巨型水轮发电机组振动分析

游 鹏，纪鸿铸，唐武强

(中国长江电力股份有限公司白鹤滩水力发电厂，四川 宁南 615400)

巨型水轮发电机组振动分析是现代智能化水电站精益运行管理必不可少的手段，通过分析机组振动状态及产生原因，可满足水电站振动状态监测与故障分析的实际需求。机组运行过程中出现允许范围内的振动是正常的，大轴摆度、机架振动和压力脉动均属于机组振动的形式，我们需要重点关注的是机组在运转中出现超出正常范围的异常振动。

1 巨型水轮机组振动原因分析

从机组振动产生的情况来分析，一部分是水轮机本身的固有水力特性所引起的，另一部分是由于机组突发偶然因素作用产生的。在水轮机组运行过程中，可能因为某些因素如设计、安装或参数调整不当等原因会引起机组的电磁振动。从机组结构上来分析，巨型水轮发电机组可分为两大部分：一、固定部分(上、下机架，定子，顶盖，机组三部轴承等)；二、转动部分(转子、大轴、转轮等)，机组任一部件存在机械方面的缺陷时都可能导致机组振动。一般使机组产生振动的因素来自机械、电气和水力三个方面，这三者相互作用共同产生影响。除了机组本身固定部分或转动部分引起的振动外，还需考虑机组电磁力不平衡和作用于水轮机过流部件的水流压力对机组振动的影响。巨型水轮机组的异常振动主要有以下几种情况：一是自由振动，一般是出现在机组的转动部分、叶片、定子铁心等处，反映了巨型水轮机组内部的信息。二是机组在外界干扰作用下的振动响应，有周期振动和随机振动，水轮机流道中水体共振及引起的机组强烈振动，在巨型混流式水轮发电机组中，这种不可避免因素可能是由尾水管涡带引起的压力脉动[1](指水压振动)和水力不平衡。三是机组自激振动，为了减小水轮机转动部分与固定部分之间的漏水损失，在水轮机转轮的上冠和下环，分别装设有上转动止漏环和下转动止漏环[2]；在机组顶盖和底环上分别设置与之相对应的固定止漏环。

1)机械振动。机械振动主要由巨型水轮机组转动部件质量不平衡、偏心或三部轴承间隙调整不当引起。通常所说的机组运行摆度(轴振动)是指大轴相对于机架部分的相对振动，机组运行摆度包含了各部导轴承间隙不当、轴线曲折、大轴变形。

2)电磁振动。电磁振动主要由巨型水轮机组设计电气参数不匹配或是制造、安装不当，造成发电机组运行时电磁拉力不平衡而产生的机组振动。巨型水轮机组的定子(转子)圆度不合、转子的旋转中心与几何中心不一致或者定子铁芯齿压板松动都是造成电磁拉力不平衡的原因。同时还有机组电气方面的原因，例如转子的磁极线圈匝间短路，定子和转子之间的空气间隙不均匀，产生机组磁拉力不平衡，以及发电机组在不对称(负荷)工况下运行时产生的电磁不平衡力导致机组振动。

3)水力振动。流入水轮机流道、导叶中的不均匀水场会产生旋涡，形成涡带通过转轮引起机组振动，导叶中的不均匀水流对转轮影响很大，水轮发电机组水力振动主要是由机组出力和水头波动、过流部件的水压力脉动引起的。

2 巨型水轮机组机械振动分析

巨型水轮机组轴线不正主要是轴线与推力轴承平面不垂直，导致机组运行时转子产生一个偏心力矩，随着转子的旋转产生一个离心惯性力，就会产生一个不平衡力矩，轴线不正引起机组的振动。由于机组轴承中心线的偏移引起轴线不对中，产生不平衡离心力，从而引起机组较大的振动和摆度。

发电机转子不平衡主要是由制造和安装过程中各种偏差或者机组运行时各部件磨损、松动导致，引起转子不平衡的原因可能是转子质量不平衡，机组轴线与推导联合轴承镜板不垂直，镜板和推力轴承不水平，机组三部轴承不平行[3]等。

在巨型水轮机组运行中当各部导轴承松动，三部轴承间隙调整过大会引起主轴振动大，轴瓦间隙越大机组摆度幅值就越大；与之相对，若是机组导轴承间隙调整过小，则会把机组主轴振动传递至支座和机架部分，其引起的机组振摆较为强烈。

3 巨型水轮机组水力振动分析

巨型水轮机组的水力振动是由于流道中的水流所激起的机组各部件振动[4]，水力振动的型式有很多，主要有涡带振动、尾水管低频压力脉动、转轮的叶片颤振、间隙压力脉动等。通常通过机组的补气系统、在尾水管的锥管段上部装设导流栅、对混流式水轮机转轮叶片的出水边进行修形的方法来解决机组的水力振动问题。压力脉动是在水轮机组的过流通道中，水流的压力在其平均值附近作交替性的随机变化，主要包括：常规压力脉动以及尾水管水、气联合体共振而产生的异常压力脉动，是引起巨型水轮机组异常振动的主要原因。这类水力振动往往具有较大的随机性，并且与水轮机的实时运行工况密切相关。

在机组流道内水流冲击作用下会产生小开度区和大开度区的压力脉动，混流式巨型水轮机的尾水管压力脉动作用力对机组的动态特性有着直接影响，巨型水轮机组在偏离最优工况的低负荷、高水头区运行时，尾水管内涡带会引起机组的低频水压脉动，尾水管低频水压脉动激起尾水管壁振动，会引起尾水管壁产生裂缝。通常利用巨型水轮机组大轴中心孔自然补气系统或者外加强迫补气系统，向顶盖或底环内补气来改善机组运行工况，减少涡带压力脉动。通过补气之所以能够减少涡带压力脉动的主要原理在于补气可以削弱机组压力脉动的相对幅值[5],而对水压脉动频率无大的改变,这对提升机组稳定性运行的效果有着直接的影响。

另外，还有一些其他因素的巨型水轮机组水力振动：转轮叶片进口处附近的脱流导致的机组振动；座环的固定导叶和活动导叶处水流速分布不均匀产生的压力脉动等。

4 巨型水轮机组电磁振动分析

巨型水轮机组电磁振动产生的原因主要包括：定子机座合缝不当、定子铁心叠片松动、定子绕组固定不良等等。其主要特征为振动随机组转速、运行工况变化较明显。

巨型水轮机组主要特征频率见表1，特征频率振动分析如下：

表1 巨型水轮发电机组主要特征频率表

1)机组质量不平衡。振摆频谱图以转频成分为主。

2)机组电磁拉力不平衡。振摆频谱图有明显转频50 Hz成分或100 Hz频率成分。

3)机组(上、下、水)导轴承碰磨。频谱图有宽带频率成分。

4)机组轴线不对中。频谱图有明显2倍转频成分。

5)水轮机导叶或转轮叶片故障。频谱图有明显导叶数或叶片数倍转频成分。

6)水轮机涡带。频谱图有1/2至1/6转频成分。

5 巨型水轮机组振动监测优化布置

振摆监测点的选择和布置要符合巨型水轮机组运行的四个特性，即：①水力特性；②机械特性；③电气特性；④设备结构特点。机组振动、摆度监测点布置是否合理不但会直接影响机组振摆信号采集的真实性，而且还会间接地影响振动数据分析和故障诊断的可信度，需要进一步优化配置机组振摆监测点。

针对立轴半伞式、混流式巨型水轮机组特点，机组转子上方设有上导轴承，转子下方设有推力下导联合轴承。机组上导、下导和水导轴承一起承受作用于水轮机转轮上的不平衡水推力，以及由于绕组短路所产生的不平衡力，同时保证机组转速上升至飞逸转速时大轴仍处于中心位置，通常在机组三部导轴承处(上导、下导和水导)按X、Y方向分别布置2个测点监测机组导轴承摆度。上机架是由单元体焊接而成的整体部件，能承受来自上导轴承、集电环罩和上盖板等各方面的力；顶盖主要用来承受最大水压力(包括水锤压力)、侧向推力和所有其它作用力，以及支承导水机构、导轴承、主轴密封和其它部件，并且在整个运行范围内包括最大飞逸转速下连续运转而不产生过大的振动和有害的变形。因此一般在巨型水轮机组上机架、下机架、定子机架和顶盖处，按X、Y、Z三个方向分别布置3个振摆监测点。

考虑到承重机架(下机架)将承受整个水轮发电机组所有转动部件的重量和水轮机最大水推力的组合轴向荷载，并与上机架一起承受由于水轮机转轮引起的水力不平衡力，以及由于发电机绕组短路、半数磁极短路等引起的电磁不平衡力，且不发生有害变形，可以在下机架垂直方向按X、-Y方向布置2个测点。为监视水轮机组的抬机量，需布置1到2个振动监测点。另外，针对水轮机组状态在线监测分析的需要，机组上还需配置键相传感器对所有振动监测信号进行同步。

机组实时在线状态监测包括了机组振动稳定性监测和发电机气隙监测[6]，巨型水轮机组振动稳定性监测包含各种参数, 例如：上下机架的水平和垂直振动、顶盖的水平和垂直振动、压力脉动、三部轴承摆度等，能比较全面地获取整个水轮机组振动信息, 如机组振动趋势、轴心轨迹、振动的波形等。发电机气隙监测可以获取定转子空气间隙以及磁通量。巨型水轮机组振动摆度在线状态监测结构图如图1所示。

图1 巨型水轮发电机组振动摆度在线状态监测结构图

6 巨型水轮机组运行工况分析

结合巨型水轮机组运行的特点和故障特征进行振动分析，通过运行工况分析可对机组运行振动类型及原因进行针对性的有效分析。一般机组运行时可进行下列运行工况分析(见图2)。

图2 巨型水轮发电机组运行工况分析导图

通过机组运行工况分析导图，利用机组振动、摆度和压力脉动相关参数与机组转速、有功功率、励磁电流、水头、瓦温等的相关关系，可以初步判断引起机组异常振动的主要因素，对巨型水轮机组进行状态监测分析与故障诊断。

机组三部轴承状态分析是通过三部轴承的振动摆度、各部轴承瓦温、轴承冷却系统及相关参数，可初步掌握机组三部轴承的运行状态，进一步判断还需结合相关参数的变化趋势。巨型水轮机组的机架振动状态分析是通过机架振动的波形图和频谱图，监测显示机组各结构部件的水平和垂直振动，主要是上机架、下机架、定子铁芯和顶盖的水平和垂直振动。若是机组各部垂直振动比较大，则可能是机组运行在不稳定工况区。若是顶盖水平振动突然增大，则可能是泄水锥脱落(转轮的泄水锥连接在转轮的上冠底部，作为引导水流的延伸部分，有利于大轴中心孔自然补气和减少尾水压力脉动)。

7 结 语

通过针对性地分析巨型水轮发电机组振动、摆度、压力脉动产生的主要原因，并结合机组相关运行参数(三部轴承瓦温等)的变化趋势，对机组进行实时状态监测分析及故障诊断，可以及时准确地发现机组运行时的异常振动与故障。尽量避免巨型水轮发电机组在不稳定工况区、涡带区、压力脉动区等状态下运行，可以防止机组产生危害性的振动，优化机组运行状态。