黃長征，李 錦

（韶關學院 物理與機電工程學院，廣東 韶關 512005）

我國高水頭、大容量水輪發(fā)電機組不斷增多，機組振動問題日益突出，對水電站機電裝備的安全運行、使用壽命以及電網的穩(wěn)定運行構成嚴重威脅［1］.與一般動力機械相比，水輪發(fā)電機組工作狀況復雜，振源較多，引起故障的原因更為復雜，對其振動的測試、分析、故障診斷也異常復雜［2］.所以研究水輪發(fā)電機組振動的振源、危害、測試方法、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法、減振措施等問題具有非常重要的理論意義、工程意義和經濟意義.

1 水輪發(fā)電機組的振源

引起水輪發(fā)電機組振動的原因很多，主要有機械振動、水力振動和電磁振動3個方面.

1.1 機械振動

1.1.1 機組轉子的振擺

若機組轉子的總軸向力沒有通過軸承的中心，就會使軸承因受力不均而產生不均勻軸向變形.轉子轉動時，總軸向力隨之轉動，各軸承的變形也變化，從而產生振擺.尤其是當大軸中心找不正、軸線有折彎、導軸承與轉子不同心，或水輪機偏離最優(yōu)工況產生脈動推力時，轉子振擺尤為嚴重.其振動頻率為轉頻和倍轉頻，其主頻為轉頻.

1.1.2 機組轉動件質量不平衡引起的弓狀回旋

機組轉動部件因制造、安裝或檢修引起的質量不平衡、質量偏心，而導致轉動件轉動過程中產生離心力，引起弓狀回旋，形成振動.當轉速接近臨界轉速時，還會產生共振.振擺頻率與轉速頻率相同.

1.1.3 轉子“抖動”

機組運行過程中，若導軸承松動、剛性不足、導軸承間隙過大或過小，且運行不穩(wěn)、潤滑不良時，轉軸與導軸承間產生干摩擦，導致軸承反向回旋作用，產生橫向振動、轉子“抖動”.該橫向振動的方向和軸的回轉方向相反，頻率相同.

1.1.4 其它機械原因引起的振動.

因導軸承缺陷或間隙調整不當、機組軸系與支承結構剛度不足、水輪機徑向盤根密封調整不當或潤滑不良，均會產生振動.其振動主頻為轉頻［3-4］.

1.2 水力振動

1.2.1 尾水管渦帶引起的振動

機組在最優(yōu)工況時，轉輪流出的水流方向大致為軸向.如果機組工作在低負荷運行區(qū)，即實際負荷小于設計負荷時，則會產生一個與旋轉方向相同的旋轉分量；如果機組工作在高負荷運行區(qū)，即實際負荷大于設計負荷時，也會產生一個與旋轉方向同向的旋轉分量［5］.這時在尾水管中心附近產生旋轉渦帶.該渦帶中心壓力較低；如果處于低尾水位時，該渦帶中心壓力更低，最終導致“空腔汽蝕”.當實際負荷大于設計負荷時，渦帶通常比較穩(wěn)定；實際負荷小于設計負荷時，形成在尾水管內旋轉擺動的龍卷狀渦帶，從而引起尾水管內壓力脈動.該壓力脈動頻率為［6］：

f=n／(60×Z)

式中n為水輪機轉輪轉速，單位r／min；Z為經驗值，通常取值3～4(有時也取值1～5).

該頻率值及其幅值會隨著發(fā)電機組工況變化而變化.若該頻率接近或等于過水系統(tǒng)水壓脈動頻率，會產生共振，引起尾水管、管型座和電站水工建筑物等水輪機整個過流系統(tǒng)的強勁的水壓脈動，產生振動，導致機組轉速不穩(wěn)，并網困難.如果機組工作在“飛逸”泄水工作狀態(tài)下，尾水管進口處會產生更大的壓力脈動，這時機組產生更大的振動［6］.

1.2.2 卡門渦列誘發(fā)的振動

若水輪機的轉輪葉片和導葉在大沖角或尾部具有鈍的出水邊時，在水流繞流葉片上、下表面時邊界層脫流而引起的發(fā)生在繞流物體尾部后的旋渦，即為卡門渦列.該渦列引起繞流葉片環(huán)量改變，從而產生作用于葉片尾部的交變力.當交變力頻率與葉片的固有頻率相近時，則產生卡門渦列與葉片的共振.卡門渦列是誘發(fā)水輪機葉片、導葉和固定導葉振動的振源之一［7］.該振動頻率為：

f=Sr×V／d

式中Sr是斯特勞哈系數(shù)，通常取值0.20～0.27；V是繞流流速，單位m/s；d是板厚或圓柱體直徑［1］.

1.2.3 狹縫射流誘發(fā)的振動

在軸流式水輪機中，因為轉輪葉片的工作面和背面存在流體壓力差，所以在轉輪葉片的外緣和轉輪室內壁之間的狹縫中形成一股射流.該射流速度很高、壓力很低.當轉輪轉動時，在轉輪葉片經過的區(qū)域，轉輪室內壁受到流體的壓力較低；當轉輪葉片離開該區(qū)域后，該區(qū)域轉輪室內壁受到流體的壓力增大.如此不斷循環(huán)，轉輪室內壁受到周期變化的壓力作用，產生振動，可能導致零件疲勞破壞［6］.其振動頻率為：

f=(Z1×n)／60

式中Z1為水輪機葉片數(shù)，一般為4片；n為水輪機轉速，單位r/min.

1.2.4 協(xié)聯(lián)關系不正確誘發(fā)的振動

在軸流式水輪機中，因進入葉片水流的干擾力，導致水輪機葉片和導葉的協(xié)聯(lián)關系受到破壞，則葉片表面脫流或空化，都會誘發(fā)葉片振動.當水輪機葉片和導葉協(xié)聯(lián)關系有誤時，調速器系統(tǒng)振蕩過程將變長，將導致機組出力和轉速振蕩；轉輪葉片不再具有無撞擊進口，水流對葉片產生沖擊［1，6-7］.

1.2.5 其它原因誘發(fā)的振動

當水輪機發(fā)生嚴重汽蝕時，則產生振動和噪聲，尤其是低水頭低負荷時，轉輪葉片的沖角變化比較大，轉輪葉片表面產生強勁的脫流旋渦，汽蝕更為嚴重，同時誘發(fā)轉動部件和尾水管的振動［6］.在停機或甩負荷過程中，導葉即將關閉時會產生反水錘，該反水錘也會引起機組振動.若加工、安裝等原因引起過流部件形狀不對稱，在轉輪范圍內，水流失去軸對稱，也會產生一個不平衡的橫向力作用于轉輪而導致振動.此外，還有過渡過程中的不穩(wěn)定引起的振動，導葉數(shù)和葉片數(shù)耦合引起的振動等等［1，8］.

1.3 電磁振動

因設計、制造、安裝或參數(shù)匹配不當，發(fā)電機組在工作過程中因電磁力不平衡等原因，致使機組產生電磁振動.其主要原因有：

（1）轉子不圓，轉子旋轉中心與幾何中心不一致.

（2）因受力不平衡誘發(fā)發(fā)電機轉動部分振動，其振動幅度隨著勵磁電流的增大而增大.

（3）若一個磁極因短路而引起磁動勢減小，而與其相對應的磁極的磁動勢并沒有改變，從而出現(xiàn)一個跟轉子一起旋轉的輻向不平衡的電磁力，最后導致轉子振動.該振動隨著定子電流的變大而變大，振動級別與電流幾乎成線性關系.

（4）因定子鐵芯或定子鐵芯組合縫松動誘發(fā)的振動.該振動隨著機組轉速變化而快速變化，當機組帶負荷時，其振幅隨著時間增長而減小.因定子鐵芯組合縫松動誘發(fā)的振動頻率通常為電流頻率的倍頻.

（5）在較高電磁負荷作用時，因定子繞組固定不牢而誘發(fā)的機組和繞組的振動.該振動隨著機組轉速、負荷變化而變化［1］.

2 水輪發(fā)電機組的振動測試技術

水輪發(fā)電機組存在振動是不可避免的，只是程度不同而已.工程技術人員若想了解振動的大小是否在允許范圍內，并分析振動產生的原因，就必須測試現(xiàn)場振動，獲得振源及其響應特性，為解決振動問題提供決策依據(jù).振動測試包括測試內容、測試方法、測試儀器和測試數(shù)據(jù)處理.

2.1 測試內容

振動測試主要測試內容有：

（1）測量振動量、頻率、周期、波形與相位.振動量包括位移、速度、加速度及幅值.通過測試振動量，進行時域分析或頻域分析，分別求得自功率譜密度、功率譜密度和自相關函數(shù)、互相關函數(shù)等.

（2）測量結構或部件特征參數(shù).這些參數(shù)主要包括固有頻率、阻尼比、剛度、振型等.例如：通過激振法測得輸入和振動響應，以確定被測對象的頻率響應，再進行模態(tài)分析，求得各階模態(tài)的動態(tài)參數(shù).

（3）測量壓力脈動.

（4）測量不平衡力.

（5）測量噪聲.

2.2 基本測試方法

2.2.1 機械式儀表測振法

機械式儀表主要有裝有筆式記錄裝置的測振儀、千分表（百分表）、機械式示振儀，主要用來測量位移，適應于低頻范圍.

筆式記錄測振法：通過裝有筆式記錄裝置的測振儀測量機械振動的時間歷程，經過比較分析，測得振動的頻率、周期、波形和相位.

千分表（百分表）法：用橋式起重機吊一重物（此重物相對機組來說是相對靜止的），將千分表固定在重物上，千分表的測桿觸頭緊緊頂住機組被測部位，測得振動的振幅.

若找不到不受振動影響的靜止固定點時，可采用千分表和重物等部件構建的慣性式機械測振儀.帶有千分表的機械測振儀振動頻率測量范圍一般在12 Hz以下.

2.2.2 電測法

電測法是利用應變片式測振傳感器等傳感器，將振動量轉換成電量，通過放大器放大，由示波器予以記錄，最后對數(shù)據(jù)進行處理.該方法靈敏度高，頻率范圍廣，便于讀數(shù)和分析，容易實現(xiàn)遙測和自動控制，應用較廣.但是易受外界電磁場干擾，測量時必須采取屏蔽措施.

2.2.3 光電法

光電法是利用光電式傳感器將被測量的振動轉化為光信號，再利用光電效應轉換成電信號進行測量.

2.3 振動測試儀器

大型水輪機振動測試儀器測頻范圍一般選用0.1～200 Hz.其基本測試儀器如下：

（1）傳感器.根據(jù)被測物理量，傳感器分為加速度傳感器、位移傳感器、速度傳感器和力傳感器等四類，根據(jù)接觸方式分接觸式和非接觸式兩種安裝方式.

（2）放大器.主要有電荷放大器、電壓放大器和微積分放大器等三類，其功能是將傳感器輸出的電信號放大.

（3）分析儀器.其功能是將測得的振動信號進行分析處理，獲得各個不同頻率范圍內的信號，分模擬式和數(shù)字式兩類.

（4）顯示和記錄設備.其功能是顯示和記錄測試數(shù)據(jù)，以便研究、分析、測量各種電參數(shù)和非電量參數(shù)的動態(tài)變化過程.常用的顯示設備有計算機、電子示波器、數(shù)字式指示儀等.常用的記錄設備有計算機、光線示波器、磁帶記錄儀等.

2.4 振動測試系統(tǒng)

一個完整的水輪發(fā)電機組振動測試系統(tǒng)如圖1所示，一般由傳感器，信號變換、處理、放大、測量裝置，分析儀器和顯示記錄設備組成［9］.

圖1 水輪機振動測試系統(tǒng)圖

3 水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

為有效監(jiān)測水輪發(fā)電機組的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備運行過程中的故障，確保設備安全可靠運行，對水輪發(fā)電機組進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷非常必要.水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)如圖2所示［1］.但有的系統(tǒng)沒有故障診斷系統(tǒng)，只有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng).水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成.

圖2 水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

（1）硬件系統(tǒng).監(jiān)測硬件系統(tǒng)主要由傳感器、信號預處理器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機等組成.工控機主要用于采集、處理、分析發(fā)電機組的現(xiàn)場傳感器獲取的信號，并將必要的信號送入連接于同一網絡上的數(shù)據(jù)庫服務器.A/D變換卡將傳感器傳來的模擬信號轉換為數(shù)字信號.數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析處理，提取特征信號.故障診斷系統(tǒng)是通過專家系統(tǒng)等對獲取的信息進行分析判斷，對設備故障進行診斷處理.

（2）監(jiān)測軟件系統(tǒng).軟件系統(tǒng)的主要功能有：機組動能參數(shù)監(jiān)測、實時監(jiān)測、擺度和振動分析、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)錄波、報警、網絡通訊.狀態(tài)監(jiān)測的項目主要有：電壓、電流、功率、效率、溫度、流體壓力、流量、液位、位移、振動、擺度、壓力脈動、絕緣、空化空蝕、泥沙磨損、開關動作、泵和風機啟停等狀態(tài)量［10］.目前國內外常用的監(jiān)測軟件開發(fā)平臺主要是美國National Instrument公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows/CVI.各國相繼開展了水輪機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的研究開發(fā)，應用較為成熟的系統(tǒng)有加拿大VibroSysTM公司的ZOOM2000系統(tǒng)和AGMS系統(tǒng)、瑞士VIBRO-METER公司研發(fā)的VM600系統(tǒng)、美國本特利內華達公司研發(fā)的Hydro Vu系統(tǒng)、德國SIMENS公司的研發(fā)的SCARD系統(tǒng)等.我國也成功開發(fā)了類似的系統(tǒng)，如清華大學的PSTA系統(tǒng)、華中科技大學的HJS系統(tǒng)以及北京英達華公司的EN-8000系統(tǒng)等［11-13］.

4 水輪發(fā)電機組振動的危害及防治處理

4.1 振動的危害

如果水輪發(fā)電機組振動超過允許值，將產生如下危害：

（1）誘發(fā)發(fā)電機組各連接部件松動，使各轉動部件與靜止部件之間產生摩擦甚至掃膛而損壞.如大軸劇烈擺動可使大軸與軸瓦摩擦加劇溫升，燒毀軸瓦.

（2）發(fā)電機轉子振動過大加劇滑環(huán)與電刷磨損，致使電刷產生火花并不斷增大甚至導致發(fā)電機著火事故.

（3）尾水管中形成的過大渦流脈動壓力導致尾水管壁產生裂紋甚至裂縫，嚴重時可能破壞整體尾水設施.

（4）引起機組金屬結構和焊縫的疲勞破壞區(qū)的形成和擴大，從而產生裂紋，甚至斷裂破壞、報廢.

（5）若現(xiàn)場振源頻率與發(fā)電機組某固有頻率接近時，產生共振，誘發(fā)機組出力大幅度變化，可能導致機組從電力系統(tǒng)中解列，甚至使廠房及水工建筑物遭受損壞.

（6）過大的振動不僅危及電站的安全運行，還影響電站-電力系統(tǒng)的經濟運行.

（7）機組振動嚴重時發(fā)出噪聲，影響工作人員的身心健康.

4.2 預防措施

機組振動危害頗多，必須采取預防措施，其主要措施有：

（1）每一個可能引起質量不平衡的部件，在設計時必須采取配重措施.提高發(fā)電機轉子安裝質量，盡可能減小轉子的不平衡質量.采用先進儀器和平衡配重軟件，進行現(xiàn)場平衡試驗，消除機組轉動部件的質量不平衡.

（2）設計時采取措施防止因磁軛不均勻產生的徑向位移.

（3）確保大型機組支承結構有足夠的動、靜剛度.

（4）確保制造、安裝過程中定子、轉子圓度和同心度要求.

（5）發(fā)電機定子采用分數(shù)組繞組時，進行次諧波振動、噪聲分析及核算.

（6）優(yōu)化分數(shù)槽定子的接線方式，盡量減小次諧波的量級.

（7）使定子機架固有頻率盡量避開二倍極頻.

（8）零部件的固有頻率應主動避開現(xiàn)場振源頻率.

（9）提高制造和安裝質量，減小產品誤差，減少振源［1,14,15］.

5 水輪發(fā)電機組振動技術發(fā)展趨勢

水輪發(fā)電機組振動技術發(fā)展的主要趨勢如下.

（1）采用有限元分析法，建立水輪發(fā)電機組的有限元模型，進行模態(tài)分析，得到其振型及頻率，在設計時主動避開現(xiàn)場振源頻率，避免共振［16-18］.

（2）基于流固耦合的水輪機振動研究，得到轉動部件在空氣和水中的模態(tài)和頻率，應用動態(tài)斷裂力學預測零部件的疲勞破壞［19-21］.

（3）將振動測試與故障診斷有機結合在一起，確保設備運行安全、可靠［22,23］.

6 結語

通過對水輪發(fā)電機組振動研究的重要性和必要性研究，分析了機組振動產生的根源，列舉了目前國內外水輪發(fā)電機機組的振動測試技術，介紹了其狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術，分析了振動對發(fā)電機組可能造成的危害，提出了相應的防治處理措施，最后指出了水輪發(fā)電機組振動測試技術的發(fā)展趨勢，為同類技術設計和研究提供借鑒.

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