摘 要：在水輪發(fā)電機組運行中，一旦發(fā)生機組振動，能夠根據(jù)機組振動的特征，及時地對機組發(fā)生振動的原因作出正確的判斷和恰當?shù)奶幚?，從而有效地防止事故的進一步擴大，避免造成嚴重的設(shè)備損壞或人身傷亡事故。本文主要分析了水輪發(fā)電機組振動的原因，并提出了發(fā)電機組振動的主要處理方法。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機組；振動；

中圖分類號：TK730. 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-12-00-02

一、水輪發(fā)電機組概述

發(fā)電機采用立軸半傘式水輪發(fā)電機，推力軸承位于發(fā)電機轉(zhuǎn)子下部的下機架上，機組轉(zhuǎn)動部分的重量和軸向水推力由推力軸承支撐；機組導軸承主要承受機組的徑向力和維持機組已經(jīng)調(diào)好的軸線。軸系由上端軸、轉(zhuǎn)子支架中心體、發(fā)電機主軸和水輪機主軸組成。發(fā)電機采用密閉雙路無風扇自循環(huán)端部回風空氣冷卻系統(tǒng)，熱風由16個固定在定子機座周圍的高效冷卻器冷卻。水輪機為混流式，由引水部件、導水機構(gòu)、工作部件（轉(zhuǎn)輪）、泄水部件組成。

（一）發(fā)電機轉(zhuǎn)子：主要由轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等部件組成。

1、轉(zhuǎn)子支架：是將主軸和磁軛連接成為一體的中間部件，主要作用固定磁軛和傳遞轉(zhuǎn)矩。

2、轉(zhuǎn)子磁軛：采用2mm厚的高強度DER450薄鋼板沖制而成，磁軛寬570mm，每片4個極，采用1個極距交錯雙向疊片方式，以保證鍵槽垂直，螺桿受剪力小，磁軛軸向分8段，段間設(shè)40 mm高的通風溝7個，用高強度拉緊螺桿把緊成整體。

3、轉(zhuǎn)子磁極：是產(chǎn)生發(fā)電機磁場的主要部件。由磁極鐵芯、線圈和陰尼繞組等部件組成。

4、推力軸承：采用具有良好的調(diào)節(jié)性能的多波紋彈性油箱支撐結(jié)構(gòu)。

5、下機架：下機架用來安裝推力軸承和制動器，承受機組轉(zhuǎn)動部分的全部重量和水的軸向推力。是水輪發(fā)電機的一個較為重要的結(jié)構(gòu)部件，為輻射形焊接結(jié)構(gòu)。

6、上機架：上機架用來安裝上導軸承，將發(fā)電機轉(zhuǎn)子徑向機械不平衡力和固定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻而產(chǎn)生的磁拉力，轉(zhuǎn)換為切向力作用在風洞壁基礎(chǔ)上，為多邊形焊接結(jié)構(gòu)。

二、水輪發(fā)電機組振動的類型及原因

（一）機械缺陷引起的振動

機械缺陷引起的振動，其振動頻率多為轉(zhuǎn)頻或者是多倍轉(zhuǎn)頻。軸線不直時，會迫使發(fā)電機的上導和下導（或法蘭）振動加劇。發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡會產(chǎn)生較大的離心力，一方面會加大發(fā)電機上（下）機架振動，另一方面容易擴大發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子氣隙的不均勻度，從而擴大不平衡磁拉力。

（二）電磁振動

水輪發(fā)電機電磁振動分為兩類，一類是轉(zhuǎn)頻振動，另一類是極頻振動。

1、轉(zhuǎn)頻振動。轉(zhuǎn)頻振動是指轉(zhuǎn)速頻率和整倍轉(zhuǎn)速頻率振動。引起轉(zhuǎn)頻振動的原因是轉(zhuǎn)子不圓和轉(zhuǎn)子偏心。轉(zhuǎn)子不圓和轉(zhuǎn)子偏心不僅引起轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)頻振動，還會引起發(fā)電機定子鐵芯（定子機架）的轉(zhuǎn)頻振動。

2、極頻振動。極頻振動由轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場相互作用形成。極頻振動的頻率是100Hz（理論上也可以有200Hz、300Hz……），共振時定子鐵芯的振動幅值會有所增大，但主要是出現(xiàn)比較強烈的100Hz噪聲。產(chǎn)生100Hz極頻振動的原因有：①定子分數(shù)槽次諧波磁勢，振動幅值隨負載電流增大而增大；②定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流產(chǎn)生的磁勢；③負序電流產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)磁勢；④定子不圓，機座合縫不好。

當正向旋轉(zhuǎn)磁場和反向磁場疊加，空間波個數(shù)比較少、且相應(yīng)于該振型的定子鐵芯固有頻率接近100Hz時，定子鐵芯振動最強烈。

（三）水力不平衡引起的振動

具有位能和動能的水流通過蝸殼的作用形成環(huán)流，再通過分布均勻的固定和活動導葉均勻作用于轉(zhuǎn)輪激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。由于加工和安裝誤差，使導水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時，作用于轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對稱時就產(chǎn)生一個不平衡橫向力，引起轉(zhuǎn)輪振動，在空載或低負荷運行時振動強烈。此外，剪斷銷剪斷后也造成水力不平衡引起振動。

三、發(fā)電機組振動的主要處理方法

（一）需要配置的振動測點

振動測量包括：上（下）導擺度X、Y；上（下）機架水平振動X、Y；定子機架水平振動X、Y；定子鐵芯振動A、B、C三組（每一組分別布置一只垂直振動和徑向振動傳感器）。擺度測量主要是獲取發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心的位移量，上（下）機架振動、定子機架振動、定子鐵芯振動測量是為了直接獲取發(fā)電機的振動量，并能夠通過相互之間的比較確定振動原因。

（二）需要分析的技術(shù)參數(shù)

1、發(fā)電機氣隙的均勻性。分析發(fā)電機通入勵磁電流后振動增大的幅度，由此可以間接判別發(fā)電機氣隙的均勻性，如果振動增幅較大，那么可以肯定發(fā)電機氣隙存在較大的不均勻度。

2、轉(zhuǎn)子的位移量。發(fā)電機氣隙不勻包括靜態(tài)氣隙不勻和動態(tài)氣隙不勻。靜態(tài)氣隙不勻是指發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓度理想且磁極固定良好，運行時轉(zhuǎn)子沒有松動，但轉(zhuǎn)子偏心或發(fā)電機定子變形，造成最小氣隙在空間的位置是固定的，它產(chǎn)生的后果是當發(fā)電機通入勵磁電流后，轉(zhuǎn)子的中心會在磁拉力的作用下向某一方向產(chǎn)生位移，位移的大小和方向能夠判別定子不圓度的大小和方向，或轉(zhuǎn)子偏心的大小和方向。

3、轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分。動態(tài)氣隙不勻是指發(fā)電機轉(zhuǎn)子變形或運行時磁極有松動，運行時最小氣隙的位置是旋轉(zhuǎn)的，產(chǎn)生的振動頻率是轉(zhuǎn)頻或多倍轉(zhuǎn)頻（取決于轉(zhuǎn)子的形狀），實踐證明，水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子變形和松動的問題，只要抓住振動的1X、2X……8X頻率（1X：轉(zhuǎn)頻）就能滿足分析的需要。

4、極頻振動。100Hz振動成分通過直接分析100Hz極頻振動的幅值大小以及與相關(guān)工況量之間的相互關(guān)系，可以診斷發(fā)電機是否存在與100Hz頻率對應(yīng)的電氣故障和機械故障。定子鐵芯松動、不對稱三相負荷運行、網(wǎng)機耦合引發(fā)的發(fā)電機扭振等都會形成100Hz極頻振動。

（三）總振幅與各分頻振幅的處理方法

將各測點測量的振動時域信號經(jīng)傅里葉變換，獲得頻域信號，對頻域信號中的各頻率成分進行計算處理，得到各分頻振幅和總振幅。

（四）配重處理

當水力及電磁不平衡力不是很大時，可采用在相反方位進行配重的方式來減少其部分不平衡力，尤其對二導軸承比較接近的機組，效果特別明顯。當水輪發(fā)電機組出現(xiàn)動不平衡后，可通過試驗找正不平衡方位，利用經(jīng)驗公式進行配重處理。對于轉(zhuǎn)速較高的機組，當轉(zhuǎn)子磁軛高度大于轉(zhuǎn)子直徑的三分之一時，會出現(xiàn)較大的不平衡力偶，使上、下機架水平振動較大且方向相反，此時，應(yīng)分別在轉(zhuǎn)子磁軛的兩個斷面進行配重，必要時反復校正。

（五）避免三相不平衡

根據(jù)不同原因，停機后進行仔細檢查并分別進行處理。如果在發(fā)電機運行中發(fā)現(xiàn)定子有一相電流已經(jīng)嚴重超過額定值，應(yīng)迅速調(diào)整（降低）勵磁電流。必要時可同時采用降低機組有功功率的方法，將發(fā)電機定子電流降低到額定電流以下，以確保機組安全運行。發(fā)電機出現(xiàn)非全相運行時也會產(chǎn)生振動，通過發(fā)電機出口開關(guān)使用整體的操作機構(gòu)和設(shè)置保護等措施避免因振動造成機組的損害。

（六）水力振動方面措施

針對水力振動，可采取以下措施進行調(diào)整

1、優(yōu)化轉(zhuǎn)輪上冠型線和葉片頭部葉型；

2、根據(jù)水輪機模型特性，為避開高水頭葉道渦，可選用較高的設(shè)計水頭；

3、混流式轉(zhuǎn)輪采取負傾角翼型，最優(yōu)化的上冠和泄水錐型線等；

4、應(yīng)避免在振動區(qū)域運行，即使其脈動幅值比渦帶區(qū)壓力脈動稍小，也應(yīng)限制運行。

四、結(jié)語

由上可知，水輪發(fā)電機組振動較復雜，水力因素、機械因素和電磁因素相互作用，形成了復雜的振動頻率和振動現(xiàn)象。水輪發(fā)電機的振動雖然復雜，但不是沒有規(guī)律可循，比較發(fā)電機通入勵磁電流之前與之后的振動狀態(tài)，如果有較大的變化，這就可區(qū)別是否為電磁振動，需要進一步分析是什么原因造成的。此外，應(yīng)該清楚水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)缺陷與振動頻率之間的對應(yīng)關(guān)系，它們是怎樣形成的。只有掌握了振動機理，才能有針對性地分析振動數(shù)據(jù)，迅速抓住問題的本質(zhì)，找到故障原因并有效進行處理。

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