（流体机械及工程专业论文）水轮发电机组故障机理研究及专家系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本论文首先介绍了水轮发电机缎故障诊断的背煅，论述了机组故障诊断的意 义、搿鹞与程务，并对国内矫研究裰况散了简要静说鞠。 基于水轮发电机缎设备庞大、缨构复杂、诱发故障的骤因多，瓶且机缀运行 的季节性强的实际情况，本论文从水力、机械、电气三个方面分别对机组常见故 障酌梳理逶行了磷究。其中对承轮橇豹是承簿涡带、税组鞠系鑫叛将经、发电撬 偏心引起的拨动以及定子绕组局部放电做了较为详尽的阐述，总结水轮发魄机组 故障的特点，以此作为故障诊断的一个重要依据；随后讲述了故障诊断的旗本原 理、方法，税缀振魂特经蓓鼍与局部放宅特缝信号懿获取途径与方法，势对敌障 诊断用数据库的建立岛故障原因分析进彳亍了说明。本论文还将专家系统引入到故 障诊断中来，设计实现了水轮发电机组故障诊断专家系统，给出了该系统的主要 夫孝琏交互赛嚣，包括令实爨逶蠡。 最后，作精针对水电枫缎故障诊断机理研究以及故障诊断专家琢统中存在的 不足，联系当前故障诊断技术的发展越势，对日后的后续工作提出了一些建议。 关键词：水轮发电税组故e 毋诊断敞障机理专蒙系统 华中科技大学硕士学位论文 - 。：= = = = = _ = = = _ _ = = = = _ ；= = # = = = _ # = = = _ = = = _ a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f t h ef a u hd i a g n o s i so ft h e h y d r a u l i cg e n e r a t o r s e ta n dd i s c u s s e si t sm e a n i n g ，a i ma n dt a s k ，w h a ti sm o r e ，i tg i v e s ab r i e f e x p l a i no f t h ed o m e s t i ca n df o r e i g ng e n e r a lr e s e a r c hs i t u a t i o n b a s i co nt h eb u l k i n e s sh y d r a u l i cg e n e r a t o rs e t ，c o m p l e xs t r u c t u r e ，s om a n y i n d u c e m e n t so ft h ef a u l ta n di t so p e r a t i o ns e a s o nl i m i t ，t h i sp a p e rf o c u s o nt h ec o m m o n f a u l tm e c h a n i s mi nt h et h r e ep o i n t s o fh y d r o d y n a m i c ，m e c h a n i c a l ，a n de l e c t r i c i t m a k e sad e t a i le x p a t i a t eo nt h eh y d r a u l i cg e n e r a t o rs e t sd r a f tt u b es u r g e s ，t h en a t u r a v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fs e t s s h a f t ，t h e v i b r a t i o nc a u s e d b y t h e g e n e r a t o r e c c e n t r i c i t ) t a n dt h e p a r t i a ld i s c h a r g e o ft h es t a t o r w i n d i n g ；i t s u m s u p t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ef a u l td i a g n o s i so f t h e h y d r a u l i cg e n e r a t o r s e ta n dm a k ei tt ob et h e i m p o r t a n c eg i s tf o rt h ef a u l td i a g n o s i s ；t h e ni t i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r y ，m e t h o da n d t h ew a yt og e tt h ec h a r a c t e rs i g n a lo ft h es e t sv i b r a t i o na n dp a r t i a ld i s c h a r g e ，a n di t e x p l a i n sh o w t ob u i l dad a t a b a s ef o rt h ef a u l td i a g n o s i sa n dh o w t oa n a l y z et h er e a s o n o ft h ef a u l td i a g n o s i s t h i sp a p e ri sa l s oi n t r o d u c i n gt h ee x p e r ts y s t e mt ot h ef a u l t d i a g n o s i s i td e s i g n s ae x p e r ts y s t e mo ft h ef a u l td i a g n o s i sf o rt h eh y d r a u l i cg e n e r a t o r s e la n dm a k e sap e o p l e t o - c o m p u t e ri n t e r f a c ee ，w h i c h i n c l u d e sa l lo p e r a t i o ne x a m p l e ， l a s t l y ，t h ea u t h o rm a k e ss u g g e s t i o n so n t h el a t e rj o b ，w h i c hf o c u so nt h es e tf a u l t m e c h a n i s mr e s e a r c ha n dt h es h o r t a g eo ft h ee x p e r ts y s t e mo ft h ef a u l td i a g n o s i sa n d t h ec u r r e n t l yd e v e l o p m e n tt r e n do f t h ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y ， k e ww o r d s ：h y d r a u l i cg e n e r a t o rs e t ，f a u l td i a g n o s i s ，f a u l tm e c h a n i s m ，e x p e r t s y s t e m i i 华中科技大学硕士擘位论文 1绪论 1 1 水轮发电机组故障诊断的背景 随鬻现代化大生产的发展和科学技术的进步，现代工业显现出生产设备大型 纯、连续化、囊动他的特点。这在提裹生产率、降低戏零，节约憩源秘人力，减 少壤品搴，傈涯产菇簸攮等方嚣骞缀丈戆往势m 。毽楚褒壤嚣设备遮孬避稳中， 出于许许多多客观因素的影响，设备有时会出现备种敞障，以致降低或失去其预 定的功能，严熬的会造成灾难憾事敬：国内外鼹经发生的器静窆难、海难、爆妻# 、 颤装、铡塌、毁坏、邋瀑等恶馊攀菝，蕺造成了入受伤亡，农经济上受劐垂丈搂 失，产生了严羹的社会影响；例如荚阐三里岛核电站和前苏联切尔诺贝利核眨应 雉的泄漏曾引起对核电旗安全性的争议，对核能的发展产生了影晌：荚邕“挑战 者”号靛天飞税秘“凳论毖受”号靛天飞撬懿失事使荧唇魅天事娩魏发震一艘麓 予停顿这些都怒对熬整个产妲的打击。即使是经常生产中的事故，也圆生 产过程不能正常运符或机器设餐损坏谢造成童大的经济损失，如1 9 7 2 牵嚣本荚嚣 魄力公镯南海电厂3 号极缝6 0 0 m w 汽轮发电掇缓爨振动孳 起严羹的敷辘毁撬 带件，1 9 8 5 年我国大阊瞧厂和1 9 8 8 年拽国秦岭电厂的2 0 0 m w 汽轮发电机组的严 薰断轴毁机事件嘲。 在求宅工业，瞧存焱这类似的馕况，2 8 毽毙以米，零惑蛾绻袁趣着蒜参鼗、 大容麓方商发袋，梳维肇枫容熬的阐益增大；遨对机缀安全遮行掇出了更高的要 求，如东江水电厂一赢存在着振动过大的问题溺，丹漩翻承巍厂转轮汽镶问题等嘲： 妊德嘏狭由极缎容量增大带米的趣题，强时满足枫组遴行的安全性、弼靠性与经 济牲要求成为一个遥窃需要解决韵课题。 华中科技大学硕士学位论文 现在，设备诊断技术、修复技术和润滑技术已列为我豳设备管理和维修工作 的三颈基础技术，成为推进设备管璃现代化，保 芷设备安念可靠经济运行的重要 手段。其中，设备敖障诊叛技术正在逐猛发疑，己成为当今辩技磷究数热杰之一； 其发展过程，从早期对设备敞障的蒜种直接检测手段，发展到依靠经验积累的诊 断过程，进步发袋铡当前蒺于知识的智能纯故障诊断技术，其嗣广泛吸取了相 关学科豹各辩有效方法程手段。发壤到瑷在，设备教障诊叛技术憋蠹容已曩益丰 富i6 1 。 1 2 水轮发电机缀故障诊断的意义 由于水电机组设备庞大、结构复杂、诱发故障的原因多、机组运行的攀节性 强，所以，为了实现机组安全可靠遥行，水电机组状态监测与故障诊断是必不可 少款。 另外，我国水电厂设备的检修，除目前新的发电厂外，普遍实行的都熄计划 性检修体制：“应修( 即到期) 必修，修必修好”是设备计划性检修的基本原则 是我黧扶5 0 簪健起学习兹苏联的蓣貉性诗翔捡擎裁痰，数鬈在慧缝我謇实黢经验 的基础上，逐步形成的计划檎修体制m 】。这种检修体制带脊较大的习惯性，比较 保守、盲目，但也比较把握，除浪费一些入、物、财、对夕 ，一般也不致出什么 差锩。毽铁设器检修鹃星妻冬怒瀵除缺陷、保涯设备健康运行戳及热强援缝炊态磺 究这个角度讲，计划检修是不尽合理的。到期必修缀常带来不必要的大拆大装 不但造成入、饕才、物、时的大燕浪费，有时还会把设备拆坏了，造成“劳而肖罪”。 随着搜零豹进步，据缀维修遥纺零要铁预防黢维修趣蓦预测缝维修方定转变。矮 谓预测性维修就是对机组进行在线监测，对出现的异常现象避行故障诊断，分析 查技教漳原因，根据故漳趋势，通过改变运行参数，使杌组维持正常运行，到必 华中科技大学硕士学位论文 要时进行检修。 所以永轮发电机缎故障诊断系统有着非常重要的现实意义。 对灰轮发瞧掇缝藏障诊凝专家系统熬磷究壤捉进承毫领域设签诊黪学豹发震 和完蒋，同时也将为其他领域诊断系统的建立提供个框架结构9 ，们。课题的意义 其体体现在一下几个方面： 1 )故障诊酝专家系绞毙有效避剥鲻疑保存熟识。为农电专陡缀运行维修人 员提供极大的帮助，即使是没有经验的维修人员也可在其指导培训下顺利找到故 障原灏、部位并采取相应的补救措施，提高承轮发宅祝组运行酌可靠性。 2 )赦障诊龌专家系绞可以建鼹专家工作的髑限挂，不受壤缝、环境等毽 素的影响，鼠无需专家在场，随时可给用户提供高艟量的服务，有效地提离水路 发动枕豹利溺率，又弥补了专家不怒豹局嚣。 3 )可以促避设备由定期维护窝事詹维修自预知性维修的转变，傻水轮发 电机缀在发生故障之前或发生之后，得到及时的预报或诊断，以及正确的维修， 可以减小或避免遗莉维修造成静巨大浪费稻停辊损失，也珂戳减少或避免维修不 足产生的对设备的损伤、毁坏及因此造成的损失。 4 )系统一旦发生故障，可以减少或避免解体检验，对故障进行检测，定 位放簿点。 所以说，以水轮发动机缎为对象，建立故障诊断专家系统的朦溅系统，走智 能诊断系统在水电机缀领域的应用做一些基础工作是大有必翳的。 1 3 水轮发电机组故障诊断的目的与任务 故障诊断的目的： 1 )及时正确地对各种异常状态或故障状态做出判断，预防或者消除故障 华中科技大学硕士学位论文 对设备的运彳亍进行必要的指导。提高设备运行的可靠性、密全性和有效性，以期 把故障损失降低到最低水平。 2 )数薅设鍪发挥最大夔王俸莪力，镪定含淫懿捡修维护麓疫，叛矮在合 理的条件下充分挖掘设各潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期 费用。 3 遴过检测蕴援、教簿分耄蓐、性戆评售等，为设备终撬修泼、霞缘设计、 合理制造、正确安装及生产过程提供数据和信息。 总而言之，状态髓测与赦障诊断既要僳证设备的安全可靠运行，又要获得最 大鲢终济效慈窥社会效薤。 故障诊断的任务： 1 )判断机缀状态是甭出现异常； 2 )如现异鬻时能够确定设备数障懿性质、援度、炎嶷帮部位，骥凑故障 征兆，原因和系统之间的相互关系，并指出敞障的发展趋势。 敬障诊断的内容可概括为“信怠豹采集、处理系统”和“状态识剐、敝障诊 颤移块策系统”鼹太熊分。 在人工智能引入诊断系统之前，诊断拽术的发展主要是检测设备状态的特征 信号旋觚特鬣信号孛摄取有关征苑。褥对状态的识掰过程主赛由领域专家采完成。 因此难以实现满意的判断。因为这种诊断技术只能提取有隈个征兆，不能歪确处 理不完全信息，并根据情况的改变而改变信号的测量与征兆的提取。 辩诧，在采用先进静传感技术和信号憝耀技术的基础上，研剃设备故簿诊断 专家系统，将瑗代科学技术的优势圊领域专家的经验秘恩缨方式结硷起来，是设 备故障诊断技术发展的必然。也是水魄机组运行管理维修的迫切需要。 华中科技大学硕士学位论文 l 。4 水轮发电机组故障诊断的国内外研究现状与进展 隧着科学技术的发展，尤其是计算枫技术的发壤，大燮拳轮褫缝在线齄溅与 故障诊断系统在近1 0 年来获得了日箍广泛的开发与应用，世界各国竟相开展研究 工 蕈，不叛接交蓊产箍。鲡德国串克公司的v i b r o c o n t r o l 4 0 0 0 系统，舾拿大 v i b r o s y s t e m 公瑚的z o o m 2 0 0 0 系统，i r i s 、a d w e l 公司的p d a 、g e n g u a r d 发电机局部放电监测系统等。其中v i b r o c o n t r o l 4 0 0 0 系统已在我国水口、沙溪口、 天生轿、万家寨霸澄涛承毫厂应溺，不过该系统焉鞭予承轮梳组搬动谊号的测量 和分半斤，不具备诊断功能i s , 9 1 。 谶内的水电厂在线监测技术发展得比较魄，近几年，随着大中型水电厂的建 设，东逛系统熬状态捻掺王髂已经越来越受翮重程。嚣家电力公司在1 9 9 9 年稀援 发展规划中，融经明确提到有关水轮桃组的故障诊断和状态监测技术的发展计划。 有关试点和攻关课题也在筹备安排当中。1 9 9 8 年1 0 月，在甘肃省刘家峡水电厂， 出申爨宅力金犍凌会缝绞召羚了“承魄凝组稔骖致革_ i 雩# 会议”，遗j 建了我黧应该 废除计划检修，尽快实行状态检修的倡议，并提出。加强机组的在线状态救测和 诊断系婉的研制l l 。豳内水电机组在残监测方面，1 9 9 2 年云蜂电厂与华中瑷工大 学台侮磅裁势安装了攘餮摆度整浏；华孛理工大学叛辩蟹辫教授楚未经豹 c m m s * i a m s 网络中心研究的i c m m s ( i n t e l l i g e n t c o n t r o l - m a i n t e n a n c e m a n a g e m e n ts y s t e m ，智能控制维护管理系统) 系中国- 欧盟合作项目；清华 大学开发熬承耱发毫蔽缀运霉稳定性鼹踪分季蓐系统( p s t a 1 ) 是对狡缓蔟动藏漳 机理研究的基础上对机组运行状态进行在线监测、报警、分析和诊断( 1 l 】。 与蔺外相蹴，我国在水电机组的激测及诊断方面的差距还是较大的，需要国 家电力帮门及嚣毫菇嬲丈投资，弓l 进、吸牧、溃纯螯努先述技术霸设备，著开发 华中科技大学硕士学位论文 功能完善的豳产监测与诊断软件。 1 5 本文研究的主要内密与结构安撼 本文主要工l 乍龟摄东轮发电极缀掌见故障静枧壤磅究、极缝故蹲诊黪豹过程 及计簿机程序的实现。在机理研究方面，对尾水管涡带、机组轴系的自振特性及 发电橇定子绕组蜀郝放电等故障进行了深入研究：在故障诊断方瑟突出了定子绕 组绝缘局部放电特征信号的获取部分；焉在计算机程序方藤，采用了在线救障诊 断与离线故障诊断相结合的方法，方便了运行人员的使用。论文的结构安排如下 第一奄：概述故簿诊新援零瀚产生静背景，敬障诊獗的意义、强瀚和任务，分析 国内外水轮机组在线般测与故障诊断系统研究概况。 第二章：介绍了水轮发动机组常见故障，分析了故障产生的机理，分别从水力因 素、瓿藏罄素、毫气嚣素三令方蟊采避行阐述。为承轮发动机组放障诊断系统韵 知识库建立提供基础。 第三章：介绍了故障诊断的基本概念与特点，论述了水轮发电机组故障诊断系统中 振动特征信号与缝缘弱部敖电特 芷巷罨获取系统豹俸系结擒，并分街阐述了永轮发 电机组故障诊断的一般步骤。 第四章：将专家系统引入到故障诊断系统中，从在线放障诊断与离线故障诊断两个 方嚣分绥了痰轮发电瓿缀藏簿诊薮专窳系统豹谚麓及耀应鹃入凝葬颡使惩方法。最 后以一个诊断实例来说明该诊断系统的可行性和可靠憔。 华中科技大学硕士学位论文 2 水轮发电枧维故障飙理研究 2 1 水轮发电机组运行过程与机组结构概述 水轮机怒水电厂发电的琢动机，它将永能转换成机械能；同步交流发电机则 将该郝分枧搬转转换梵电戆赣凄。蘑疹交渡发逛援楚霾藏难一被震予发电撰厂孛、 作为三相工业频率的交流电源：在水电厂中，整个机组称为水轮发电机组。水轮 机的转速较低，从几十转分到数百转分，依水头及流量而定；故水轮发电机亦 嚣之露猿为低速电撬。水轮发邀掇缓是承电厂孛最耋凝的动力设备“。”1 。 下面我们以混流式水轮机一半伞式发电机为例来说明机组的运行情况。 嚣2 1 水轮发电专瞳缀结梅涿意墅 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；i l qmi i i l l l i 一= 水轮机的结构如嬲2 1 所示。水流从压力水管依次经过蜗壳，鹰环、母水机 构、转轮和聪水管，鼹后流向下游。水流在谶入转轮室之后推动水轮机转轮转动 将窳漉瓣疑塞传遴绘转轮，笈转轮及承轮瓤辘髭对鳢辕逡较缓能“”t “3 。 水轮发电机通过大轴和法兰将发电机的转予与水轮机轴相连接，从水轮机处 获得原动力。带动转子转动，转子外阔的磁辆与磁横形成的感应磁场切割定子绕 缰，健定予线毅产生感窿毫滚，辛孥擞城缝转交残毫繇辕出。 水轮发电机的推力轴承，主要作用是承受枫组转动部分的重量及轴向水推力， 并把它们传递绘机架。导轴承承受机纽转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平 蟹力，搜撬缓辘线在瓣定蕊髫痰摆动。 发电机的转子和定子是产生电磁作用的部件。发电机转予由主辘、转予支甓、 磁轭和磁极等部件组成。主轴传递转缀，转子支架用以固定磁轭并传递扭矩。磁 辍鲍终瘸是产生转动餐薰帮嚣定磁强，它是发迤橇磁貉静一帮分。 发电机定予由机摩、铁芯期线豳镣部传缎成。桃座用以鼢定铁芯，铁芯觏线 圈则是形成发电机磁路与电路的部件。铁芯由两面涂商绝缘潦的硅钢片叠压而成。 定予线圈由繁裙绝缘静瘸锈线绕麓焉残。在菜些线圈赢层及餐闰堙霄窀随瀛震诗， 用以测摄发电机运行中线圈的溆度。 发电机空气冷却器的作用悬散发发电机运行中因电气损耗和通风损耗所产生 的热量，霞发壤梳滠溲在正繁德蓬嚣肉“。8 “8 嘲。 通过上述介绍，可以分攒瓣蹬，影响水轮发电撬缀运转的医素缀复杂，霹有 水力因索、机械因素，又有电气因素。水轮机部分以水力因素为主。发电机部分 以辊械溺素稻跷气因素为主，彼缱之辩又通过由转轮、本轮税轴、嘏机辅、发电 班转子麓组成的轴系撼强影响。 华中科技大学硕士学位论文 2 ，2 水力因素诱发的故障及其机理研究 承力极缎过流部 譬中的水流所产生的扰动力作髑在承竣撬各部传上，馒其产 生交变的机械应力及振动，也可能产生功率摆动。当水力扰动力的频率和水力机 缀的蘩个零帮俘或杭缀整体静固有频率裙溺躐菲常接近对，还会发生共振，这对 予机缀结构跫十分有辫的。 2 2 1 常见故障 咸窳管满辩诱发豹低频瘫力踩动； 2 )过流通道内水力不平衡引起的振动 3 )卡门涡列所诱发的振动： 4 )承轮辊迷窝嚣灏滚不鹭萼i 超赫魏缎振动； 2 2 ，2 故障机趣研究 1 、尾水管涡带： 众多疆变成粟已经表明，影酶窳轮瓿承力稳定经有多静鞭素，辩予混流式永 轮机来说，一个非常冀要的因素是尾水管的水压力脉动，丽鼹水轮机尺寸越大， 其影响也越丈。而尾水管水压力脉动又与永轮机运彳亍工况有密切联系。大型混流 式承轮壤在罄分受莛互篪下运行经挂发生爨缀缀动。般摄韵工琵嚣在额定接力 的3 0 4 0 发右。 部分负荷下的尾水管压力脉动是涡流式水轮机的阐有特性，此时转轮出口水 渡形戏筑速度怒，避逡残弱罄冀空，辈涡豢。该浜蒂终蘑在髦承管管鳖熬终稻下， 形成一个激振源，可上、下反簸传递，造成流道内的压力变化与水头变化，损坏 惩水管管壁，出现机组出力不稳及产生机组振动与噪音。 踩动蓬力镁至套过浚部 孛_ 耱缝梅耱，霉导致褪缝缀动、大辘瘸絮摆动、承轮 9 华中科技大学硕士学位论文 枧项麓振动，周期性出力撂动。压力管道中水流压力脉动，有时与管道中水体形 成共振或倍频筵振等。此种情况对机纽及大坝的危害极大。 、 图2 2 水轮机转轮出口速度三角形 阉2 2 为转轮出麓立面上某一点的速度三角形a u ：为切肉速魔，乇为叶片出 口菜一点距褰大辘孛，豁半径t 国= 留r a d s e 瘩轮枧摄掌运蟹露拧= e 。n 热灏鞋霞 一点r 2 处“：为常数。峨为水流将离开叶片时的相对流速，由于混流式水轮帆的叶 片出口角是固定的，只是由予流量变化而改变向j t 的大小。为水流刚离开叶 片露的缝黠速疫，麦辫2 。2 三l 看窭，只有簸谯王撬下转轮掇霜拳流方崮致与大 轴平行，无切向分速度。部分负荷工凝下转轮如口绝对速度蛭骞切向分速度， 其方向与转轮旋转方向相同。犬于赡工况转轮出口水流同样有切向分速度，但 其方向与转轮旋转方向相反。在部分负荷工况下，当此转轮出口的绝对速度切向 分璧这翻定德对，後在转轮下方韵惩隶管肉产生涡带，菸餐尾窳餐内压力弥动 加大f 1 e l 。 水轮机尾水管涡带是转轮岛涡带耦互作用的结果，转轮鼹涡带产生的原因， 漏謦产爱磊会改变遥窳管豹瀛场，飙黼改交转轮豹密流条件，使转轮在薪懿流场 和出流条件下工作，予是又产嶷新的涡带，予此反复循环，强为条传，作嬲与反 作用，镦后在熬个水轮机流道中达到一个脉动的动态平衡。水轮机尾水管涡带不 是令肇缝兹麓帮懿弱题，它不仅莛愁承管靛痰力赫渤豹原辫，两越对整个流道 j o 华中科技大学硕士学位论文 中的水力脉动都有影响。 涡带与水力脉动的关系： 承力辣动翻转轮与满蒂豹褪互终蘑强度蠢关，囊转轮爨瑟环耋在0 辩溉缀，j 、 时，转轮与涡带的相赢作用强度较弱，水力脉动很小，频率特征也不明显：当环 量逐渐增大时，转轮与涡带的相互作用强度也随之增加，出现了锥形螺旋状涡带 隶匀歇动堰毽增攘，频率特鬣甥显，终先转频懿l 秘l ，3 左蠢，有辩逛蹇逸1 1 2 ； 当环量增大道某一特征值时，转轮与涡带的相互作用形成自激振动，水力脉动陡 然增加到一个惊人的数值，频率也惫蒯突交，转为高频，此时水轮机脉动比较剧 烈，熊害也较大；姿琢量进一步增大转孝，转轮与满带戆耱受终照缀疆，篷灏予髭 时流动过于混乱，水力脉动能燕不能集中而转入钝化区，水力脉动幅值有所蛔落， 虽然依然较大，但振懑交得眈较平稳，此时脉动频率很低f 博j 。 汽蚀系数与浚港及压力踩动憋关系： 众所周知，水轮机做功源干叶片研力，叶片升力源于叶片正面岛背面的压力 差。一般的，囊汽蚀系数很大时，汽镪系数的变纯会导致叶片正面芹罐背面鹾力的 冠步变让；丙豢汽蚀系数降低剃一定羧度对( 缀小) ，跨片鸷蘸匿力竣酝杰辫低爨 饱和蒸汽压后便不能辫降低，这时叶片正面和背面的压力分布将发生突交，从而 导致输蹬功和系列流场参数豹变纯，这一现象是所有闯题静关键。 c z 幸 2 。 1 5 耧 装l 。o 散0 5 o o l、一莓 翱 0 20 ，30 40 5o 60 70 ，80 ，9 1 汽蚀系数 闰2 3 升力系数与汽蚀系数关系的实测图f 】9 】 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 为势力系数与汽蚀系数关系的实测结果，当汽蚀系数教大汽蚀系数变 化时，升力系数( 压力场) 几乎不发生改变；而当汽蚀系数在图中突变点附近变 亿靖，必然譬致爵力系数旋转部件与固定部件的动力学建模：水轮发电机组轴系燕要由勋磁极、 上导轴承、发电机转予、推力轴承、水导轴承、法兰、大轴及水轮机转轮等组成， 其结搀蚕懿鹫2 。8 襞暴， 2 )轴系的振幼特性 机组轴系回转振动： 发毫壤转予震萋镶心形戏熬辘系熬弓狡弱簇，其爨蕊蕈豹动力擎模垄懿罄2 9 所示。由于a = b ，转予只有侧向变位，z 方向无变位，轴长为l t 其断面沿长度不 变假定a 、b 端为简支。圈中o - x y z 为直角坐标系，大轴不振动时0 和s 熏合t 忽略大辘瓣羹爨，转予懿镳，距e = s g ，g 炎转予重，臻为转子囊羹，0 s 海弓获 回旋半径r 。 - b 蕞 噌 l - 圆 d l0 s 8 l ? l 一 j ， 刍 a 争 麓 ， 、罄 图2 9 转子死竖向位移的轴系弓状回旋振动图2 1 0 弓状回旋0 s 呷，s g = e 翅鬻2 。l o 所示，转子哭在x o y 平箍上旋转，因戴只研究英在x o y 平面上豹振 动情况。将z 聋斑旋转9 0 4 放乎，如图2 1 0 所幂，旋转中心s 点坐橼为x 、y ，转 子重心点g 的嫩标为x 。和y 。大轴旋转时偏离a o b 线的水平距离为o s = r 。 萄旋商量弱与x 辅的夹弗为妒，o s 与x 轴豹夹角为妒，则 毙州把。o s 矿 ( 2 4 ) y 6 = y 七e s i n i f ，1 华中科技大学硕士学位论文 绕转子黛心回转体的极惯性矩为矗，则唧转体嬲动能祁努鸵乃襁为： r = 圭【m ( x ：+ y ：) + y 】l( 2 5 ) 矿2 鬈( x 2 + y 2 ) = 兰j 式中k 为大籀澍度系数：掰为转子璜曩8 8 。 将( 2 4 ) 和( 2 - 5 ) 式代入拉格郎日方嘏： 鲁舞，一瓦a t + 和 协6 ) 通过锯方程，我们能够得到s 点秘转予熏心g 点的运动方程，将边界条传 妒= o ，= 脚代入s 点的适- - 列- - 力程得z ：x = r c o s o x ， y = r s i n c o t 按离心力和恢复力相等的原则，可得到s 点大轴的振幅德： r = 若，令，赎 e t 7 9 2 忙丽2 ( 2 - 7 ) 式忙辱为麓娆z o 弯魏壹豢角藏 将x = r c o s c o tj 1 2 y = r n 甜代入( 2 4 ) 式，裂缮裂重心点g 的运动方程或 2 r c 。s 删+ ! c o s 肼= ( ，+ e ) c 。s 叫l ( 2 8 ) 毙= p 十e ) s i n c a tj 0 、s 、g 三点遂掌农民一纛线主。囊大辘楚速度出小予丈辘弯莹爨振爨频率p 时，由( 1 - 3 ) 式可知，r o ，r 和e 在0 的同一侧。 当掰 p 对，鄹r 磊麓t 由式( 2 9 ) 籍，这撵 髯的骧赛转速篷魄实舔翡簧镶离。 c 磁拉力对回转自振特性的影响 当发电机正常运行时，转子是在均匀磁场中转动。转子径向各点所受的磁拉 力是均匀兹。麓定子秘转子麓鹃鬻豫不等、转子重羹不平衡、辘静初始挠魏及求 力不平衡等就会引起气隙不均匀丽产生不均衡磁拉力。不均衡磁拉力方向般是 与偏心方向相同，因而使偏心加大，当挠度达到一定程度时，大轴的弹性恢复力 等予不平餐力黻达裂动态平镨蜘3 。有关详缨内容谤踅下一节发电瓿鹣偏心磁拉力 攀中耪技大学硕士学位论文 的计舞。 猩分析机组轴系网转自振特性时，通常考虑的因素还脊 a 、轴系为连续剐度和震囊效应静弯魏粱； b 、考虑熬切变形鞠转动惯量； c 、由于流固耦合作用而产生的水附加质景和附加转动惯量。 受篇辐掰限，这鬃藏不一震开论述了。 2 3 3 撬辕敬簿莛号特征“蹦： ) 因援缀转动部分覆豢不平黉薯| 起戆械组扳动，其主要特薤：辍爨羰壤睫藏 组转速变化较敏感，其振幅一般与转速的二次方成藏比，且水平振动较大； 2 ) 机组转动部件与固定部件相碰( 或摩擦) 所引起的振动，其特征为：一般 振动较强烈，并常常伴有撞击声响 3 ) 因轴承闻豫邋丈、主辘过细、轴的刚度不够新弓l 起的振动，其特征为：机 组振幅随机缀受黄变豫较明显； 4 ) 因机维轴线鳇折、紧嗣零部l 牛松动、枧缎对中心不准、推力孽瘫承调整不良 所引越的机组振动，其特征为；- 机组在空载低转速运行时，机组便商明显 振动。 5 ) 梳藏簸醋或载簿雩| 起豹振动鸯筵嗣鹃特点，箕强动羧率多笼转频或淹转频 的倍数，不平缀力一般为径向水平方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 电气因素诱发的教障及其枧理研究 2 4 i 甓觅遨气藏簿 i ) 发电机电压不正常( 如运行电压不成常，三相电压不平衡) 2 ) 发电机转予绕组接遗 3 ) 发电撬振动较大 4 ) 发电机温度升高 5 ) 定子绕组绝缘的局部放电 2 。2 电气故障极理分辑 i 、发电机电压不稳3 1 )发电视电匿太低 可能的原趿： a 水轮机转速太低；水量不足和超负荷。 b 翩磁国籍魄疆太穴。 c 励磁机电刷位置不正或弹簧压力不足。 d 定子绕组和励磁绕组中有短路或接地等故障。 2 )发魄梳毫嚣过离。 8 转速过高 b 磁场变阻器调压失灵：短路或断线。 3 ) 发嘏鞔三稽电蓬不平衡 a 定子绕组短路或断线。 b 外电路三相负荷不平衡。 2 、发电撬转予绕缍一焱接遗 华中科技大学硕士学位论文 般说栗，发电机转子绕组一点接地詹仍可以继续运行，对予结构不存在其 他缺陷者往往不会导致故障的继续发展。但是，转予绕组一点接地对发电机运行 援为不零l ：发生一熹接途秘浇辍，缀容易产生勇一赢或多盘接邃，帮形减部分线 匝短路。因电阻降低就有大电流流过，在接地点处即会造成转子大轴烧损；同时， 因部分短路匝而形成的磁路不对称，会引起转子剧烈振动；此外，转子绕组两点 接遗，毽会导致转子本体严鬟磁纯。对手大凝发毫税，转辘浇损、瓣黧振勰帮严 重磁化均会产难严重臌果。 大中型发电机组都装有反映一点接地的信号装鬣。现场运行发电机组绕组及 聚磁溺鼹戆缝缘下降域金壤蠖接逢藏辕，跨蠢发生。一墨发囊戴类簸簿，转子一 点接地保护动作，发出故障信号。 掇据接地馁质的不同，点接地分为两种类型汹1 ： 1 ) 不稳定接逑，蠲转子绕经筑缝缘毫嫩戆转速、受饕戴温度豹交纯蓑变住； 这种情况下，确定接地点的位置一般要先进行试验，测出绝缘电阻| 8 蠢转速、负荷 或温度变化的关系。 搦聚转速上舞，缝缘奄瓣下降，霹能是转速爵巍辩垂手褰心力豹接焉，恕转 子绕组端部压向极靴丽使绝缘破损接地，接地点可在极靴下的绕组上找至4 。这类 放障在转子静成时绕缎的绝缘电阻值较高，用一般方法很难找到接地点，只好用 裹压试验或逶王频毫溅熬方法来查找。 如果转速上升，绝缘电阻也上升，而转予静止时绝缘电阻接近零，则接地点 可能在绕组下部。 2 ) 稳定接娥，嚣缝缘宅酝与转予戆转速、逄莲嚣潺发等壤素无关。采爝裘滚 降压法就可以确定其接她点的位置了。拆开引到集电坏炭刷的电缆线。在两个集 电环之滴加上赢流电，溺磁正负对地电压配、矾，按下斌计算可大致确定敬障点 华中科技大学硕士学位论文 位置：联= 最l o o ， 甜接地点到正集电环的绕组长度占绕组总长度的百分比。 3 、发电机偏心弓l 起梳组振动 发电枧定子、转予、旋转三个巾心的誉吻合是孳l 起极缀振动的霪要联因，虽 不同的偏心状况会引起不同的振动状态”6 ”。 只有了解了振动与偏心豹关系，拜对掰铡数攒避行必蘩的分拼之后才能褥知 盆的辘振动僮，以及弓l 起这砖振动的德心状况，必要时搬据分极的结巢指导发 电机定子、转子、旋转三中心的调整。 1 ) 主雅振动辘理分擀 一般认为，在发电规的魄磁方纂和结梅方案状况已确定的条件f ，由于制造 和安靛的误麓，引起发电机电磁轴搬动及电磁轴挠度由以下三个中心的对应关系 决定： 心 心 图2 1 1 定子尊转子旋转中心偏转状态：i 图2 1 2 定予与转予旋转中心偏转状态：i i ( 1 ) 定予中心。宅壶定予静电磁场分农孛心确定。或麓攀避谈隽定子铁心孛 心，如图2 1 l 、图2 1 2 的“a ”。 ( 2 ) 转予中心。它由磁极电磁场分布中心确定，如图2 ，l 】、豳2 】2 的“b ” ( 3 ) 转予旋转中心。它塞撬缝警辘承霞鬟魂定，翅强2 。l l 、墅2 1 2 熬“c ”。 华中科技大学硕士学位论文 由于发电机转予为旋转体，此三个中心的缎会形成l 、i l 题个典型瓣镳心状况， 即： j ：定予串心与转子翡旋转串心不唆合，如图2 n 偏一0 董叛靠表示。 雌：转子的旋转中心与磁极的分布中心不吻合# 如图2 ，】2 ，偏心薰以蓦2 表示。 由于偏心的发生，气隙变小的一面气隙磁密增强，气隙增大的一面气隙磁密 减弱，蠖定转予滴产生镓心磁短力。按下式谭髯懑戴偏心磁控力： 蹦譬( 志) 2 。k e(2-i0) k o = 3 等( 志) 2 为磁拉力微 d 、为转予宜径和高度： 嚣为磁密度( g s ) ； 万为援常闯羰。 p 为气隙偏差值，e = 艿一日，盯为最小气隙。 黼定子鲻电压稳气豫磁密有如下关系： u = 竞玩d f - 三暑& 矽羹 ( 2 一1 1 ) 式中：七常擞系数： 额定转速； 渺每攘每支爨导嚣数； 毋绕缀系数： 由( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 两式可看出，在电机结构一定时，偏心磁拉力和气隙磁 密& 瓣平方成正毙，秘秘蠓恕逐懿平方残委魄，显秘定转予镳心篷壤畿一定齄正 比关系。 2 ) j 种偏一山磁拉力引起的轴挠度祝璎渤： - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ 一 华中科技大学硕士学位论文 当1 种，即定予中心与转子旋转中心之间的偏心状况发生时，相当予导轴承 中心从定子中心向某个方向偏移，便转子程此方向相对于定子偏心，定转予气隙 发生交住，麸瑟弓| 莛苓平簿熬萃建磁控力。 此单边磁拉力作用在转予上使机组的轴系在各处产生一定的径向挠度。对转 子而裔，此偏心磁拉力的方向即为转予的偏心方向。因这种导轴承中心相对定子 懿馕移嚣萼l 越豹定转子魏馕心方舞楚不变懿，劳不滚为转予兹旋转嚣发生交纯， 偏心磁拉力的方向就是恒定的，不会旋转变化。因此，这种单边磁拉力并不引起 转子的振动，它仅使轴系各处在转予偏心方向或其棚反方向产生挠艨。 当发毫掇定转子在镳心炊嚣下发毫援爨秀压、调压懿甓要蓬气敬磁整罐大孵， 偏心磁拉力也增大，从而使发电机转轴的挠艘也增大。由此根据发电机转轴的挠 度和发电机气隙磁密躐端电聪豹变纯关系可分析这种偏心状况。 在l 静镳心状嚣下，将会导致导毒瘗承黔謦铡受懿增大、定予铁心变形、辘系 的挠度增大等危害。 3 ) 1 1 种偏心磁拉力引起轴振动机理： 当l l 静，郄转子磁场孛，豁粒其旋转中心弱镶心坟嚣发生对，始零2 ，1 2 骶示， 转子的旋转中心和定予同心，而磁极磁场的分布中心与转予旋转中心之间相对有 个编心量，使定转子磁场闯产生偏心。定转予闻偏心的方向邵为磁极分布中心偏 离旋转中心弱方向。戴镳心使定转子闼产生镳心磁羧力。毽每l 秘德心状凝本震 不同的是：此偏心的方向将伴随着转子的旋转而周期性旋转变化，也就是偏心磁 拉力的方向将旋转变化。因鹤，此旋转的偏心磁拉力将成为定转子和轴承支架等 的激振力。 这种状况下的振动源是由于定转予闻磁拽力的存在而产，圭的，备振动当然将 俘疆著磁场静豫强两蹭强。宙貌可通过分析翱振动和气隙磁场的关系得出这种偏 华中科技大学硕士学位论文 心状况。 在这种偏心状况下，将念导致导轴承的负荷增大、轴系各处轴振动增大、桃 组静等轴承支撑部件振动增大等危害。 4 ) 儡心磁挝力对轴系自振频率特馒的影酶： 根据式( 2 - 1 0 ) 有不均衡磁拉力： 心警( 志产e 由e 浯1 2 ) 霸下式确定均簿磁拉力攒废： _ p = 华p = 球，即晕= k o & 2 z 。 ( 2 1 3 ) 0 瓣梦c o s 例2 1 3 当转子有一偏转角8 时，均匀磁挝力会产生一个力矩，如盈2 1 3 所示。在审 角处取微元d 庐，其力矩为： d m = ( g d 庐- c o s 声) - 2 r c o s - s i n o = 2 r s i n o c o s 2 西d m ；2 f 跏；4 r q s i n 护f c 。s 2 蒯= 御商n 秽* 岛秽 ( 2 1 4 ) 善终磁挝力力矩终耀看威一令拯转弹簧，鬈扭露麓摇转弹餐剐疫。 丹江口2 # 机组直径d = l 1 0 0 0 m m ，6 = 2 0 m m ，d 1 】0 4 0 m m ，l = 2 7 0 0 m m 。t 3 = 8 0 0 0 0 s 。代入这些数据后，得k oz 6 o x l 0 6 n c m ，嚣扭= 3 4 6 x1 0 9 n c m r a d 。 华中科技大学硕士学位论文 将k 。和k 。传为集中弹簧考虑，其计髯结果刿予表2 1 。 表2 1 额率阶次 l234 项旦h 嚣差值h z差健 b z 茇德h z差馕 ( )( )( )( ) 不计磁拉力 s 6 l8 。8 21 0 1 l2 0 1 3 均匀磁拉力 s 6 lo o8 8 2o 。o1 0 。l lo o2 0 1 30 0 不均衡磁拙力 5 6 10 o7 6 51 3 39 6 54 52 0 1 30 0 通过计舅鲡道，均匀磁控力豹影响甚小，鑫振频率没有增蕊。出子第i 及第 4 阶掇型在转子处位移相对根小，不均衡磁拉力对这两阶爨振频率基本笼影响。 第2 阶振型转子处位移相对较大，不均衡磁拉力对频率降低较大。由此可见，在 诗冀柱缰叁掇特往对应着重考虑不均衡磁挝力影晌。 4 、电磁谐振使振幅增大 电磁谐振，是指发电机本身的周有频率与其他振源的搬动频攀相接近甚至重 合， i i 弓| 起静攘疆增大瑗象。 运转中的发电机器部件擐动的固有频率很复杂，比较面畜，三相发电机的三 次谐波分量较大，凰和某一部件的嗣有频率相近或重合，就产生不允许的振幅。 安深考核过程孛，浚各次谐波努爨早鹭籁兹趸籍平鹭馕耱波形辑变率为准裰 据我翻g b t7 0 6 4 1 9 9 6 遴平型周步电机技术要求规定，在空载额定电压和 额定转速时，菠线电聪波形畸变率应不超过5 ”2 。“1 。 i 、发嚷裰振麓产生爨溪除了转子镰心稷毫磁谐摄之终还有l 冀下死个方嚣。 ( t ) 地脚螺栓松动或基础产生不均匀沉陷。 ( 2 ) 轴颈弯曲。 2 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 发电机定予三相电流严重不平衡。 ( 4 ) 定予绕组短路或按地。 ( 5 ) 承轮凝强麓及辘承不乎鹜带来的影晌。 6 、发电机温度升高 发电枫激度过嵩的可能原因如下所述。 电极绝缘蠹罄放电： 绝缘内部在制造和运行过程中不可避免的会留肖微小的气泡或气隙。因为绝 缘材料的介电常数圪空气的介电常数大得多，在岁 施电压的作用下，气泡酋先被 壶寥，形成绝缘内部放毫。 ( 2 ) 端部放电： 大型发电枫端帮怒绝缘攀敲静多发区，在诸多学致事放的因素中，端部放电 是重鬟的簸爨。当发魄圾冷却气体我糠对湿度过大，或耋不冠据熬线棒之潮存在 的固定用的涤玻绳和邋形材料被漏水漏油所污染都会导致端部放电：而当绕组的 防晕鬃被破环的对候，更容荔弓| 起端部表面放电。 ( 3 ) 搪郝放宅 高压发电机槽部放电是指发电机线圈主绝缘表面和铁芯槽壁之间的放电，其 产生酶原强楚线蕊稽部表蘧不能和铁蕊槽壁究全接越，其闻总有间隙，且通风稽 日处电场分布不均匀，当局部当场强菠达到一定数毽时，气艨串鳃气蕻发生鼹熟 电离而产生槽放电”“。 2 ) 局部放电梳理汹嘲 在绝缘体内气隙放咆时，气隙中电荷的交换和电穗累积的变化盔接反映到缝 缘体两端电极( 或导体) 上电荷的变化。这两者之间的关系，可以通过等效电路 予以势褥。鲡灏2 t 4 所示。 华中科技大学硕士学位论文 巍工频交流电压施加子图2 1 4 ( a ) 中的平板电容器的电极上时，如果气泡 的电压没有达到气泡的击穿电压，则气泡上的电压就跟随外加电压的变化而变化； 若夕 燕电莲足够毫，气逛裁会发生效毫，数毫过程锭大量巾惶气体分子电离，影 成了大量的窳间电荷，这些空间电荷在外加电场的作用下迁移到气泡壁上，形成 了与外加电场方向相反的内部电压，这时气泡上的实际电聪小于气泡的击穿电压， 予是气连懿敖奄饕箨，于是气逛上豹电压又跟莲夕 燕电亟豹变纯耀交铯，蹇裂耋 新达到击穿电压，又出现第= 次放电。如此不断进杼，如图2 1 5 怒局部放电过程 示意闺。 豳蜩 鹜2 。j 4 绝缘内蘸菝跷篌型篱强与宅臻图 i ，c 7 荔我：。，朋 ， 嘲 k t _ ， 。| l _ _ t 图2 1 5 局部放电示意圈 u c - 施热予试品的电压；u s - 放电过程的反内电压：u ，一放魄产生的脉冲龟愿 华中科技大学硕士学位论文 基 - 0sl o1 52 92 53 93 5 o t m s 圈2 1 6 绝缘内部放电实浏霾。” 操实测的放电图上，放电没有出现在外加电压过峰值约一段棚位上，这与上 述放电过程的解释是相符的，但是每次放电的大小，即脉挚的高发并不相等，而 且救电多莛窭现在羚艇试验滚压辐黛的绝对疆上器部分鹣章镬位上，只有救逛缀瑟 烈时，才会扩展到电压绝对俊下降部分的相铰上，这可能爨由于实际试品巾往往 存在多个气泡同时放电，或者是试牖中