水轮发电机组振动的机理及其故障诊断方法
摘要随着社会的进步与发展，水轮发电机组的安全、经济运行在电厂已经越来越重要，水电企业对水电机组的状态监测与故障分析技术提出了更高的要求。本文概述水轮机稳定性的重要性、机组振动的机理、机组振动的危害以及机组故障的诊断，加深我们对机组安全运行的认识。
一、概述 能源是社会发展的物质基础，是国民经济增长的支撑和动力。能源不仅与人类的发展紧密关联，而且在社会经济发展中发挥着不可替代的作用。当今我国能源消费结构中，化石能源仍占主导地位，能源的有限性与需求的日益增长之间的矛盾愈演愈烈，能源成为制约社会经济发展的瓶颈。在这种情势下，水电作为可再生能源开始登上历史舞台并占据重要地位。全球能源消耗预计从2010年的1.1743×10亿吨到2035年的1.7517×10亿吨约增加了1.5倍，目前化石燃料消耗大约占有90%。由于化石燃料的不可再生，以及对环境和健康的影响，改变自然资源和清洁能源必须进一步挖掘。水力发电占全球电力供应的15%，是可再生能源和可持续能源的主要贡献者。
水轮机是任何水电站的心脏，它将水的势能转化为机械能。水轮发电机组是水电厂最关键的主设备，它的安全运行是水电厂确保安全、优质、经济发供电的根本保障，直接关系到电网的安全稳定运行，决定着水电厂的经济效益和社会效益。研究表明，水轮机内部湍流脉动诱发的水力稳定性问题，是决定机组运行稳定性的最主要因素。事实上，水电机组在运行过程中除因水力不稳产生振动外，也经常由于机械和电气等方面的原因而产生振动。据统计，水电机组约有80%的故障或事故都在振动信号中有所反映。所以，研究水电机组的故障诊断方法和对水电机组的振动故障进行智能诊断，对提高我国水电机组故障诊断水平，缩小与国外同类技术的差距都具有十分重要的意义。
随着水轮发电机组单机容量和结构尺寸的日益增大，机组运行的稳定性成为亟需研究的科学和工程问题。深入分析水轮发电机组振动的机理，能够更好的保证其运行的可靠性，有效避免或者减轻振动故障对机组可能产生的危害。认识水轮机的振动至关重要，具有重大现实意义。
二、振动机理 从振动发生的情况看，有的是水轮机本身的水力特性决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的。机组运行过程中，由于某些方面如设计、加工、安装或参数配合不当也会引起发电机的电磁振动。从结构上水轮发电机组可以分成两大部分：转动部分和固定、支持部分，它们中的任何一个存在机械缺陷时都可能引起机组振动。而这些缺陷可能是由设计、加工、安装等任何一个环节所引起。常规情况下，机组有四大振动部件：上机架、下机架、顶盖、转动部分，异常情况下还有其它部件，如定子铁心等。水轮发电机组由于受力、约束和旋转，运行设备的振动是不可避免的。振动参量是反映水电机组运行状态的重要参数，同时异常的振动也是损坏设备的重要原因之一。根据水电机组特性，可将引起振动的振源划分为水力、机械、电气三个方面的因素来分别研究。
引起机械振动的主要原因有：
· 大轴在法兰处对中不良，连接不紧或固定件松动而造成大轴有折线，从而引起的振动;
· 机组转动部分因质量不平衡、弯曲或零部件脱落等造成的振动;
· 机组转动部件和固定部件的摩擦、导轴承瓦间隙大，或推力轴承的推力轴瓦不平和推力头松动等原因引起的振动。
机械缺陷或故障引起的振动有共同的特点，其振动频率为转频或转频的倍数，不平衡力一般为径向或水平方向。
电磁振动分为两类：即转频振动和极频振动。引起转频振动电磁方面的原因主要是转子绕组短路、定子和转子间气隙不均匀、不对称工况运行、磁极的次序错误造成磁路不对称引起磁拉力的不平衡，从而产生振动;定子铁芯松动引起100Hz的极频振动。
水力因素会引起机组振动、摆度增大，振频随振源的变化而不同，如涡带偏心振频为1/2-1/6转频：卡门旋涡振频与叶片出水边相对流速、出水边厚度有关，汽蚀振频为高频等。
水力振动主要有：
· 卡门涡列引起的振动;
· 尾水管涡带引起的振动;
· 水封间隙不等引起的振动;
· 蜗壳、导叶和转轮水流不均匀引起的振动;
· 压力管道中水力振动;
· 狭缝射流、空腔汽蚀引起的振动;
· 协联关系不正确引起的振动等。
从以上分析可见，水轮发电机组的振动与众多因素有关，振动的特征反映了机组的工作状态和故障情况。不同因素引起的振动，都有其不同的特征表现。这些特征除了与振幅、振频有关外，还与机组负荷、励磁电流、水头等因素有关。
振动的水力因素，指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性，且当机组处在非设计工况或过渡工况运行时，因水流状恶化，机组各部件的振动亦明显增大。由于单位体积水流的能量取决于水头，所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱，高水头、低负荷时振动相对而高较为严重。常见的由水力原因引起的水轮机振动有以下几种：
1. 尾水管中水流涡带所引起的压力脉动诱发的水轮机振动
混流式水轮机在偏离最优工况运行时，尾水管中将出现涡带，由此引起水轮机振动，并伴有响声，常发生在30%~60%额定负荷范围内。强烈的涡带可能引起厂房振动。若由涡带引起的尾水管中的低频压力脉动频率与引水管固有频率接近，则可能引起引水管强烈振动;如果压力脉动频率和水轮机的转频接近，则可能引起功率摆动，如凤滩、拓溪、狮子滩、刘家峡等水电站均存在涡带引起的振动，常在转轮出口附近的尾水管上部装十字架补气装置，或轴心补气，还有采取加长泄水锥或加同轴扩散形内层水管段。近年来，一些大中型水电站在尾水管入口处加装导流瓦和导流翼板等，都可使涡带引起的振动减轻或消失。
2. 卡门涡列引起的振动
当水流流经非流线型障碍物时，在其后而尾流中分裂出一系列变态漩涡，即所谓卡门涡列。这种涡列交替地作顺时针或逆时针方向旋转。在其不断形成与消失过程中，会在垂直于主流方向引起交变的振动力。当卡门涡列的频率与叶片固有频率接近时，叶片动应力急剧增大，有时发出响声，甚至使叶片根部振裂。卡门涡列一般发生在500lc额定出力以上的某种工况，如浙江的黄坛口、湖南的水府庙、江西的洪门等水电站均发生过卡门涡列振动，采用改变卡门涡列频率或叶片固有频率的办法，可以减轻卡门涡列振动，如将叶片出水边削薄或改型，有可能使正背两面构成的交流漩涡抵消或削弱。同时提高了卡门涡列的振动频率，使其远离叶片自振频率，避免共振，但是叶片削薄改型部分不宜太长，否则会影响翼型的特性，降低效率。尾端圆角应满足强度要求，不应太小。水府庙水电站采用在叶片之间加焊支撑钢管，也可以改变叶片的自振频率，避免疲劳裂纹。
3. 转轮止漏间隙不均匀引起的振动
为了减少高水头水轮机转轮的容积损失，通常采用梳齿形止漏装置，但当结构不合理或间隙过小时，即使主轴很小的偏心或止漏环少量的几何形状误差(如椭圆度、不均匀磨损等)，都会引起间隙内压力的变化和波动。间隙大处其流速较小而压力较大，间隙小处则相反，因而造成间隙内的压力不均匀分布和侧向水推力，引起转轮偏心变大和振动，其振动频率与止漏环偏心运动的频率相同。实践证明，适当增大外止漏环间隙，可使转轮偏心运动对转轮背压和止漏环间隙中压力的影响明显减弱，从而减小振动。如渔子溪4号机运行半年出现振动过大，后将上下止漏环间隙由1mm增加到2.5mm，振幅减小在规定范围内。
4. 冲击式水轮机尾水上涨引起的振动
正常时，冲击式水轮机的尾水位与转轮必须保持一定距离，尾水应无压流动。如果尾水渠雍水回溅到水斗上，扰乱水头与射流的正常流程，也会引起机组效率下降和振动。此外，运行时处于转轮附近的空气，会被高速射流带走并从尾水渠中排出，机壳上的补气孔太小或冒水就有可能使尾水位抬高甚至淹没转轮，使尾水形成有压流动，不仅产生强烈振动，而且危及机组安全。此种情况下，可采用扩大尾水渠断面或增加机壳补气量的方法来消除振动。
除上述几种常见的水力振动外，其他水力振动还包括：
· 进水口拦污栅被杂物堵塞激发的脉动;
· 杂物进入水轮机转动与固定部件之间，引起断流或流量突变而振动;
· 在不设调压井的长尾水系统电站中，甩负荷工况会出现水柱分离现象造成振动;
· 转轮室内流场不稳定可能引起控制系统振动，导致压力脉动，使出力在某一范围内摆动，利用单导叶接力器可以避免机组在导叶不同步的范围内运行。
引起水轮机振动增大的原因很多，也可能是几种原因同时作用造成的，甚至产生相互加剧的连锁反应，在未找到原因前，应避开在振动区运行。尤其是机组向高比转速、大容量方向发展，单机容量增大，机组结构尺寸增大。为减少金属用量，机组刚度相对地降低，振动问题将更加突出。为提高水电厂的安全性、经济性和可靠性，必须对机组振动问题加强调查、研究和总结，提出相应的措施，以提高水电设备的设计制造水平和水电厂的安全经济运行水平。
三、危害 水轮机运行中出现振动是常见的现象，但不允许超出振动值。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：
· 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。如大轴剧烈摆动可使大轴与轴瓦摩擦加剧温度升高，导致轴瓦烧毁;发电机转子振动过大将增加滑环与电刷磨损程度，致使电刷产生火花并不断增大，甚至发生发电机组着火事故。
· 引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂。
· 尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝，严重时可使整体尾水设施遭到破坏。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、水轮机组振动故障诊断 机组振动不可能仅仅是由于单一的原因引起的，也不可能是一个简谐振动，而是由一些简单振动合成的复杂振动。只有把复杂振动分解成一些简谐振动，再分析各简谐振动产生的原因，方可找出产生复杂振动的主要原因和各种次要原因。分清了主次，也就可以比较完善地解决振动问题。
· 首先使导叶关闭，机组转为调相运行，如果这时振动值减小很多，则干扰力源主要就是水轮机的水力部分;如果振动值没有什么变化，则干扰力源主要是机组的机械部分和电磁部分。
· 拆开主轴和法兰联接，脱开水轮机转子，使发电机单独以同步电动机方式运行。如果此时振动消失，干扰力必定是机组的水轮机部分;若振动的振幅变化不大，其频率基本不变，则振动产生的原因就是发电机的问题了。
当然，水轮机故障诊断还要在实践中具体问题具体分析，此外，水轮机模型试验是研究真机水力稳定性的重要手段。尽管现在已经具备对水轮机进行较准确的数值模拟及性能预测的手段及仿真技术，但是最终仍需进行模型试验来确定模型转轮的能量特性、汽蚀特性以及水力稳定性等。对于已运行的机组，通过模型试验可以模拟电厂的运行工况，以研究真机运行的各种特性。通过对电厂的模型机组进行多方面试验研究的结果表明：转轮的能量特性较差，在小开度下，模型机组尾水管内存在较大的低频压力脉动，不同形状的泄水锥对模型机组尾水管的低频压力脉动有较大的影响，针对具体情况，采用不同的补气方法可减轻机组的振动。
五、小结 机组异常振动的原因，分析产生异常振动的根源，最后合理解决由于机组异常振动引起的问题。在机组实际运行中遇到机组的异常振动，不能只看表面现象，片面地分析问题，而必须运用科学的试验和分析方法，根据试验中的各种参数和征兆，找出振动的原因，有针对性地进行处理。如何防治机组的振动，关键在于搞清水轮机组的结构与监测，只有严密监测和充分熟知了机组的工作状况，才能确保机组安全、高效、稳定运行。机组若发生了超过允许值的振动，就必须尽早设法减少其振动值，甚至必须停止机组运行，为此，必需对振动情况进行定性定量分析，找出振动的具体原因，以便对症下药，具体地解决它，以防机组发生严重破坏性事故的不良后果。
(原文注：以上来自一位研究生的报告)
来源：宁利中科学网博客
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