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摘要：通过机械动不平衡和水动力学不平衡两个方面深入浅出的分析了水轮发电机组在运行过程常见的各种振动现象及其发生原因进行分析，提出了水轮发电机组振动判断的基本方法；介绍了目前正逐渐成熟并在水电厂使用的水轮发电机组在线监测专家分析系统，以及水电厂“状态检修”方式的实施模式。
关键词：水轮发电机组；振动分析；在线监测；状态检修
一 水轮发电机组振动概述
从立体空间结构上讲，水轮发电机组分成两大部分：转动部分和固定、支持部分。因此，一般来说有四大振动部件：上机架、下机架、顶盖、转动部分。发电机是将水轮机的机械能转换为电能的装置，在转换过程中，由于某些方面如设计、加工、安装或参数配合不当引起发电机的磁振动。水轮发电机组振动是以水轮机为原动力，水能是激发或维持机组振动的最根本能源，它可以直接或间接的激发并维持机组振动。从振动发生的情况看，有的是水轮机本身的水力特性所决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的。
二 水轮发电机组振动的分类
在水轮发电机组振动中，转子不平衡也是一个非常突出的问题，不平衡是旋转机械最常见的故障。不平衡包括机械、水力、电气不平衡。无论什么不平衡，产生的根源（缺陷）一定在转动部分上，不平衡频率一定是转速频率。
（一）机械不平衡
立轴机组摆度包含轴线曲折、轴的弹性变形、导轴承间隙。转子不平衡主要产生于：①制造和安装阶段：各种偏差、材质不均匀；②运行阶段：部件磨损、松动和脱落等；③其他情况：以不平衡的面貌出现，属于不平衡的范畴。
（二）磁力不平衡
磁力不平衡主要指沿发电机转子四周磁拉力不对称的情况。其产生原因是：转子不圆；转子旋转中心与几何中心不一致；电气方面的原因，如磁极匝间短路。经验表明，磁不平衡常与机械不平衡共生，磁不平衡力只与空载励磁电流以下的范围成比例关系。
（三）水力不平衡
水力不平衡具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流，再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀作用于转轮激发转轮旋转。由于加工和安装误差，使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时，作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，在空载或低负荷运行时振动强烈。
当轴的横断面上沿圆周温度分布不均匀时，则轴将产生不均匀膨胀而发生弯曲。轴的弯曲一方面要加大轴的弓状回转半径，从而使离心力进一步增大；另一方面将使机械不平衡和磁不平衡增大。这种情况大多发生在轴偏摩的情况下。
三 机械原因引起的振动及分析
（一）机组整体轴线不对中
由于轴承中心线偏斜或偏移、转子的弯曲、转子与轴承的内隙以及承载后转子与轴承的变形等原因都将引起轴线不对中。其影响是：产生不平衡离心力；增大转子弓状回旋半径；引起迷宫中较强的压力脉动，有时还会引起机组的自激振动。有的电厂运行检修经验表明，有些不对中的情况还会产生两倍频的附加径向力和摆度，还会有一个转频的附加轴向力作用在推力轴承上。
（二）轴瓦间隙大
轴承缺陷当导轴松动，或间隙过大润滑又不良，或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦，引起机组的横向振动。其它条件不变时，轴瓦间隙的大小直接决定转子弓状回旋半径，（基本规律是：间隙有多大，摆度幅值就有多大）；降低转动部件的临界转速。导轴承间隙增大，临界转速将降低：如鱼子溪由1100 r/min到576r/min；葛州坝由276 r/min到162r/min。轴瓦间隙增大，大多是在机组运行一段时间后出现的，主要原因：一是径向不平衡力较大，二是轴瓦支持部件的设计不够合理。（三）镜板水平度偏差超标，主要是由于加工和安装缺陷所造成的。
（三）镜板水平度偏差超标，主要是由于加工和安装缺陷所造成的。
（四）推力头松动。
指推力头内孔和轴颈间存在间隙。当推力头松动时，机组振动、摆度特点为：机组运行时动态轴线姿态会发生突然变化，振动、摆度忽大忽小，呈不稳定状态。如：南桠河电厂：间隙值为0.07mm，摆度大，相位不稳定，盘车困难；大岩坑电厂：原间隙0.04mm，后来修改为0.01mm紧度，摆度、振动大，相位不稳定。
四 水轮发电机组的水力振动分析
（一）尾水管涡带
尾水管低频水压脉动水轮机在非设计工况下运行时，由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响，在尾水管内常引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后，涡带以近于固定的频率在管内转动，引起水流低频压力脉动。当管内水流一经发生，压力脉动就会激起尾水管壁、转輪、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。涡带有实心涡带和空腔涡带两种形态，螺旋状涡带将引起压力脉动，注意涡带压力脉动与共况的关系（水头、流量、空化系数），尾水管涡带压力脉动的特点：频率约为转速频率的1/4；出现在以50%额定负荷为中心的30%～70%范围。
（二）类转频压力脉动
所谓类转频，是指其频率接近转速而又不等于转速。其频率范围为（1.01～1.3）fn；（0.7～0.99）fn。它对机组振动的影响主要是机组的垂直振动和全水力系统的强烈压力脉动。一般出现在额定功率25%或75%左右（随水头大小而变化），振动范围很小。值得注意的是，类转速压力脉动只有在水体共振的情况小才显示其影响，所以，其预防的关键在于进行共振校核。
（三）迷宫止漏装置中的压力脉动
当迷宫中间隙发生周期性变化时，就会在其间隙中产生压力脉动。迷宫压力脉动一般为转频，并作为总水力不平衡的一部分。迷宫中压力脉动达到一定程度并且和大轴的摆度方向成一定角度时，就可能引起转动部分的自激振动。迷宫引起的自激振动的情况主要与迷宫的结构和尺寸密切相关。
（四）卡门涡列
卡门涡列恒定流束绕过物体时，在出口边的两侧出现漩涡，形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡，进而互相干扰、互相吸引，形成非线型的涡列、俗称卡门涡列。当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时，将产生共振，并拌有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。它主要影响在于引起固定导叶、活动导叶、转轮叶片和局部水体的共振。
（五）其他类型的水力振动
在水轮发电机组中，还存在一些如转轮叶片进口边附近的脱流引起的振动和噪音及导叶叶道流速分布不均匀产生的压力脉动等类型。
六 水轮发电机组在线检测工作流程和关键技术介绍
（一）实施机组状态检修工程流程
水电厂开展状态检修工作流程由设备、状态监测、诊断分析与判断决策、检修管理、设备检修评估5个递进层次组成，并形成一个有机的闭环系统。其中状态监测、诊断分析与判断决策是整个水电厂状态检修工作的核心部分。也是实施状态检修的技术基础；检修管理、设备检修评估是实施状态检修的关键部分，是状态检修制度的具体体现；流程中的设备系指状态检修工作的对象，以检修工作量大、工期长的水轮发电机组主体为重点。
（二）实施机组状态检修的关键技术
实施水轮发电机组状态检修工作需要研究解决的问题主要包括四个方面：一是机组状态信号的取得；二是机组状态信号分析处理及特征信号的获得；三是对机组运行状态分析诊断和判断决策；四是对机组的检修决策和维护管理。要想机组运行设备达到状态检修的目的，首先需要采用将机组运行设备监测诊断、维护、管理三者集成为一个统一的集成化系统；其次需要合理选择和布置监测点；三要准确判断和处理机组的信号特征；四是确定诊断模式，建立适用的专家系统。
关键词：水轮发电机组；振动分析；在线监测；状态检修
一 水轮发电机组振动概述
从立体空间结构上讲，水轮发电机组分成两大部分：转动部分和固定、支持部分。因此，一般来说有四大振动部件：上机架、下机架、顶盖、转动部分。发电机是将水轮机的机械能转换为电能的装置，在转换过程中，由于某些方面如设计、加工、安装或参数配合不当引起发电机的磁振动。水轮发电机组振动是以水轮机为原动力，水能是激发或维持机组振动的最根本能源，它可以直接或间接的激发并维持机组振动。从振动发生的情况看，有的是水轮机本身的水力特性所决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的。
二 水轮发电机组振动的分类
在水轮发电机组振动中，转子不平衡也是一个非常突出的问题，不平衡是旋转机械最常见的故障。不平衡包括机械、水力、电气不平衡。无论什么不平衡，产生的根源（缺陷）一定在转动部分上，不平衡频率一定是转速频率。
（一）机械不平衡
立轴机组摆度包含轴线曲折、轴的弹性变形、导轴承间隙。转子不平衡主要产生于：①制造和安装阶段：各种偏差、材质不均匀；②运行阶段：部件磨损、松动和脱落等；③其他情况：以不平衡的面貌出现，属于不平衡的范畴。
（二）磁力不平衡
磁力不平衡主要指沿发电机转子四周磁拉力不对称的情况。其产生原因是：转子不圆；转子旋转中心与几何中心不一致；电气方面的原因，如磁极匝间短路。经验表明，磁不平衡常与机械不平衡共生，磁不平衡力只与空载励磁电流以下的范围成比例关系。
（三）水力不平衡
水力不平衡具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流，再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀作用于转轮激发转轮旋转。由于加工和安装误差，使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时，作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，在空载或低负荷运行时振动强烈。
当轴的横断面上沿圆周温度分布不均匀时，则轴将产生不均匀膨胀而发生弯曲。轴的弯曲一方面要加大轴的弓状回转半径，从而使离心力进一步增大；另一方面将使机械不平衡和磁不平衡增大。这种情况大多发生在轴偏摩的情况下。
三 机械原因引起的振动及分析
（一）机组整体轴线不对中
由于轴承中心线偏斜或偏移、转子的弯曲、转子与轴承的内隙以及承载后转子与轴承的变形等原因都将引起轴线不对中。其影响是：产生不平衡离心力；增大转子弓状回旋半径；引起迷宫中较强的压力脉动，有时还会引起机组的自激振动。有的电厂运行检修经验表明，有些不对中的情况还会产生两倍频的附加径向力和摆度，还会有一个转频的附加轴向力作用在推力轴承上。
（二）轴瓦间隙大
轴承缺陷当导轴松动，或间隙过大润滑又不良，或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦，引起机组的横向振动。其它条件不变时，轴瓦间隙的大小直接决定转子弓状回旋半径，（基本规律是：间隙有多大，摆度幅值就有多大）；降低转动部件的临界转速。导轴承间隙增大，临界转速将降低：如鱼子溪由1100 r/min到576r/min；葛州坝由276 r/min到162r/min。轴瓦间隙增大，大多是在机组运行一段时间后出现的，主要原因：一是径向不平衡力较大，二是轴瓦支持部件的设计不够合理。（三）镜板水平度偏差超标，主要是由于加工和安装缺陷所造成的。
（三）镜板水平度偏差超标，主要是由于加工和安装缺陷所造成的。
（四）推力头松动。
指推力头内孔和轴颈间存在间隙。当推力头松动时，机组振动、摆度特点为：机组运行时动态轴线姿态会发生突然变化，振动、摆度忽大忽小，呈不稳定状态。如：南桠河电厂：间隙值为0.07mm，摆度大，相位不稳定，盘车困难；大岩坑电厂：原间隙0.04mm，后来修改为0.01mm紧度，摆度、振动大，相位不稳定。
四 水轮发电机组的水力振动分析
（一）尾水管涡带
尾水管低频水压脉动水轮机在非设计工况下运行时，由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响，在尾水管内常引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后，涡带以近于固定的频率在管内转动，引起水流低频压力脉动。当管内水流一经发生，压力脉动就会激起尾水管壁、转輪、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。涡带有实心涡带和空腔涡带两种形态，螺旋状涡带将引起压力脉动，注意涡带压力脉动与共况的关系（水头、流量、空化系数），尾水管涡带压力脉动的特点：频率约为转速频率的1/4；出现在以50%额定负荷为中心的30%～70%范围。
（二）类转频压力脉动
所谓类转频，是指其频率接近转速而又不等于转速。其频率范围为（1.01～1.3）fn；（0.7～0.99）fn。它对机组振动的影响主要是机组的垂直振动和全水力系统的强烈压力脉动。一般出现在额定功率25%或75%左右（随水头大小而变化），振动范围很小。值得注意的是，类转速压力脉动只有在水体共振的情况小才显示其影响，所以，其预防的关键在于进行共振校核。
（三）迷宫止漏装置中的压力脉动
当迷宫中间隙发生周期性变化时，就会在其间隙中产生压力脉动。迷宫压力脉动一般为转频，并作为总水力不平衡的一部分。迷宫中压力脉动达到一定程度并且和大轴的摆度方向成一定角度时，就可能引起转动部分的自激振动。迷宫引起的自激振动的情况主要与迷宫的结构和尺寸密切相关。
（四）卡门涡列
卡门涡列恒定流束绕过物体时，在出口边的两侧出现漩涡，形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡，进而互相干扰、互相吸引，形成非线型的涡列、俗称卡门涡列。当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时，将产生共振，并拌有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。它主要影响在于引起固定导叶、活动导叶、转轮叶片和局部水体的共振。
（五）其他类型的水力振动
在水轮发电机组中，还存在一些如转轮叶片进口边附近的脱流引起的振动和噪音及导叶叶道流速分布不均匀产生的压力脉动等类型。
六 水轮发电机组在线检测工作流程和关键技术介绍
（一）实施机组状态检修工程流程
水电厂开展状态检修工作流程由设备、状态监测、诊断分析与判断决策、检修管理、设备检修评估5个递进层次组成，并形成一个有机的闭环系统。其中状态监测、诊断分析与判断决策是整个水电厂状态检修工作的核心部分。也是实施状态检修的技术基础；检修管理、设备检修评估是实施状态检修的关键部分，是状态检修制度的具体体现；流程中的设备系指状态检修工作的对象，以检修工作量大、工期长的水轮发电机组主体为重点。
（二）实施机组状态检修的关键技术
实施水轮发电机组状态检修工作需要研究解决的问题主要包括四个方面：一是机组状态信号的取得；二是机组状态信号分析处理及特征信号的获得；三是对机组运行状态分析诊断和判断决策；四是对机组的检修决策和维护管理。要想机组运行设备达到状态检修的目的，首先需要采用将机组运行设备监测诊断、维护、管理三者集成为一个统一的集成化系统；其次需要合理选择和布置监测点；三要准确判断和处理机组的信号特征；四是确定诊断模式，建立适用的专家系统。