浅析水轮发电机组的振动分析与在线监测

电力18讯：    摘  要：本文通过针对水轮发电机组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

1 水轮发电机组振动概述

水轮发电机组的振动是以水轮机为原动力，水的能量是激发或维持机组振动的最根本能源。它既可直接激发并维持机组的振动，也可间接激发或维持机组振动。从振动的发生的情况看，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。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也会引起发电机的磁振动。从结构上讲，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。它们中任何一个部件存在机械缺陷时都可能引起机组的振动，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。因此，一般来说水轮发电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振动部件，如定子铁心等。

2 水轮发电机组振动的类别

常规振动是指由不可避免的因素引起的振动。在混流式水轮机中，这种不可避免因素主要有两个：尾水管涡带压力脉动和不平衡力。异常振动主要有以下几种情况：一是共振→它可能出现在机组的转动部分、叶片、水体、定子铁心等处；二是自激振动→水轮机中自激振动主要由迷宫泄漏所引起；三是水体共振及其引起的机组强烈振动→流道中，任何部分的水体部分都可能发生共振。

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。不平衡的频率一定是转速频率：

2.1 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。引起转子不平衡的原因可以分为：――缺陷类：转动质量原因、轴线原因，如轴线的曲折度，轴线与推力镜板不垂直，镜板和推力轴承不水平，各种轴承不同心、不平行；――附加影响类：由弓状回旋引起，对高速机组影响比较大。

2.2 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。

2.3 水力不平衡

水力不平衡由转轮叶片和流道形状不一致所引起，它与机组的过流量成一定比例关系。常规情况下也把由迷宫间隙周期变化引起的间隙压力脉动归入其内。间隙的周期变化可由迷宫转动部分不圆或轴的摆度所引起。   

由此可见，机组机械不平衡、电磁不平衡和水力不平衡之间可以相互影响。

2.4 热不平衡

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。

在分析上述几种不平衡时，可以采用综合平衡法，即：水、机、电综合；上、下、水三导综合；摆度和振动综合；一般与特殊情况综合。通过判断振动和摆度来调整轴线的姿态。

3 机械原因引起的振动及分析

机械故障引起的振动，其频率和转频相同或成整倍数关系。不同原因引起的振动还有自己的特征，机械故障的偶然性和多样性，不像有些水力或电磁振动那样有一定的规律。要识别它们，需要对机组各部分的结构、性能、加工、安装工艺等有一定的了解，同时，实践经验和同类别的电厂情况的积累有助于迅速地识别和排除故障。

3.1 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。

3.2 轴瓦间隙大

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。

弓状回旋半径和附加离心力的关系图

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