巨型水輪發電機組振動分析

游 鵬，紀鴻鑄，唐武強

(中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發電廠，四川 寧南 615400)

巨型水輪發電機組振動分析是現代智能化水電站精益運行管理必不可少的手段，通過分析機組振動狀態及產生原因，可滿足水電站振動狀態監測與故障分析的實際需求。機組運行過程中出現允許范圍內的振動是正常的，大軸擺度、機架振動和壓力脈動均屬于機組振動的形式，我們需要重點關注的是機組在運轉中出現超出正常范圍的異常振動。

1 巨型水輪機組振動原因分析

從機組振動產生的情況來分析，一部分是水輪機本身的固有水力特性所引起的，另一部分是由于機組突發偶然因素作用產生的。在水輪機組運行過程中，可能因為某些因素如設計、安裝或參數調整不當等原因會引起機組的電磁振動。從機組結構上來分析，巨型水輪發電機組可分為兩大部分：一、固定部分(上、下機架，定子，頂蓋，機組三部軸承等)；二、轉動部分(轉子、大軸、轉輪等)，機組任一部件存在機械方面的缺陷時都可能導致機組振動。一般使機組產生振動的因素來自機械、電氣和水力三個方面，這三者相互作用共同產生影響。除了機組本身固定部分或轉動部分引起的振動外，還需考慮機組電磁力不平衡和作用于水輪機過流部件的水流壓力對機組振動的影響。巨型水輪機組的異常振動主要有以下幾種情況：一是自由振動，一般是出現在機組的轉動部分、葉片、定子鐵心等處，反映了巨型水輪機組內部的信息。二是機組在外界干擾作用下的振動響應，有周期振動和隨機振動，水輪機流道中水體共振及引起的機組強烈振動，在巨型混流式水輪發電機組中，這種不可避免因素可能是由尾水管渦帶引起的壓力脈動[1](指水壓振動)和水力不平衡。三是機組自激振動，為了減小水輪機轉動部分與固定部分之間的漏水損失，在水輪機轉輪的上冠和下環，分別裝設有上轉動止漏環和下轉動止漏環[2]；在機組頂蓋和底環上分別設置與之相對應的固定止漏環。

1)機械振動。機械振動主要由巨型水輪機組轉動部件質量不平衡、偏心或三部軸承間隙調整不當引起。通常所說的機組運行擺度(軸振動)是指大軸相對于機架部分的相對振動，機組運行擺度包含了各部導軸承間隙不當、軸線曲折、大軸變形。

2)電磁振動。電磁振動主要由巨型水輪機組設計電氣參數不匹配或是制造、安裝不當，造成發電機組運行時電磁拉力不平衡而產生的機組振動。巨型水輪機組的定子(轉子)圓度不合、轉子的旋轉中心與幾何中心不一致或者定子鐵芯齒壓板松動都是造成電磁拉力不平衡的原因。同時還有機組電氣方面的原因，例如轉子的磁極線圈匝間短路，定子和轉子之間的空氣間隙不均勻，產生機組磁拉力不平衡，以及發電機組在不對稱(負荷)工況下運行時產生的電磁不平衡力導致機組振動。

3)水力振動。流入水輪機流道、導葉中的不均勻水場會產生旋渦，形成渦帶通過轉輪引起機組振動，導葉中的不均勻水流對轉輪影響很大，水輪發電機組水力振動主要是由機組出力和水頭波動、過流部件的水壓力脈動引起的。

2 巨型水輪機組機械振動分析

巨型水輪機組軸線不正主要是軸線與推力軸承平面不垂直，導致機組運行時轉子產生一個偏心力矩，隨著轉子的旋轉產生一個離心慣性力，就會產生一個不平衡力矩，軸線不正引起機組的振動。由于機組軸承中心線的偏移引起軸線不對中，產生不平衡離心力，從而引起機組較大的振動和擺度。

發電機轉子不平衡主要是由制造和安裝過程中各種偏差或者機組運行時各部件磨損、松動導致，引起轉子不平衡的原因可能是轉子質量不平衡，機組軸線與推導聯合軸承鏡板不垂直，鏡板和推力軸承不水平，機組三部軸承不平行[3]等。

在巨型水輪機組運行中當各部導軸承松動，三部軸承間隙調整過大會引起主軸振動大，軸瓦間隙越大機組擺度幅值就越大；與之相對，若是機組導軸承間隙調整過小，則會把機組主軸振動傳遞至支座和機架部分，其引起的機組振擺較為強烈。

3 巨型水輪機組水力振動分析

巨型水輪機組的水力振動是由于流道中的水流所激起的機組各部件振動[4]，水力振動的型式有很多，主要有渦帶振動、尾水管低頻壓力脈動、轉輪的葉片顫振、間隙壓力脈動等。通常通過機組的補氣系統、在尾水管的錐管段上部裝設導流柵、對混流式水輪機轉輪葉片的出水邊進行修形的方法來解決機組的水力振動問題。壓力脈動是在水輪機組的過流通道中，水流的壓力在其平均值附近作交替性的隨機變化，主要包括：常規壓力脈動以及尾水管水、氣聯合體共振而產生的異常壓力脈動，是引起巨型水輪機組異常振動的主要原因。這類水力振動往往具有較大的隨機性，并且與水輪機的實時運行工況密切相關。

在機組流道內水流沖擊作用下會產生小開度區和大開度區的壓力脈動，混流式巨型水輪機的尾水管壓力脈動作用力對機組的動態特性有著直接影響，巨型水輪機組在偏離最優工況的低負荷、高水頭區運行時，尾水管內渦帶會引起機組的低頻水壓脈動，尾水管低頻水壓脈動激起尾水管壁振動，會引起尾水管壁產生裂縫。通常利用巨型水輪機組大軸中心孔自然補氣系統或者外加強迫補氣系統，向頂蓋或底環內補氣來改善機組運行工況，減少渦帶壓力脈動。通過補氣之所以能夠減少渦帶壓力脈動的主要原理在于補氣可以削弱機組壓力脈動的相對幅值[5],而對水壓脈動頻率無大的改變,這對提升機組穩定性運行的效果有著直接的影響。

另外，還有一些其他因素的巨型水輪機組水力振動：轉輪葉片進口處附近的脫流導致的機組振動；座環的固定導葉和活動導葉處水流速分布不均勻產生的壓力脈動等。

4 巨型水輪機組電磁振動分析

巨型水輪機組電磁振動產生的原因主要包括：定子機座合縫不當、定子鐵心疊片松動、定子繞組固定不良等等。其主要特征為振動隨機組轉速、運行工況變化較明顯。

巨型水輪機組主要特征頻率見表1，特征頻率振動分析如下：

表1 巨型水輪發電機組主要特征頻率表

1)機組質量不平衡。振擺頻譜圖以轉頻成分為主。

2)機組電磁拉力不平衡。振擺頻譜圖有明顯轉頻50 Hz成分或100 Hz頻率成分。

3)機組(上、下、水)導軸承碰磨。頻譜圖有寬帶頻率成分。

4)機組軸線不對中。頻譜圖有明顯2倍轉頻成分。

5)水輪機導葉或轉輪葉片故障。頻譜圖有明顯導葉數或葉片數倍轉頻成分。

6)水輪機渦帶。頻譜圖有1/2至1/6轉頻成分。

5 巨型水輪機組振動監測優化布置

振擺監測點的選擇和布置要符合巨型水輪機組運行的四個特性，即：①水力特性；②機械特性；③電氣特性；④設備結構特點。機組振動、擺度監測點布置是否合理不但會直接影響機組振擺信號采集的真實性，而且還會間接地影響振動數據分析和故障診斷的可信度，需要進一步優化配置機組振擺監測點。

針對立軸半傘式、混流式巨型水輪機組特點，機組轉子上方設有上導軸承，轉子下方設有推力下導聯合軸承。機組上導、下導和水導軸承一起承受作用于水輪機轉輪上的不平衡水推力，以及由于繞組短路所產生的不平衡力，同時保證機組轉速上升至飛逸轉速時大軸仍處于中心位置，通常在機組三部導軸承處(上導、下導和水導)按X、Y方向分別布置2個測點監測機組導軸承擺度。上機架是由單元體焊接而成的整體部件，能承受來自上導軸承、集電環罩和上蓋板等各方面的力；頂蓋主要用來承受最大水壓力(包括水錘壓力)、側向推力和所有其它作用力，以及支承導水機構、導軸承、主軸密封和其它部件，并且在整個運行范圍內包括最大飛逸轉速下連續運轉而不產生過大的振動和有害的變形。因此一般在巨型水輪機組上機架、下機架、定子機架和頂蓋處，按X、Y、Z三個方向分別布置3個振擺監測點。

考慮到承重機架(下機架)將承受整個水輪發電機組所有轉動部件的重量和水輪機最大水推力的組合軸向荷載，并與上機架一起承受由于水輪機轉輪引起的水力不平衡力，以及由于發電機繞組短路、半數磁極短路等引起的電磁不平衡力，且不發生有害變形，可以在下機架垂直方向按X、-Y方向布置2個測點。為監視水輪機組的抬機量，需布置1到2個振動監測點。另外，針對水輪機組狀態在線監測分析的需要，機組上還需配置鍵相傳感器對所有振動監測信號進行同步。

機組實時在線狀態監測包括了機組振動穩定性監測和發電機氣隙監測[6]，巨型水輪機組振動穩定性監測包含各種參數, 例如：上下機架的水平和垂直振動、頂蓋的水平和垂直振動、壓力脈動、三部軸承擺度等，能比較全面地獲取整個水輪機組振動信息, 如機組振動趨勢、軸心軌跡、振動的波形等。發電機氣隙監測可以獲取定轉子空氣間隙以及磁通量。巨型水輪機組振動擺度在線狀態監測結構圖如圖1所示。

圖1 巨型水輪發電機組振動擺度在線狀態監測結構圖

6 巨型水輪機組運行工況分析

結合巨型水輪機組運行的特點和故障特征進行振動分析，通過運行工況分析可對機組運行振動類型及原因進行針對性的有效分析。一般機組運行時可進行下列運行工況分析(見圖2)。

圖2 巨型水輪發電機組運行工況分析導圖

通過機組運行工況分析導圖，利用機組振動、擺度和壓力脈動相關參數與機組轉速、有功功率、勵磁電流、水頭、瓦溫等的相關關系，可以初步判斷引起機組異常振動的主要因素，對巨型水輪機組進行狀態監測分析與故障診斷。

機組三部軸承狀態分析是通過三部軸承的振動擺度、各部軸承瓦溫、軸承冷卻系統及相關參數，可初步掌握機組三部軸承的運行狀態，進一步判斷還需結合相關參數的變化趨勢。巨型水輪機組的機架振動狀態分析是通過機架振動的波形圖和頻譜圖，監測顯示機組各結構部件的水平和垂直振動，主要是上機架、下機架、定子鐵芯和頂蓋的水平和垂直振動。若是機組各部垂直振動比較大，則可能是機組運行在不穩定工況區。若是頂蓋水平振動突然增大，則可能是泄水錐脫落(轉輪的泄水錐連接在轉輪的上冠底部，作為引導水流的延伸部分，有利于大軸中心孔自然補氣和減少尾水壓力脈動)。

7 結 語

通過針對性地分析巨型水輪發電機組振動、擺度、壓力脈動產生的主要原因，并結合機組相關運行參數(三部軸承瓦溫等)的變化趨勢，對機組進行實時狀態監測分析及故障診斷，可以及時準確地發現機組運行時的異常振動與故障。盡量避免巨型水輪發電機組在不穩定工況區、渦帶區、壓力脈動區等狀態下運行，可以防止機組產生危害性的振動，優化機組運行狀態。