水电机组振动测试分析

张 俊

（澧县鸿基水利水电勘察设计有限公司 常德市 415500）

水力发电是将水能转化成机械能，进而转化为电能的复杂过程，它涉及到水力、机械、电气三方面内容。因此，水力发电机组的振动产生的原因也可以相应地分为水力因素、机械因素和电磁因素。水力发电机组的异常振动不仅影响到水电站的经济安全运行，也是机组故障诊断的研究热点，是水电站急需解决的关键性问题之一。

振动信号是机组工作状态等信息的载体，对振动信号的分析，是故障诊断领域中广泛采用的一个方法。本文针对某水电站2 号机组的异常振动，通过测试不同水头、不同负荷下机架振动和大轴的摆动情况，分析比较其频谱特性，进而确定诱发该水力发电机组振动的具体原因，为实际生产提供可行的建议。

1 试验情况

1.1 测点布置

某电站水轮机型号为：ZZ440-LH-850； 设计水头22 m，额定转速76.9 r/min。其中，2 号机组相对与其他机组，在相同条件下运行时出现了振动异常现象。为了全面了解该机组在不同水头下的最佳运行区域，分析机组在不同水头和负荷下的振动情况，确定其振动原因，其测点布置如图1 所示，在顶盖、推力机架和定子机座处各布置一个径向振动测试点和一个垂直振动测试点，在蜗壳进口处和尾水管处各布置一个压力测试点；同时为了测量大轴摆度，在水轮机导轴承处、发电机导轴承以及滑环处X、Y 方向各布置一个测点。

图1 试验测点布置图

1.2 测试条件

对2 号机组进行6 个水头的稳定性试验（表1），其负荷变化范围：0 MW，10 MW、20 MW、30 MW、40MW、50 MW、60 MW、70 MW、80 MW、90 MW、100 MW。

表1 2#机组试验水头

2 试验结果分析

2.1 振动、摆度和尾水水压脉动随负荷变化情况（图2）

从4 张摆度幅值随负荷变化趋势图可以看到一个共同的特点，水导摆度在（10～20）MW 区间有一个峰值，随后下降，大约在30 MW 时其幅值最小。在30 MW以后，水导摆度值随负荷上升一直到满负荷。水导摆度峰值从最小时的200 μm 上升到满负荷时的450 μm。其它测量部位的摆度幅值仅略有上升。

图2 水导摆度随负荷变化

图3 显示顶盖垂直方向和推力机架垂直方向在20 MW 一个峰值，随后下降，大约在30 MW 时其幅值最小。在40 MW 以后，各部位的振动幅值基本不随负荷的变化而改变。

图3 顶盖和推力机架振动随负荷变化

图4 为水压脉动随负荷的变化趋势。从图中可以看到水压脉动的特点为：在设计水头附近，除低负荷外（30 MW 以下），压力脉动的幅值较小，但变化的趋势是随负荷的增加而上升；在高水头下，尾水锥管的水压脉动幅值较大，相对压力脉动值在30 MW～额定负荷区间达到15%，随负荷增加的趋势不明显。

2.2 频谱分析

图5 显示了在试验水头22.0 m 和27.2 m 下，负荷10 MW 和20 MW 时水导摆度的频谱分析，从图中可以看到引起机组水导摆度增加的激振力的频谱约为0.6 Hz，机组的转频为1.28 Hz，即激振频率为转频的1/2 左右。

图6 显示在试验水头22.0 m 和27.2 m 下，负荷100 MW 时机组水导摆度的主频为1.28 Hz，即机组转频。而且转频绝对占优，次频为二倍转频。

2.3 水头变化对机组振动、摆度的影响（图7、图8）

水导摆度幅值没有明显的随水头上升而上升的趋势； 顶盖径向振动随水头的上升反而有所下降；顶盖径向振动幅值没有随水头增加而加大的趋势。推力机架径向振动幅值也没有随水头增加而增加的趋势。

随着水头的上升，振动区与向大负荷方向移动。在毛水头约为22 m 时，最大振动值发生在10 MW左右，在毛水头在25 m 和27 m 左右时，最大振动值发生在20 MW 左右。

3 结 论

机组振动随负荷变化曲线的特征说明，机组振动、摆度幅值随负荷增加而增加，即机组振动、摆度幅值随流量增大而增加。这个特征是明显的水力不平衡特征。

图4 水压脉动随负荷变化

图5 水导频谱分析

由频谱分析可见，推力机架径向振动的主要频率为机组基频，而顶盖频率主要集中在7.7 Hz 附近，7.7 Hz 正好是叶片数与基频的乘积。在尾水管中也含有7.7 Hz 的脉动频率，并且随着负荷增大，7.7 Hz 频率的振动分量也明显增加。这说明机组的激振力主要来源于水力不平衡。2010年大修中，在对轮叶开口的测量发现： 轮叶6#-1#、1#-2#、2#-3#的开口比轮叶3#-4#、4#-5#、5#-6#开口要大，这也恰好说明了水力不平衡的存在。因此，采用频谱分析法，通过抽取振动信号的特征量来进行故障分析，是一种较可靠的方法。

图6 100MW 时的频谱分析

图7 不同水头下顶盖振动幅值

图8 不同水头下各测点摆度幅值

[1] 刘大恺.水轮机[M].北京：中国水力电力出版社，1997.

[2] 翟建平.红岩水电站机组异常振动的处理[J].中国农村水利水电，2011，（12）.

[3] 薛延刚，罗兴琦，王瀚. 基于小波预处理的HHT 方法在水轮机振动诊断中的应用[J].大电机技术，2010，（4）.