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乳源瑶族自治县麻布水电力有限责任公司 512725
摘要：随着电力发展的不断加速，我国对水轮发电机组性能指标的要求越来越高，已经开始将其振动控制作为研究的要点，在一定程度上提升了水轮发电机组的工作效益。本文首先总结了水轮发电机组的典型振动故障，描述了振动故障的发生机理，为系统开发工作提供了理论基础。
关键词：水轮发电机组；振动故障分析；处理方法
随着我国水电事业的迅速发展，水轮发电机组（以下简称水电机组）装机容量和单机容量越来越大，其发电量在电力系统中所占比例越来越高，水电机组的稳定运行对电网的安全和经济运行也日趋重要。水轮机组运行状态监测参量通常包括：功率、电压、电流、温度、液位、转速、压力、流量、效率、位移、振动、噪声、水压脉动、绝缘、油汽水、力扭矩、轴电流、汽蚀等。而振动监测是状态监测的主要项目之一。振动严重地威胁着机组供电质量、使用寿命和安全运行。水电机组的振动，多数由于机械、水力、电磁等因素耦合作用的结果，振动机理比较复杂，凭直观判断或简单的测试一般难以找到根本原因。水轮发电机组振动监测及诊断装置能反映出机组的异常振动现象及发展趋势，通过预测振动的发展趋势，判断机组整体运行状况，避免由于异常振动引发机组部件和设备的结构松动、变形、断裂等重大故障，减少设备不必要停运、降低维修成本、增加可利用时间，从而提高设备运行与维修的效益。因此，研究水轮发电机组振动监测及故障诊断具有重要意义。
1、水轮机组的振动标准
水轮机基本技术条件对振动的要求是：
1）在各种运行工况下，包括甩负荷，水轮机各部件不应产生共振和有害变形。
2）顶盖垂直振动和主轴摆度应不大于GB8564中所规定的允许值，
3）大中型机组计算临界转速一般不低于飞逸转速的1.25倍。水轮发电机组各部位振动允许值如下表：
表1： GB8564-2003 （单位：mm）
2、水轮机组振动故障
造成水轮发电机组振动的原因很多而且复杂，机组振动除了机组本身转动或固定部分引起的振动外，还需考虑发电机的电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统及其部件振动的影响。因此，一般将引起水轮机组振动的原因分为电磁、机械、水力三个方面。
2.1电磁引起的振动。
1）发电机转动部分因受不平衡力（这些不平衡力主要来自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、转子不均匀空气隙所引起的作用力，转子线圈短路时引起的力和发电机在不对称工况下运行时产生的力）的作用下产生的机组振动。
2）发电机定子绕组每极分数槽绕组形成的磁场特殊谐波成分引起的磁拉力，而定子在波数较少的磁拉力作用下就要产生振动。
3）因定子铁芯组合缝松动或定子铁芯松动所引起的机组振动，其特征为：振动随机组转速变化较明显，且当机组载上一定负荷后，其振幅又随时间增长而减小，对因定子铁芯组合缝松动所引起的振动。
4）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。
2.2机械引起的振动。
机械原因引起振动的机理、振动的各种特征以及对机组的影响均与一般旋转机械的振动没有本质上的区别。值得注意的是，大中型水轮发电机组一般是立轴的，从理论上讲各部导轴承不承受静载荷，轴颈无静偏心，这与一般卧轴的旋转机械不同。
1）因机组转动部分质量不平衡引起的机组振动。
2）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。
3）机组转动部件与固定部件相碰（或摩擦）所引起的振动。
4）因主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动。
2.3水力引起的振动。如尾水管中涡带引起振动、汽蚀及导叶引水不均的转轮进口水流冲击、卡门涡列等。将机组改调相如振动消失就是水力振动，如不消失即为机械振动。
1）尾水管涡带。在水轮机组中，振动故障中最常见的且发生频率最高的是尾水管涡带，并时常引起压力脉动。它的机理是：在正常情况下，从转轮流出的水流应为轴向流动，但在低负荷工况下（或者水头低的情况）则产生与转轮转动方向相同的旋转成分；而在超负荷工况下（或者水头高的情况）则产生与转轮转动方向相反的旋转成分。因此，在尾水管中心范围将产生涡流，造成压力下降，产生空腔。该漩涡中心在超负荷情况下大多比较稳定，而在部分负荷时漩涡中心如龙卷风状在尾水管内激烈旋转，形成螺旋状涡带。涡带摆动不仅可能造成水轮机或机组振动，也可能引起与钢管间耦合共振形式的引水系统振动及厂房振动，这种振动有时还会诱发电网的功率摆动。尾水管涡带可以通过在尾水管进入孔附近出现的“扎、扎”声响以及尾水管压力脉动测量加以判别。旋转水流形成的涡带，在尾水管中引起低频压力脉动，其频率与涡带的频率相同，涡带频率在尾水管中各处都是一样的，它为水轮机转速频率的 1/3～1/5。
式中，f 为旋转水流的频率，Hz；n为水轮机转速，r/min；z 通常取 3～5。
2）汽蚀。汽蚀一般可分为三类：翼形汽蚀、空腔汽蚀、间隙汽蚀。翼形汽蚀是由轮叶翼形的形状所引起的，通常发生在叶片背面出水边下部靠轮环处和叶片背面与轮毂靠近处。空腔汽蚀由于尾水管内的水流旋转，使中心空腔处形成了真空而造成的，通常发生在水轮机座环内侧和尾水管上半段。间隙汽蚀由于水流通过某些间隙时，因局部流速升高，压力降低到汽化压力时而产生的。转轮室、叶片周缘、叶片法兰下表面以及转轮体局部发生破坏。由水轮机的汽蚀现象，一方面导致水轮机工作表面受到侵蚀和剥落，另一方面则往往会产生振动和噪声。在机组部分负荷时，振动现象最为明显，经常出现“啪啦”的声响。汽蚀引起的振动属于高频振动，它的频率是 300～500Hz。
3）卡门涡流。即将圆柱或平板置于流动的水体中时，在其负压侧产生的一种较有规则涡旋，是尾部脱流所产生的涡流。出现卡门涡流时，物体与水流垂直方向作用有侧向力。卡门涡的频率为：
式中，f 为卡门涡的频率，Hz；
St为流体力学中的斯特罗哈数，实验测得St= 0.18～0.22；v 为水流速度，m/s；
t为绕流体尾部的最大宽度，m。卡门涡流的频率与转轮叶片或导水叶等结构的固有振动频率接近时，会发生强烈振动。卡门涡列的频率与叶片厚度和流速有关，仅在一定负荷下发生。卡门涡流产生的振动会导致固定导叶的疲劳裂纹，特别对大型混流式机组的导叶更为突出。该振动特征为振幅随过机流量增加而明显增大。
4）转轮进口压力波动
转轮进口压力波动可由两方面引起：一是由导叶片数和转轮叶片数匹配不当引起，二是转轮轮叶和活动导叶的间隔过小引起。诱发的转轮进口压力波频率为：
式中，f 是压力波的频率，Hz；
n 是转轮的旋转速度，r/min；zr 是转轮叶片数。
当导叶片数和转轮叶片数匹配不当时，会因水流在涡壳与转轮室间流道内的相互干涉，而产生参数共振。转轮叶片每经过一个导水叶间进流时，
摘要：随着电力发展的不断加速，我国对水轮发电机组性能指标的要求越来越高，已经开始将其振动控制作为研究的要点，在一定程度上提升了水轮发电机组的工作效益。本文首先总结了水轮发电机组的典型振动故障，描述了振动故障的发生机理，为系统开发工作提供了理论基础。
关键词：水轮发电机组；振动故障分析；处理方法
随着我国水电事业的迅速发展，水轮发电机组（以下简称水电机组）装机容量和单机容量越来越大，其发电量在电力系统中所占比例越来越高，水电机组的稳定运行对电网的安全和经济运行也日趋重要。水轮机组运行状态监测参量通常包括：功率、电压、电流、温度、液位、转速、压力、流量、效率、位移、振动、噪声、水压脉动、绝缘、油汽水、力扭矩、轴电流、汽蚀等。而振动监测是状态监测的主要项目之一。振动严重地威胁着机组供电质量、使用寿命和安全运行。水电机组的振动，多数由于机械、水力、电磁等因素耦合作用的结果，振动机理比较复杂，凭直观判断或简单的测试一般难以找到根本原因。水轮发电机组振动监测及诊断装置能反映出机组的异常振动现象及发展趋势，通过预测振动的发展趋势，判断机组整体运行状况，避免由于异常振动引发机组部件和设备的结构松动、变形、断裂等重大故障，减少设备不必要停运、降低维修成本、增加可利用时间，从而提高设备运行与维修的效益。因此，研究水轮发电机组振动监测及故障诊断具有重要意义。
1、水轮机组的振动标准
水轮机基本技术条件对振动的要求是：
1）在各种运行工况下，包括甩负荷，水轮机各部件不应产生共振和有害变形。
2）顶盖垂直振动和主轴摆度应不大于GB8564中所规定的允许值，
3）大中型机组计算临界转速一般不低于飞逸转速的1.25倍。水轮发电机组各部位振动允许值如下表：
表1： GB8564-2003 （单位：mm）
2、水轮机组振动故障
造成水轮发电机组振动的原因很多而且复杂，机组振动除了机组本身转动或固定部分引起的振动外，还需考虑发电机的电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统及其部件振动的影响。因此，一般将引起水轮机组振动的原因分为电磁、机械、水力三个方面。
2.1电磁引起的振动。
1）发电机转动部分因受不平衡力（这些不平衡力主要来自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、转子不均匀空气隙所引起的作用力，转子线圈短路时引起的力和发电机在不对称工况下运行时产生的力）的作用下产生的机组振动。
2）发电机定子绕组每极分数槽绕组形成的磁场特殊谐波成分引起的磁拉力，而定子在波数较少的磁拉力作用下就要产生振动。
3）因定子铁芯组合缝松动或定子铁芯松动所引起的机组振动，其特征为：振动随机组转速变化较明显，且当机组载上一定负荷后，其振幅又随时间增长而减小，对因定子铁芯组合缝松动所引起的振动。
4）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。
2.2机械引起的振动。
机械原因引起振动的机理、振动的各种特征以及对机组的影响均与一般旋转机械的振动没有本质上的区别。值得注意的是，大中型水轮发电机组一般是立轴的，从理论上讲各部导轴承不承受静载荷，轴颈无静偏心，这与一般卧轴的旋转机械不同。
1）因机组转动部分质量不平衡引起的机组振动。
2）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。
3）机组转动部件与固定部件相碰（或摩擦）所引起的振动。
4）因主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动。
2.3水力引起的振动。如尾水管中涡带引起振动、汽蚀及导叶引水不均的转轮进口水流冲击、卡门涡列等。将机组改调相如振动消失就是水力振动，如不消失即为机械振动。
1）尾水管涡带。在水轮机组中，振动故障中最常见的且发生频率最高的是尾水管涡带，并时常引起压力脉动。它的机理是：在正常情况下，从转轮流出的水流应为轴向流动，但在低负荷工况下（或者水头低的情况）则产生与转轮转动方向相同的旋转成分；而在超负荷工况下（或者水头高的情况）则产生与转轮转动方向相反的旋转成分。因此，在尾水管中心范围将产生涡流，造成压力下降，产生空腔。该漩涡中心在超负荷情况下大多比较稳定，而在部分负荷时漩涡中心如龙卷风状在尾水管内激烈旋转，形成螺旋状涡带。涡带摆动不仅可能造成水轮机或机组振动，也可能引起与钢管间耦合共振形式的引水系统振动及厂房振动，这种振动有时还会诱发电网的功率摆动。尾水管涡带可以通过在尾水管进入孔附近出现的“扎、扎”声响以及尾水管压力脉动测量加以判别。旋转水流形成的涡带，在尾水管中引起低频压力脉动，其频率与涡带的频率相同，涡带频率在尾水管中各处都是一样的，它为水轮机转速频率的 1/3～1/5。
式中，f 为旋转水流的频率，Hz；n为水轮机转速，r/min；z 通常取 3～5。
2）汽蚀。汽蚀一般可分为三类：翼形汽蚀、空腔汽蚀、间隙汽蚀。翼形汽蚀是由轮叶翼形的形状所引起的，通常发生在叶片背面出水边下部靠轮环处和叶片背面与轮毂靠近处。空腔汽蚀由于尾水管内的水流旋转，使中心空腔处形成了真空而造成的，通常发生在水轮机座环内侧和尾水管上半段。间隙汽蚀由于水流通过某些间隙时，因局部流速升高，压力降低到汽化压力时而产生的。转轮室、叶片周缘、叶片法兰下表面以及转轮体局部发生破坏。由水轮机的汽蚀现象，一方面导致水轮机工作表面受到侵蚀和剥落，另一方面则往往会产生振动和噪声。在机组部分负荷时，振动现象最为明显，经常出现“啪啦”的声响。汽蚀引起的振动属于高频振动，它的频率是 300～500Hz。
3）卡门涡流。即将圆柱或平板置于流动的水体中时，在其负压侧产生的一种较有规则涡旋，是尾部脱流所产生的涡流。出现卡门涡流时，物体与水流垂直方向作用有侧向力。卡门涡的频率为：
式中，f 为卡门涡的频率，Hz；
St为流体力学中的斯特罗哈数，实验测得St= 0.18～0.22；v 为水流速度，m/s；
t为绕流体尾部的最大宽度，m。卡门涡流的频率与转轮叶片或导水叶等结构的固有振动频率接近时，会发生强烈振动。卡门涡列的频率与叶片厚度和流速有关，仅在一定负荷下发生。卡门涡流产生的振动会导致固定导叶的疲劳裂纹，特别对大型混流式机组的导叶更为突出。该振动特征为振幅随过机流量增加而明显增大。
4）转轮进口压力波动
转轮进口压力波动可由两方面引起：一是由导叶片数和转轮叶片数匹配不当引起，二是转轮轮叶和活动导叶的间隔过小引起。诱发的转轮进口压力波频率为：
式中，f 是压力波的频率，Hz；
n 是转轮的旋转速度，r/min；zr 是转轮叶片数。
当导叶片数和转轮叶片数匹配不当时，会因水流在涡壳与转轮室间流道内的相互干涉，而产生参数共振。转轮叶片每经过一个导水叶间进流时，