盧雙龍，張才穩(wěn)，彭天波

（湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，武漢430077）

前言

水輪發(fā)電機組振動和擺度是水電站設(shè)計與運行維護中的重大課題，它作為新機安裝或者機組大修后運行時的動態(tài)評價指標，在機組安全穩(wěn)定運行方面具有舉足輕重的地位[1]。因此，在實踐中解決水輪發(fā)電機組振動問題，在提高機組安全穩(wěn)定運行和延長機組使用壽命方面將具有十分重要的意義。

某水電站1號機組為立軸混流式水輪發(fā)電機組，該機組在調(diào)試期間出現(xiàn)了不同程度的振動問題，嚴重影響了機組安全穩(wěn)定運行。本文對該機組振動現(xiàn)象進行了詳細分析，找出了機組振動故障原因，制定了故障治理方案，方案實施后徹底消除了該機組振動故障。本文的分析思路和診斷方法可為同類機組振動故障治理提供參考。

1 機組首次起動振動數(shù)據(jù)

在首次起動過程中，在200 r/min之前振動情況較好，但在200 r/min之后下導(dǎo)擺度隨轉(zhuǎn)速升高而直線爬升。表1給出了定速初期各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，在定速初期，上導(dǎo)擺度和水導(dǎo)擺度均不大，振動情況較好；下導(dǎo)擺度較大，已超過該機組擺度評價標準 150μm。另外，在定速過程中，各導(dǎo)軸承擺度均出現(xiàn)了一定程度的爬升，其中下導(dǎo)擺度變化最大，由定速初期的240μm逐漸爬升至370μm以上，并有繼續(xù)爬升的趨勢，這也不利于機組長期安全穩(wěn)定運行。此外，該機組還存在水導(dǎo)擺度通頻幅值和工頻幅值之間差值較大的振動異?，F(xiàn)象。

表1 原始擺度數(shù)據(jù)（通頻/工頻：μm/μm°∠）

2 振動原因分析

水輪發(fā)電機組產(chǎn)生振動的原因主要有機械因素、電磁因素和水力因素三個方面[2]。由于該機組振動問題出現(xiàn)在空載運行工況下，可以初步排除電磁因素和水力因素引起機組振動的可能。因此，本文主要從機械方面來分析導(dǎo)致該機組振動故障的原因。

2.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

頻譜分析表明，上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度以工頻分量為主，其他頻率分量較小，說明機組發(fā)生了普通強迫振動，可以排除發(fā)電機上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承失穩(wěn)或軸瓦緊力不足等因素的影響；機組安裝資料表明各部件參數(shù)在標準范圍內(nèi)，可以排除因安裝因素引起機組振動的可能。

在排除上述因素后，認為發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是導(dǎo)致定速初期下導(dǎo)擺度超標的主要原因。這是因為，該機組各導(dǎo)軸承擺度工頻幅值隨轉(zhuǎn)速升高而逐漸增大，各導(dǎo)軸承X向和Y向基頻相位相差約90°，說明軸系存在一定的質(zhì)量不平衡。由于下導(dǎo)擺度工頻分量較大，上導(dǎo)擺度和水導(dǎo)擺度工頻分量較小，說明不平衡位置主要位于發(fā)電機側(cè)，且位于發(fā)電機轉(zhuǎn)子下部。因此，對于定速初期下導(dǎo)擺度超標問題，現(xiàn)場可以通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子實施動平衡的方法來解決。

2.2 動靜摩擦

在定速過程中，各導(dǎo)軸承擺度均出現(xiàn)了不同程度的爬升，其中下導(dǎo)擺度變化最大，由定速初期的240μm逐漸爬升至370μm以上，并有繼續(xù)爬升的趨勢。在停機過程中，各導(dǎo)軸承擺度幅值普遍高于升速過程中相同轉(zhuǎn)速下的擺度幅值，說明轉(zhuǎn)子存在一定程度的熱彎曲。在發(fā)電機轉(zhuǎn)子還未通勵磁電流的情況下，這種熱彎曲只能是由摩擦引起的。圖1給出了定速過程中下導(dǎo)X向擺度趨勢圖。

圖1 下導(dǎo)X向擺度趨勢圖

摩擦振動是指當(dāng)轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間間隙消失后，動靜部件直接接觸產(chǎn)生的振動。在處理摩擦振動時，摩擦部位的正確判斷顯得尤為重要。大多數(shù)情況下，摩擦點附近振動矢量波動和變化量最為明顯，距離摩擦點越遠，振動矢量變化幅度越小[3]。在定速過程中，下導(dǎo)擺度變化量較大，上導(dǎo)和水導(dǎo)擺度變化量較小，說明摩擦部位在下導(dǎo)軸承附近。在下導(dǎo)擺度爬升過程中，下導(dǎo)瓦溫也同步變化，說明摩擦部位很可能位于下導(dǎo)軸承處。機組安裝資料表明，下導(dǎo)軸承單邊間隙在100μm左右，而定速初期下導(dǎo)擺度為240μm，已遠遠超過下導(dǎo)軸承間隙，說明摩擦部位位于下導(dǎo)軸承處。由于該機組下導(dǎo)軸承間隙在標準范圍內(nèi)，而定速初期下導(dǎo)擺度已明顯超標，說明該機組摩擦振動很可能與發(fā)電機轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)。通過對測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在下導(dǎo)擺度爬升過程中，下導(dǎo)擺度基頻相位基本不變，說明動靜摩擦產(chǎn)生的熱彎曲方向與轉(zhuǎn)子原始不平衡方向基本一致，證實了前述分析的正確性。

由于該機組摩擦振動與發(fā)電機轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)，因此只要通過動平衡的方法將發(fā)電機轉(zhuǎn)子不平衡量控制在較低水平，不僅有利于解決定速初期下導(dǎo)擺度超標問題，同時也將有利于緩解甚至消除定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升現(xiàn)象。為此，摩擦振動暫時可不必進行處理。

2.3 轉(zhuǎn)軸表面機械缺陷

在升速和定速過程中，水導(dǎo)擺度通頻幅值和工頻幅值之間約有80～90μm的差值。分析表明，這主要是水導(dǎo)擺度測點表面機械缺陷所致。

圖2 低轉(zhuǎn)速下水導(dǎo)X向擺度波形

圖3 高轉(zhuǎn)速下水導(dǎo)X向擺度波形

從圖2、圖3可以看出，水導(dǎo)擺度波形中存在明顯的毛刺，低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下的毛刺點與鍵相點之間的相對位置保持不變，說明水導(dǎo)擺度測點表面存在機械缺陷（如局部腐蝕、劃痕等）。由于毛刺的存在，直接導(dǎo)致水導(dǎo)擺度通頻幅值偏大。按照擺度定義，水導(dǎo)擺度波形中毛刺所對應(yīng)的擺度峰值在 70μm 左右，如果在測試結(jié)果中將該虛假擺度值扣除，那么水導(dǎo)實際擺度僅在 60μm 左右，此時水導(dǎo)擺度通頻幅值和工頻幅值相差并不大。

2.4 軸承缺陷

頻譜分析表明，上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度以工頻分量為主，除二倍頻分量外，基本不存在其他頻率分量，可以排除上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承存在缺陷的可能；水導(dǎo)擺度頻率成分十分豐富，除工頻分量外，還含有大量的 2X、3X等高次諧波分量，這似乎說明水導(dǎo)軸承存在一定缺陷。

圖4 水導(dǎo)X向擺度頻譜圖

圖5 水導(dǎo)頂蓋振動頻譜圖

在正常情況下，同一導(dǎo)軸承擺度頻譜和振動頻譜應(yīng)表現(xiàn)出類似的振動特征，如果水導(dǎo)軸承存在缺陷，那么在振動頻譜中同樣應(yīng)有所體現(xiàn)。但頻譜分析顯示，端蓋振動始終以工頻分量為主，除二倍頻分量在1～2μm外，基本不存在其他頻率分量，這與水導(dǎo)振動特征完全不同。水導(dǎo)擺度和端蓋振動在頻譜上表現(xiàn)出的巨大差異在實際中不大可能[4]，說明水導(dǎo)擺度頻譜中高次諧波分量很可能為虛假信號所致。由前述分析可知，水導(dǎo)擺度測點表面存在機械缺陷，這將對水導(dǎo)擺度頻率成分產(chǎn)生較大影響。因此，水導(dǎo)擺度頻譜中高次諧波分量很可能為轉(zhuǎn)軸表面機械缺陷所致，水導(dǎo)軸承本身并不存在缺陷。

綜上所述，1號機組首次起動下導(dǎo)擺度超標主要為發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和動靜摩擦所致。由于該機組摩擦振動和發(fā)電機轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場決定首先對發(fā)電機轉(zhuǎn)子實施動平衡，摩擦振動治理視動平衡處理后擺度爬升情況而定。另外，各導(dǎo)軸承工作狀況正常，暫時不必進行檢查與調(diào)整。

3 振動治理效果

根據(jù)定速初期各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)，計算出首次加重方案P=18.5kg20°∠。在加重方案實施過程中，發(fā)現(xiàn)該加重方案正好位于轉(zhuǎn)子已有配重塊的對面，于是現(xiàn)場采取去掉原始配重塊的加重形式。結(jié)合原有配重塊重量，決定首次加重方案為去重P=20kg2∠00°。經(jīng)過首次動平衡處理后，各導(dǎo)軸承擺度有較大改善，定速初期下導(dǎo)擺度由240μm下降至136μm，定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升幅度明顯減小，動平衡效果十分明顯。考慮到該機組擺度爬升現(xiàn)象依然存在，現(xiàn)場決定繼續(xù)實施動平衡，以進一步緩解定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升現(xiàn)象。根據(jù)首次加重效應(yīng)，決定繼續(xù)去重P=10kg200°∠。通過本次動平衡處理后，不僅進一步改善了定速初期下導(dǎo)擺度幅值，同時也進一步緩解了定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升現(xiàn)象，完全達到了預(yù)期配重目的。表2給出了該機組動平衡處理后各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)，圖6給出了動平衡處理后下導(dǎo)Y向擺度趨勢圖。

表2 加重后擺度數(shù)據(jù)（通頻/工頻：μm/μm°∠）

圖6 下導(dǎo)Y向擺度趨勢圖

通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子實施動平衡后，各導(dǎo)軸承工頻擺度均處于較低水平，說明轉(zhuǎn)子機械不平衡量已處于較低水平；在定速過程中，各導(dǎo)軸承擺度通頻幅值均小于 120μm，工頻相位基本保持不變，說明摩擦故障基本消除，表明該機組首次起動擺度超標問題及擺度爬升現(xiàn)象被徹底解決。

4 動平衡后振動突變分析及處理

在沒有任何運行操作和征兆的情況下，該機組在正常運行期間出現(xiàn)了振動突變的異常振動現(xiàn)象。其中，下導(dǎo)擺度變化最大，在短短幾秒內(nèi)由120μm突然增大到200μm以上。圖7給出了突變前后下導(dǎo)X向擺度趨勢圖。

頻譜分析表明，振動突變前后振動頻率均以工頻分量為主，說明振動性質(zhì)為普通強迫振動。在機組突發(fā)性振動后，各導(dǎo)軸承擺度幅值和相位均發(fā)生了較大變化，基頻幅值和相位都恢復(fù)不到突發(fā)前的水平，表明軸系平衡狀態(tài)發(fā)生了明顯變化。在突變性振動前后，各導(dǎo)軸承擺度工頻幅值和基頻相位基本保持不變，說明該機組在運行期間很可能出現(xiàn)了部件飛脫或部件位移的情況。

圖7 下導(dǎo)X向擺度趨勢圖

在停機期間，首先檢查了發(fā)電機轉(zhuǎn)子平衡塊，沒有發(fā)現(xiàn)飛脫或位移的跡象，可以排除因平衡塊安裝不當(dāng)導(dǎo)致機組發(fā)生突發(fā)性振動的可能。在檢查發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極線圈時，發(fā)現(xiàn)幾乎全部線圈甩出線槽，由于磁極線圈含有一定的質(zhì)量，在發(fā)生位移的情況下，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子平衡狀況發(fā)生明顯變化。因此，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極線圈位移很可能是導(dǎo)致該機組振動突變的根本原因。

由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極線圈幾乎全部甩出線槽，現(xiàn)場對轉(zhuǎn)子磁極線圈進行了加固處理。再次開機后，各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)與動平衡處理后的擺度數(shù)據(jù)基本吻合，證實了前述分析的正確性。在后來運行期間，該機組再也沒有出現(xiàn)過突發(fā)性振動現(xiàn)象，說明通過對轉(zhuǎn)子磁極線圈進行加固處理后，徹底解決了該機組突發(fā)性振動問題。

4 結(jié)論及建議

（1）該機組首次起動下導(dǎo)擺度超標主要為發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和動靜摩擦所致，現(xiàn)場通過兩次動平衡處理后，成功地解決了該機組擺度超標問題；

（2）發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極線圈位移是導(dǎo)致該機組振動突變的根本原因，現(xiàn)場通過對轉(zhuǎn)子磁極線圈進行加固處理，徹底解決了該機組突發(fā)性振動問題；

（3）當(dāng)確定機組摩擦振動與轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)時，建議首先開展軸系動平衡工作，摩擦振動治理可視動平衡處理后動靜碰摩程度而定；

（4）在正常運行期間，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極線圈幾乎全部甩出的故障實屬少見，希望相關(guān)單位對轉(zhuǎn)子磁極線圈固定方式能給予更高重視；

（5）當(dāng)渦流傳感器測點表面存在機械缺陷時，振動測試結(jié)果將不能反映機組真實振動狀況，建議在安裝渦流傳感器前盡可能消除轉(zhuǎn)軸測點表面機械缺陷。

[1]任光輝. 水輪機發(fā)電機振動問題分析和處理[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品. 2011,(7)129.

[2]唐明, 方芳. 水輪發(fā)電機組振動分析處理[J]. 甘肅水利水電技術(shù). 2009, 45(7): 34-35, 37.

[3]楊建剛. 旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社, 2007.

[4]張學(xué)延. 汽輪發(fā)電機組振動診斷[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.