水力不平衡，就经常随脉动值的频繁变化而变化，致使在同一工况下不同时间内测得的数值也不一致，甚至相互矛盾。
结语
随着我国经济的持续发展，水轮发电机组的应用会更加广泛。由于水轮发电机组的现场振动会严重影响机组的安全运行和发电效率，因此在以后的实际工作中对水轮发电机的振动 、摆度数据大小、频率及相互关系进行具体分析 ，找出原因，并根据具体原因，逐一给于解决 ，为水轮发电机的安全稳定运行打基础。
参考文献:
[1] 张 兵,杨新峰,许 钧,等.水轮发电机组振动与摆度探索及监测系统[J].西北水力发电,2006,22(S1):15-19.
[2] 米文英.水轮发电机组振动原因分析[J].山西电力,2003,(2):25-27.
[3] 王珂仑.水力机组振动[M].北京:水力电力出版社,1986.