水轮发电机组的振动原因

1、水轮发电机组的振动原因非常复杂，主要有水力、机械、电气等三大方面的原因。例如，水轮机组的干扰通常来自一些压力脉动，低频压力脉动尤其对稳定运行构成威胁，因为它们可以扩散至整个管路系统，从而引起水力共振，其频率通常为转轮旋转频率的023倍。对于混流式水轮机，在非设计工况下运行时，转轮出口将产生强烈的涡带，从而导致尾水管流不稳定，是造成这类机组振动和出力摆动的最主要根源。尾水管脉动是低频压力脉动中最遍、最具有代表性的现象。尾水管中的水流脉动压力可使尾水管壁产生裂缝，严重的可使整块钢板剥落。振动的振级和频谱不仅取决于激振力或力矩的大小和频率，同时还与电机和它的各部件，以及使水轮发电机构成整体的联接件的

2、自振频率和运行状态有关，与制造、安装质有关，也与运行条件有关。在水轮机振动测试分析技术中，信号处理是水轮机振动测试分析成功与否的关键，其目的是提取设备中的振动特征信息，为准确分析振动原因提供依据。随着电力行业对水力机械设备安全、可靠性要求的不断提高，对振动分析提出了更高的要求，而传统的振动测试技术已满足不了对微弱振动特征信息的提取及非平稳信号特征提取的要求，而基于虚拟仪器的计算机处理技术为振动分析中这些难题的解决提供了友好的平台。从振动发生的情况看，有的是水轮机本身的水力特性决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的。发电机是将水轮机的机械能转换为电能的装置，在转换过程中，由于某些方面设计、加工、

3、安装或参数配合不当也会引起发电机的电磁振动。从结构上，水轮发电机组可以分成两大部分：转动部分和固定、支持部分。它们中的任何一个存在机械缺陷时都可能引起机组振动。而这些缺陷可能是由设计、加工、安装等任何一个环节所引起。常规情况下，机组有四大振动部件：上机架、下机架、顶盖、转动部分。异常情况下还有其它部件，如定子铁心等。水轮发电机组结构复杂，诱发故障的原因很多，依据干扰的不同形式，机组的振动可分为机械振动、电磁振动和水力振动三大类。1 机械振动机械振动系指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其它力。引起振动的机械因素有：转子重量不平衡，机组轴线不正，导轴承缺陷等。机械振动主要有：大轴在法兰

4、处对中不良，连接不紧或固定件松动而造成大轴有折线，从而引起的振动；机组转动部分因质量不平衡、弯承瓦间隙大或推力轴承的推力轴瓦不平和推力头松动等原因引起的振动。机械缺陷或故障引起的振动有共同的特点，其振动频率为转频或转频的倍数，不平衡力一般为径向或水平方向。2 电磁振动电磁振动分为两类：即转频振动和极频振动。引起转频振动电磁方面的原因主要是转子绕组短路、定子和转子间气隙不均匀、磁极的次序错误造成磁路不对称引起磁拉力的不平衡从而产生振动；定子铁芯松动引起100Hz的极频振动。3 水力振动水力因素会引起机组振动、摆度增大，振频随振源的变化而不同，如涡带偏心振频为12-16转频；卡门旋涡振频与叶片出水

5、边相对流速、出水边厚度有关，汽蚀振频为高频等。水力振动主要有：卡门涡列引起的振动；尾水管涡带引起的振动；水封间隙不等引起的振动；蜗壳、导叶和转轮水流不均匀引起的振动；压力管道中水力振动；狭缝射流、空腔汽蚀引起的振动；协联关系不正确引起的振动等。从以上分析可见，水轮发电机组的振动与众多因素有关，振动的特征反映了机组的工作状态和故障情况。不同因素引起的振动，都有其不同的特征表现。这些特征除了与振幅、振频有关外，还与机组负荷、励磁电流、水头等因素有关。为水轮发电机组振动问题研究和处理的方便，习惯上把振动问题按以下方式分类。1 常规振动常规振动是指由不可避免的因素引起的振动。在混流式水轮机中，这类不可

6、避免的因素主要有两个：尾水管涡带压力脉动和水力不平衡。2 异常振动水轮发电机组中异常振动主要指下述几种情况：共振：它可能出现在机组的转动部分、叶片、水体、定子铁心等处。自激振动：水轮机中自激振动主要由迷宫泄漏所引起。如渔子溪电站、龙首电站的机组振动问题。水体共振及其引起的机组强烈振动：流道中，任何部分的水体都可能发生共振。异常振动一般为几种原因叠加的结果。水轮发电机组振源1 尾水管内低频涡带低频涡带是混流式和轴流定桨式水轮机普遍存在的振源之一。产生涡带的基本条件是水轮机转轮出口水流具有一定的圆周分速度。混流式水轮机在部分负荷运行时，转轮出口产生强制旋涡。由于旋涡内部压力低，若汽蚀系数很小时，则

7、强制涡核便产生空腔汽蚀现象，即在旋涡中心形成空腔。中心部分的汽蚀空腔做周期的偏心运动，从而引起压力脉动现象。螺旋形涡带在尾水管中旋转的频率，也就是涡带压力脉动频率，在整个尾水管中各处都是一样的。2 尾水管接近转频的脉动尾水管中的脉动压力，除低频涡带外，还有中频和高频脉动压力。中频脉动压力频率接近机组的转速频率，易引起机组振动和压力管道振动。接近转频的脉动压力，在导水叶任何开度下始终存在着，在一定的单位转速下，频率基本一定。在发生低频涡带范围内，由于受低频涡带的影响，接近转频的脉动绕某一值上下波动。同样，轴流定浆式水轮机的模型试验结果表明，其尾水管中接近转频的脉动频率和转速及开度的关系，和混流式

8、水轮机的规律非常相似。3 水轮机水封间隙不等产生的水力不平衡力由于制造和安装上的原因，转轮和固定部件不在同一轴线上。或由于水封零部件加工安装不精确，或者转轮质量的动、静态不平衡，都会引起在运行中水封间隙不均匀。另外，由于导轴承间隙不当，大轴弓状回旋振动等，都会使上、下水封间隙偏斜。4 蜗壳、导水叶和转轮水流不均匀引起的振动蜗壳中的水流并不像理论假设的那样均匀，沿周向和高度的流速分布都是不均匀的。均匀流速的水流进入导叶后，在导叶间产生不均匀流速，流出导叶后又重新分布。导叶出口流速的不均匀性，对低比转速水轮机意义比较大，因为比转速越低转轮和导叶出水边的间隙越小。对高比转速混流式和轴流式水轮机，导叶

9、出水边与转轮进口之间有一定的距离，水流在此间隙中已调整得比较均匀了，故影响较小。叶片表面脱流或汽蚀等，都将引起叶片振动，甚至引起破坏性事故。水轮机叶片和导叶的振源之一是叶片出口形成了卡门涡列。5 压力管道中水力振动水电站正常运行时，压力管道两端为开口，水体有自振。水轮机过流部件的水流脉动，有可能与管道中水体自振频率发生共振或倍频共振。管道中水体振动荷载传给水轮机，使机组产生或加剧振动。6 机械缺陷引起的振动水轮发电机组的旋转部件和支承结构都是按轴对称布置，以保证机组旋转过程中保持稳定性。如果由于某种原因偏离这种对称时，机组运行就会变成不稳定，而产生各种形式的振动。机械缺陷或故障引起的振动有共同

10、的特点，其振动频率多为转频或转频的倍数，不平衡力一般为径向或水平方向。机械不平衡现象是较普遍存在的，尤其高水头和高转速的机组的不平衡问题更显得突出，构成机组的主要振源之一。7 机组的电磁振动水轮发电机组电磁振动可分为两类：一类是转频振动，其频率为转频或其整倍数。一般由转子不圆引起，这主要是机械缺陷造成，这种故障的根源可能是安装时就存在了。另一类为极频振动。由两种磁场及其相互作用产生。大的或异常的极频振动都是以共振的形式出现。大直径水轮发电机组主要振源之一，是由于定子内腔和转子外圆之间气隙不均匀，在定子和转子间产生不均衡磁拉力，从而对转子和定子形成转频激扰力。产生极频振动的原因有：分瓣定子合缝间

11、隙大，比较多见；定子分数槽次谐波磁势，振动幅值随负载电流增大而增大；定子并联支路内环流产生的磁势；负序电流引起的反转磁势(如富春江电站5号机)；定子不圆、机座合缝不好。8 机械结构导轴承间隙大：例如渔子溪电站660Hz振动，就是因为导轴承间隙大；葛洲坝电站初期振动达2-3mm也是因为导轴承间隙影响大。磁极键的设计、加工、安装问题：例如贵州东风电厂的机组振动问题就是由此引起。9 转子不平衡不平衡是旋转机械最常见的故障。不论是机械、水力和电气哪种不平衡，产生的根源一定在转动部分上。不平衡的频率一定是转速频率。水轮发电机组振动故障特征总结常见的水轮发电机组特征频率有机组频率(转频)、转轮叶片频率(转

12、频倍数)、尾水管涡带频率(1315转频)、电磁激振频率(50HZ，100HZ)等从机组的振动特征来判别水轮发电机组的故障原因及其部位，就要从机组的振动特征入手，通过一系列的测试手段，获取机组测试数据，提取机组特征参数，经过分析诊断，确定机组的振源，找到机组的故障部位，为机组检修提供可靠的技术保证。振动信号的分析与数字信号处理技术1. 时域分析时域是指信号随时间变化的一种函数关系。包括时域连续信号和时域离散信号。它是通过对连续振动信号进行采样得到的。我们通过信号采集和转换装置将振动数据采集，并通过计算机将该信号按时间的关系绘制出来，这样我们就可以看见一条振动幅值与时间的连续的函数曲线，在采样频率

13、较高的情况下，这种近似是比较真实的反映时域连续信号的。采样率决定了模数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。下面的图4一1 表示了采样率对精度的影响。图4一1 采样率对精度的影响所谓信号的时域分析就是求取信号在时域中的特征参数(如峰值、均值、方差、均方值等)及信号波形在不同时刻的相似性和关联性(如自相关函数、互相关函数)。2频域分析在动态测试技术中往往需要将时间域信号变换到频率域上加以分析，从频率角度来反映和揭示信号的变化规律，这种频率分析的方法又称为频谱分析方法。对信号进行频谱分析可以获得更多的有用信息，如求得动态信号中的各个频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅值和能量分布的频率值。常用的频谱分析方法有幅值谱、功率谱、倒