机械振动 机器振动的测量和评价 第5部分：水力发电和抽水蓄能电站机组 征求意见稿

GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018前言 II III 12规范性引用文件 23术语和定义 24机器布置 25测量方法和工况 65.1通则 65.2测量类型 65.3测量位置和方向 75.4测量设备 105.5运行工况 146振动测量评价 6.1通则 146.2准则I：振动量值 6.3准则II：振动量值和相位的变化 176.4运行限值 186.5转轴振动和轴承座振动结果比较 6.6基于振动向量信息的评估 附录A（规范性）评价区域边界值 附录B（资料性）振动监测——趋势分析的先决条件 附录C（资料性）水力机组轴承座振动和转轴振动的特点 附录D（资料性）数据库、分析方法和统计学评估 附录E（资料性）振动数据处理推荐规范 参考文献 45GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起本文件是GB/T41850《机械振动机器振动的测量和评价》的第5部分。GB/T41850已经发布了以下部分：——第1部分：总则；——第8部分：往复式压缩机系统；——第9部分：齿轮装置。本文件代替GB/T11348.5—2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》和GB/T6075.5—2002《在非旋转部件上测量和评价机组机械振动第5部分：水力发电厂和泵站机组》，与GB/T11348.5—2008和GB/T6075.5—2002相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：——将振动量评价区域划分为A-B、C和D三个区域（见6.2，GB/T11348.5—2008和GB/T6075.5—2002）；——规定了各种类型水力发电和抽水蓄能机组各自在给定运行工况下轴承座和转轴振动A-B/C和C/D区域边界限值（见第6章，GB/T11348.5—2008）；——在振动区域边界评价中不仅考虑振动幅值的大小，而且考虑不超过规定的轴承温度限值和轴振动位移值不大于轴承冷态径向间隙的70%（见第6章，GB/T11348.5—2008和GB/T6075.5—2002）。本文件等同采用ISO20816-5：2018《机械振动机器振动的测量和评价第5部分：水力发电和抽水蓄能电站机组》。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会（SAC/TC53）提出并归口。本文件起草单位：本部分主要起草人：本文件所代替标准的历次版本发布情况为：——GB/T11348.5—2008和GB/T6075.5—2002。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018GB/T41850系列文件的第5部分给出了水力发电和抽水蓄能电站机组在正常运行范围内运行时在轴承、轴承支架或轴承座处振动，以及相对轴振动的测量和评价指南。GB/T41850拟由以下部分构成：——第1部分：总则。目的在于给出在非旋转部件和旋转轴上测量和评价各种类型机器振动的一般要求。——第2部分：40MW以上，具有滑动轴承且额定转速为1500r/min、1800r/min、3000r/min和3600r/min，陆地安装的燃气轮机、汽轮机和发电机。目的在于给出大型陆地安装的燃气轮机、汽轮机和发电机轴承座振动和转轴振动的具体评价。——第4部分：3MW以上使用滑动轴承的燃汽轮机。目的在于给出第2部分中未涉及的燃气轮机轴承座振动和转轴振动的具体评价。——第5部分：水力发电和抽水蓄能电站机组。目的在于给出水力发电和抽水蓄能电站机组轴承座振动和转轴振动测量评价的指南。——第8部分：往复式压缩机系统。目的在于为往复式压缩机系统机械振动的测量及分级建立特殊的程序和指南。——第9部分：齿轮装置。目的在于给出测量和评价齿轮装置振动的具体规定。本文件是GB/T41850《机械振动机器振动的测量和评价》的第5部分。本文件为安装在水力发电和抽水蓄能电站的机组轴承座振动和转轴振动的测量与评价提供了具体指导。为评估机器振动提供了两个准则：a）第一个准则考虑被测振动的幅值；b）第二个准则考虑了被测振动幅值和相位的变化。本文件涵盖了转轴振动和固定、非旋转部件振动的分析。本文件为水平轴和垂直轴机器建立了振动准则，并为每种类型水轮机（灯泡式、混流式、水斗式、轴流转桨式）在发电工况和抽水工况时（视情况而定）制定了振动准则。本文件提供的振动幅值准则以统计学为基础，给出的幅值不应用作担保值，建议由经各方共同商定选择的振动专家进行振动评估。为确定水力机械的良好性能，必须综合考虑以下几点：——相对轴振动量值；GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018——轴承座振动量值；——使用的导向轴承冷态径向间隙的百分比；——导向轴承金属部件的运行温度；——确保机器的运行工况(水头与流量或水头与功率)在正常运行范围内。对于振动幅值高于附录A表格中给出的动作限值情况，给出了建议的措施，以确定机器是否适合不受限制地持续长期运行。本文件为机器运行时存在的振动以及振动的幅值或相位可能发生的任何变化提供了评价指南。附录A中给出的振动数值旨在作为评估机器状态的基础，并在必要时进行进一步研究。本文件建议通过同时考虑轴承座振动和转轴振动来评估机器状态。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018机械振动机器振动的测量与评价第5部分：水力发电和抽水蓄能电站机组本文件提供了水力发电和抽水蓄能电站机组在正常运行范围内运行时在轴承、轴承支架或轴承座处的绝对振动测量以及相对轴振动测量的评价指南。本文件定义所涵盖的每种类型水轮机的正常运行范围见附录A。本文件适用于水力发电和抽水蓄能电站机组，其典型转速为60r/min～1000r/min，轴瓦类型为筒式或分块瓦式油润滑轴承。注：当前的数据库包括的机组转速范围从60r/min～750r/min（仅有少量1000r本文件根据水轮机的类型、转轴的方向（即水平或垂直）以及每个轴承位置，定义了轴承座振动和转轴振动的不同限值。本文件基于统计分析，提供了最常见类型水轮机、水泵水轮机和泵的振动评判准则。关于本文件所涵盖的机组类型的具体信息，见附录A。本文件所涵盖的机组可以具有以下配置：a）水轮机驱动的发电机；b）水泵水轮机驱动的电动发电机；c）水轮机或独立泵驱动的电动发电机；d）电动机驱动的泵。本文件不适用于以下机组配置、参数和运行工况：——采用水润滑轴承的水力机器；——采用滚动轴承的水力机器或机组（对于这些机器，见IEC62006和/或ISO10816-3）；——热电厂或工业设备上的泵（对于这些机器，见ISO10816-7）；——作为电动机运行的电机，在抽水蓄能应用中使用的电机除外；——作为同步调相机运行的水轮发电机（水轮机中的水被压缩空气压缩）；——轴承座绝对振动位移的评估；——轴向振动的评估；——瞬态工况的评估；——异步运行；——发电机定子铁心或定子机座振动水平评估。水力发电和抽水蓄能电站机组轴承座振动和转轴振动测量目的如下：1）目的A：防止因振动幅值过大而造成损坏；GB/T××××.5—202×GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018诊断和/或预测。本准则适用于机组自身产生的振动。对于从外部振源传递到机组的振动需要进行专门研究，如通过电站基础传递到机器的振动。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ISO20816-1机械振动机器振动的测量和评价第1部分：总则（Mechanicalvibration—Measurementandevaluationofmachinevibration—Part1:General）guidelinesIEC60994水力机械（水轮机、蓄能泵和水泵水轮机）振动和脉动现场测试规程[Guideforfieldmeasurementofvibrationsandpulsationsinhydraulicmachines（turbines,storagepumpsandpump-turbines）]注：GB/T17189—2017水力机械（水轮机、蓄能泵和水泵水轮机）振动和脉动现场测试规程（IEC3术语和定义本文件没有需要界定的术语和定义。4机器布置水力机组布置种类繁多，当考虑轴承布置以及应进行振动测量的位置时，将其分为四大类。四大类如下：——第1类：卧式机组，其发电机端盖或座式轴承安装在刚性基础上。——第2类：卧式机组，其轴承座固定在水力机械的外壳上。——第3类：立式机组，其轴承座全部支撑在电站基础上。——第4类：立式机组，其下导轴承座支撑在电站基础上，上导轴承座支撑在发电机定子机座上。图1～图5给出了每一类的例图。每张图中的数字指示了安装振动传感器的合适位置以便于测量振动。振动传感器宜安装在图6和图7所示位置的轴承上。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018图1第1类：卧式机组（其座式轴承或端盖轴承安装在刚性基础上）GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018图2第2类：卧式机组（其轴承座固定在水力机械的外壳上）图3第3类：立式机组[其轴承座全部固定在电站基础上和/或发电机周围的混凝土基坑上(垂直载荷由发电机定子机座支撑)]GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018图4第3类：立式机组的其它示例[其轴承座全部固定在电站基础上和/或发电机周围的混凝土基坑上（垂直载荷由顶盖支撑）]图5第4类：立式机组（其发电机下导轴承座固定在电站基础上，发电机上导轴承座支撑在发电机定子机座上）GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:201865测量方法和工况5.1通则5.1.1轴承座振动测量ISO20816-1给出了测量轴承座振动时应遵循的通用准则，IEC60994提供了现场振动测量的指南，ISO2954规定了应使用的测量仪器，ISO5348提供了加速度计的安装指南，5.2～5.5中给出了进一步的建议。5.1.2转轴振动测量ISO20816-1和IEC60994中描述了应遵循的测量方法，ISO10817-1规定了应使用的测量仪器，5.2～5.5中给出了进一步的建议。5.2测量类型5.2.1轴承座绝对振动对水力机组轴承座绝对振动的测量，通常使用惯性传感器（电磁式速度传感器或积分式压电加速度计）测量振动速度均方根值（RMS）vrms，单位为mm/s。5.2.2径向转轴振动5.2.2.1通则对水力机组相对和绝对轴振动的测量，采用非接触式传感器测量转轴位移峰峰值Sp-p，单位为μm。由于低转速水力机器要求测量很低的频段，所以骑轴式惯性传感器通常不能使用。转轴振动测量不建议采用Smax，见5.4.4。5.2.2.2相对轴振动测量对于相对振动测量，通常将传感器安装在尽可能靠近导向轴承的轴承座上，它们可以直接在轴承轴颈上读数，或者在为限制电气和机械的总跳动量而加工的特定转轴区域（即机械加工的振动测量轴段）上读数。在分段导向轴承的情况下，传感器可以使用导向轴承座作为支撑安装在轴承瓦块之间，或者直接安装在瓦块的顶部，但后两种方法较少使用。应始终注意确保轴振动传感器的固定支架具有足够刚性。否则，测量的信号将不能代表转轴和轴承座之间的相对运动。这一要求可以通过结构的静力分析或通过冲击试验验证振动传感器支撑的固有频率来评估。为消除安装支撑中任何共振的可能性，传感器安装结构的最低径向固有频率应至少在转速频率的10倍以上。如果安装轴振动传感器的支撑结构中存在共振的迹象，则在进行任何信号测量之前必须对此进行处理。此外，安装传感器的结构或轴承座最低径向固有频率应至少10倍于转速频率。应注意遵守传感器制造商规定的任何规范，保持传感器周围的自由空间，避免磁场干扰。在设置传感器和转轴之间的间隙时也应注意，确保其大于最大径向轴承间隙的两倍，以避免损坏传感器。如果电缆在转轴内运行并靠近表面，电感式传感器可能会受到杂散磁场的影响。7GB/TGB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018划痕、凹痕或任何其他表面缺陷很重要。通常为配合轴位移传感器使用会专门加工振动测量轴段，以便将电和机械的组合跳动量限制在非常低的值。理想情况下，用于振动测量的轴段应与轴承轴颈同时加工。5.2.2.3绝对轴振动测量绝对振动位移Sp-p可以使用位移传感器直接测量，其中传感器安装在刚性支撑上，例如，安装在水轮机或发电机坑壁上的刚性钢支撑结构上。绝对轴振动测量并不常见，原因在于提供刚性支撑结构来安装传感器的要求很难实现。另一种可选择的方法是对使用非接触式传感器测量的相对轴振动和使用惯性传感器测量的支撑结构绝对振动进行矢量求和。如果这样做，惯性传感器应安装在尽可能靠近轴振传感器的支撑结构上，以便两个传感器在相同的径向方向上进行测量。然后进行积分计算并考虑振动信号的幅值和相位，得出转轴绝对振动的量值。在非常低的频率下（低于60r/min），复合传感器的稳定性值得担忧。5.2.3轴向轴承振动和转轴振动为了诊断或监测振动的变化以及进行机械评估，进行轴向振动测量是有用的，有时是必要的。这些测量值既可以是相对轴位移，也可以是推力轴承座轴向振动，或两者皆可以。推力轴承轴向振动通常与水轮机水压脉动的轴向效应相关，可能会对推力轴承承载面造成损坏。然而，在连续运行监测期间测量主径向承载轴承的轴向振动并不常见。此类测量目的主要用于定期振动测量或诊断。由于缺乏可用的测量数据，本文件没有给出转轴轴向振动的评价准则。5.2.4不利影响转轴振动和轴承座振动均会受到轴承支撑结构振动的影响。立式机组发电机下导轴承座可能会受到采用锥形支撑或柱形支撑的水轮机顶盖传递的振动影响。在极少数情况下，支撑在嵌入混凝土基础底板上的发电机轴承会受到由基础传递的水轮机力的影响。当存在尾水管激振（如涡流、空穴、漩涡、流动不稳定、流动分离）时，采用混流式水轮机（在极少数情况下也包括轴流转浆式水轮机）的机组在轴承座处的振动值可能较高。经验表明，即使在正常运行工况下，这些激振也可能发生。如果认为存在尾水管激振，则应由振动专家进行另外的研究。5.3测量位置和方向5.3.1通则水力机组振动测量的典型位置如图1～图5所示，更详细的信息如图6和图7所示。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018图6轴振动测量建议位置GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:201895.3.2相对轴振动测量对于所有机器，转轴振动测量应在间隔90°角位置进行。振动传感器位置和方向的选择，应能采集到最大的振动读数。对于卧式机组，振动传感器应水平和垂直布置，因为如果传感器安装在轴承座支撑的两个主刚度方向上，即水平和垂直方向上，可以获得重要信息。或者，传感器可以布置在与垂直方向成±45°的位置，如图6a）所示，其中两传感器位置仍然间隔90°角。对于立式机组，在每个导向轴承处，传感器的布置位置应如下：第一个传感器布置在上游位置，第二个传感器与上游位置成90°（从上方看，顺时针方向，与旋转方向无关）布置，见图6b）。安装在上导轴承和下导轴承上的传感器应彼此垂直排列。5.3.3轴承座绝对振动测量对于卧式机组，理想情况下，应在垂直和水平方向上进行径向测量，如图7a）所示。如果可能，还应在承受推力载荷的轴承上沿平行于轴线的轴向进行测量。如果采用主刚度方向，则可以从轴承座振动的测量中评估重要信息。如果轴承振动测量是在±45°方向上进行的，则不可能获得上面的重要信息。对于具有水平转轴轴线的低速机器，如图2所示的灯泡贯流式水轮机，因为支撑结构为挠性，应非常小心地确定测量位置和方向。对于立式机组，在每个导向轴承处，传感器的布置位置应如下：第一个传感器布置在上游位置，第二个传感器与上游位置成90°（从上方看，顺时针方向，与旋转方向无关）布置，见图7b）。如果可能，每个导向轴承处的传感器应安装在轴承座上或尽可能靠近轴承座，并彼此垂直布置，即在同一垂直平面内。如果同时使用机壳振动传感器和轴振动传感器，则应尽可能靠近安装，以简化机器振动特性的分析。图7更详细地展示了轴承座振动传感器的位置。图7轴承座振动测量建议位置GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:20185.4测量设备5.4.1通则测量设备应至少能够测量机器10倍旋转周期的振幅，这样有足够时间来采集在部分负荷下发生的尾水管涡流振动，这种振动频率通常介于转速频率的0.25到0.33倍之间（莱茵频率）。水力机械评价关注的最高频率通常是与机器相关的最高频率，如公式（1）所示。max[3ZRfrot,3zcfrot].......................................................（1）式中：zR——转轮叶片数量（对于水斗式水轮机，zR是水斗的数量）；frot——机器的旋转频率，单位为赫兹（Hz）；zG——导叶数量（混流式、水泵水轮机、轴流式和灯泡贯流式），或者如果没有动导叶，则是固定导叶数量（对于水斗式水轮机，zG是喷嘴数量）。注：转速频率frot（单位为Hz）与机器转速n（单位为r/min）的关系为frot=n/60。有两个不同的概念不能混淆：——关注的给定机器最高频率取决于机器的特性（转速频率、导叶数量等）；——信号采样频率与振动采集系统有关，采样频率应该足够大，以保证信号良好的清晰度。快速傅里叶变换（FFT）的分析频率应至少为关注机器最高频率的2.1倍。采样频率应根据奈奎斯特-香农（Nyquist-Shannon）定理、数据采集系统的特性和抗混叠滤波器的使用进行选择，采样频率应至少为最大分析频率的2.56倍。推荐的采样频率为最大分析频率的4倍，即zRfrot或zGfrot最大值的8.4倍。5.4.2绝对轴承座振动测量测量设备的性能应符合ISO2954和IEC60994中给出的要求。GB/T×××GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018频率范围。表1轴承座绝对振动测量频率范围水轮机型式最低频率fmin最高频率fmax混流式水轮机0.1frot3zRfrot水泵-水轮机0.1frot3zRfrot轴流转桨式水轮机0.1frot3zRfrota灯泡贯流式水轮机0.1frot3zRfrota水斗式水轮机0.1frot3zRfrotafmax，以与疑似电气现象相符。a对于低转速水轮机（轴流转桨式和灯泡贯流式fmax有时需要增加到3zGfrot。对于水泵水轮机和高水头混流式水轮机，水轮机轴承振动与水头和/或转速密切相关。由于作用在顶盖和蜗壳中无叶片区域的压力脉动，检测到具有高频分量（通常为70Hz～500Hz）的转子-定子相互作用效应是相当常见的。此外，在某些运行工况下，水轮机会受到尾水管激振（湍流、漩涡或空穴现象）的影响，会产生宽带振动频率分量，并传递到支撑结构。为了诊断水轮机的主要部件（转轮、联轴器螺栓、导叶、顶盖、迷宫式密封及带相关螺栓的轴封），往往需要对完整的未滤波信号进行分析。当高频振动的幅值证实不会引起水轮机部件显著的应力水平时，通过协商，这些高频分量可以从整个信号中滤除。对于低于2Hz的频率，在选择要使用的传感器时应格外注意。应特别注意确保测量仪器配备电子补偿，以在指定的频率范围内获得平坦的响应。在低转速频率（<2Hz）的设备上进行测量时，传感器的最小采样频率可以高于0.10frot，但不应高于0.25frot。应该了解任何可能影响测量设备特性和精度的环境因素，包括：——温度变化；——磁场；——声场；——电源电压变化；——传感器线缆长度；——传感器方位；——任何电源线或电源的靠近程度。无论使用何种类型的传感器，都可以对振动信号进行积分或微分，以获得振动速度，以便对照动作限值进行检查，因为振动速度通常是对疲劳失效影响最大的参数。如果测量设备用于诊断目的或检测冯·卡门漩涡引起的振动，则可能需要频率上限高于上述规定的传感器。高于表格中给出频率的测量仅适用于专门研究。数据库中保存的振动速度值以及与机器受损相关的信息已被用于确定附录A中关于轴承座振GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018动的动作限值。5.4.3转轴振动测量测量设备的性能应符合ISO10817-1和IEC60994中给出的要求。测量设备应能够测量静态（DC直流）和动态（AC交流）信号，以确定平均轴心位置和围绕该平均位置的动态位移。数据采集的频率范围如表2所示。表2相对轴振动测量的频率范围水轮机型式最低频率fmin最高频率fmax混流式水轮机0.1frot3zRfrot水泵-水轮机0.1frot3zRfrot轴流转桨式水轮机0.1frot3zRfrota灯泡贯流式水轮机0.1frot3zRfrota水斗式水轮机0.1frot3zRfrotafmax，以与疑似电气现象相符。测量系统的幅值范围应该至少是附录A中规定的动作限值1的4倍。传感器和机加工的振动测量轴段表面的距离应至少设置为径向轴承间隙的1.5倍，以防止意外接触。理想情况下，传感器与振动测量轴段表面的距离应设置在其线性工作范围的中间。转轴振动值Sp-p是通过对至少10个测量值进行平均来计算的，每个测量值至少包含10个转轴的旋转周期。传感器A和B的各自的Sp-p值优先用于转轴振动的测量，而不是用于Smax（见图8）。其原因是，如果转轴振动中包含次同步分量，会导致运动轨迹为非闭合状态，Smax可能得出错误结论。附录A表格中给出的Sp–p值适用于相隔90°布置的两个轴位移传感器。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:20182——传感器A；3——传感器B波形；4——传感器B；x,y——固定参考轴；0——轨迹的时间积分平均位置；K——轴心瞬时位置；S1——轴位移瞬时值；Smax——距离时间积分平均位置0的轴位移最大S(p-p)max位移峰峰值的最大值；SA(p一p)SSA(p一p)S(p一p)=maxSA(p一p),SB(p一p)。注1：在本示例说明图中，当SA(p一p)＞SB(p一p)，SA(p一p)=S(p一p)。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:20185.5运行工况当机器在稳态工况下运行，同时电机定子、转子、轴瓦（或外壳）和油盆均达到其正常稳态工作温度时，才能进行测量。注：就本文件而言，术语“稳态”是指预计流量、水头、转速和净正吸力和/或导叶位置6振动测量评价6.1通则6.1.1振动值的基础ISO20816-1提供了用于评估振动烈度的两个评定准则的一般描述。一个评定准则考虑了宽带测量的振动幅值，另一个评定准则考虑了幅值和相位的变化，不管振动幅值是增加还是减少。当前的文件是基于国际振动数据库的统计分析得到的。该数据库有7000多组数据，包含着世界各地机器的长期运行记录。数据库包含所有类型的水力发电和抽水蓄能机器的测量值，正常情况下每台机器至少有一组以上的测量值。该数据库的主要目的是确定可接受的振动限值，以确保机器的持续完整性和机组的无故障运对数据库中的振动值和所有其他可用参数进行了分析，以确定振动测量与机器损坏的报道之间是否存在相关性分析的目的是确定区域边界值，用于给出后续的措施建议，例如进一步研究或立即停机避免设备损坏。这些区域边界值也可以用于评估机器的当前状态，并识别因机器零部件疲劳导致机器损坏的可能性。曲线拟合过程由软件程序完成，最佳拟合由Burr分布产生。分析步骤的简要描述及应用的回归技术在附录D中给出。从数据库中包含的数据可以清楚地看出，随着机壳和转轴的振动水平增大，被确定为有振动问题的机器的百分比也在增加。在中位值的1.6倍和2.5倍附近，出现问题的概率显著增加。由于这个原因，这些断点可以用于表征潜在问题的风险等级增加，因此在附件A中用于定义区域边界的划分。对数据库的统计分析得出的结论是，振动与转速、水头、功率、转轮直径和径向轴承间隙等设计参数之间没有明显的相关性。现有数据的分析发现很大的分散性。然而，中位值是稳定的，这表明振动值取决于以下因素：——导向轴承的位置；——水轮机的类型；——转轴的方向。表A.1～A.4给出了本文件所涵盖的不同机器类型、轴承位置和转轴方向的各种组合的区域GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018值。这些标准适用于机器在附件A规定的正常工作范围内运行时，在机器轴承支架或轴承座的径向方向上进行的测量量值。当超过附录A表格中给出的动作限值时，应采取补救措施。如果机器没有历史问题，并且自机组首次投运以来振动量值没有变化，则可以允许机器在这些振动水平下连续运行。但是，如果转轴振动量值变化大于25%和/或轴承座振动量值变化大于25%，或者在机组首次投运时振动值较高，建议进行进一步研究。附件C给出了振动高的可能原因。计算和分析可以适用于确定振动水平增加对机器部件疲劳的可能影响，以及对机器预期寿命的不利影响。一般来说，机器的振动状态的总体评价要基于转轴振动测量和非旋转部件测量的两个方面，尤其是轴承座的振动测量结果。6.1.2水轮机运行工况对轴承座振动测量的影响轴承座振动测量可能会受到以下因素的影响：——对于低转速机器(≤60r/min），由于水轮机转轮产生的径向力引起的振动分量很难准确测量。例如，尾水管中水的涡流激发的振动频率可能低于机器旋转频率的0.3倍，因而难以捕捉。——对于高水头机器，水轮机轴承处的径向振动速度与顶盖下方的压力脉动密切相关，与水轮机转轮的径向力无关。其具有高频和大振速的特征，且通常振动位移值较低，从而在结构中产生的应力也较低。对于水泵-水轮机，可能会产生较大的轴承座振动幅值，这是由于转轮的设计中要兼顾水轮机和水泵的最佳设计。这在附录A中给出的水泵-水轮机组的限值中有所体现。6.1.3水轮机运行工况对转轴振动的影响当水轮机在低于或高于附件A中定义的正常运行流量范围运行时，由于转轮下游涡流产生的径向力，具有不可调转轮叶片的水轮机可能会出现大的转轴振动。6.1.4泵的运行工况目前还没有足够的数据可以用来制定机组在泵运行工况下的准则。因此，应谨慎对待附件A中给出的限值，并始终结合轴承直径间隙百分比（以及数据可信时的轴承温度）进行考虑。6.1.5特殊运行工况应注意以下可能引起大幅振动的运行工况：——部分负荷和超负荷的稳态运行工况，以及启机和停机过程中的瞬态运行工况。——罕见的运行工况，例如紧急停机工况、无流量工况、泵工况下失电时泵和水泵-水轮机在投入机械制动时的运行。这些工况下振动测量的评价比在正常运行范围内运行时的评价要困难得多。现在还没有足够的数据来建立这些特殊的运行工况的限值。距额定工况越远的运行工况，水力机械内的流体受到的扰动越大，像涡动和脱流那样的扰动会产生强烈的随机振动。由于水的密度大，水轮机随机激GB/TGB/T××××.5─202×/ISO20816-5:2018因此，水轮机在额定负荷范围以外区域运行时，通常质量不平衡或不平衡磁拉力产生的转轴振动完全被随机振动分量掩盖。特殊运行工况下，由于存在这些很大的随机振动分量，所以应该较少地依赖于轴承座瞬时振动值，而更多地依赖具有代表性测量周期内的平均值。不建议采用瞬时转轴振动最大值Smax或峰峰值Sp-p，而应使用平均值，即在至少10次测量中平均，每次测量包括转轴的10个旋转周期。但是，对于低转速的机器，测量周期不应小于40s。振动数据处理的推荐方法见附录E。6.2准则I：振动量值机器可靠安全的运行要求振动量值应该控制在一定的限值内，这一限值与传递到支撑结构和基础的可接受振动水平保持一致。该准则通常用于评估新机器或检修后的机器。对于需要检修或改造的机器，强烈建议在拆卸开始前进行振动“基线测试”，其可以作为未来的参考。为了准确评估机器的状况和故障的可能性，必须同时进行转轴振动和轴承座振动测量。根据动作限值对从每个轴承支架或轴承座及相对轴振测量中得到的最大振动幅值进行评价。这是为了评估被测机器在稳态条件下以额定转速运行时，其振动可能会产生的有害影响。A.3中给出了可能采取的补救措施。为了与ISO20816系列的其他部分标准保持一致，保留了区域A、区域B、区域C和区域D的概念。然而，从统计数据来看，不可能对区域A（通常用于新交付的机器）和区域B（通常被认为可以无限制的长期运行）进行可靠的区分。因此，区域A和区域B被分组为区域A-B。对于本文件中定义的所有区域，适用于以下条件：——使用传统巴氏合金轴承的导向轴承金属的稳定工作温度应保持在65℃以下；大多数机器的导向轴承金属温度稳定在50℃左右。——使用传统巴氏合金轴承的推力轴承金属的稳定温度应保持在85℃以下；大多数机器的推力轴承金属温度稳定在70℃左右。——高于上述温度可能是可以接受的，但需要供应商提供理由或进行研究。区域A-B：振动值不超过附录A中给出的动作限值1的机器，被认为可以不受限制地长期运行；假设没有其他问题，如轴承温度过高超过上述限值或轴振动位移值大于轴承冷态径向间隙的70%。轴承冷态间隙可以通过在轴承轴颈和轴瓦之间进行直接测量来确定（这是测量圆锥面固定瓦轴承的推荐方法），也可以通过将转轴在至少四个彼此相距为90°的方向顶起的方法来确定。转轴振动大于轴承冷态径向间隙的70%表明机器有可能损坏，应进行进一步研究。区域C：振动值处于该区域表明机器需要进一步研究或采取一些补救措施来降低振动幅值。首先要研究的参数应该是轴承温度以及转轴振动是否大于轴承冷态径向间隙的70%。区域D：振动值处于该区域表明机器有损坏的可能。因此，需要立即采取行动，找出振动幅值大的原因。附录A给出了最常见水轮机类型的动作限值。当机器在附录A的表内规定的正常工况范围内运行时，给出的限值与水头和流量无关。GB/T××××.5─202×/ISO20816-5:2018措施。图9流程图6.3准则II：振动量值和相位的变化6.3.1评估标准这个准则考虑了振动量值相对于先前已建立的基线值发生变化时的评价方法。该分析建立在稳态工况下运行时测量的宽频带振动值。这种振动变化可能是瞬时的，或者是随时间而渐进的。应对振动变化情况进行研究，此时表明机器已发生损坏或危险情况正在发展。与先前测试的基线值（在振动变化前3个月内的测试）相比，振动量值变化超过25%或振动相位变化超过30°被认为是发生了显著变化，尤其振动变化是突然发生的情况。振动发生显著变化时，即使未达到报警限值（见6.4），也需要采取措施。应启动诊断研究，以明确变化的原因，并确定适当的进一步处理措施。无论振动量值是增加还是减少，上述给定的振动测量值25%的变化都应被视为显著变化。振动测量值25%的变化只作为一个指导，但是对于特定机器或电站，也可根据经验采用其他值。为了应用准则II，应了解机器在所有可能的工况下的历史振动状况。关于这一要求的更多信GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018息见附录B。6.3.2测量的先决条件以下是确定振动量值或相位是否发生变化所必需的先决条件：——应在相同的传感器位置和方向上，并在近似相同的水力工况下，使用相同的振动测量设备进行振动测量。——所使用的监测设备应能够识别单一频率分量的振动幅值或相位是否发生了变化。——水力机械的振动可能会由流体力、电磁力、机械力或其他力引起。但是，振动通常主要是由流体力引起。当机器在水轮机特性曲线上不同的工况点运行时，流体力可能会发生显著的变化。因此，监测设备应能够记录至少水轮机运行的两个特征参数，如水头和流量（或导叶开度）或水头和输出功率；不同时间振动的比较应在类似的稳态运行工况下进行。6.3.3与发电机相关的特殊建议在某些情况下，运行中的定子或转子几何形状不规则或变形，会导致发电机气隙的变化，从而引起发电机磁拉力的不平衡。建议将振动测量与气隙的测量相结合，有助于识别振动源，并可能揭示随着时间推移影响机器完整性的情况。6.4运行限值6.4.1报警和停机长期运行中，通常的做法是确定振动限值，以设置报警值和跳机值。报警值：警示振动已经达到规定值，或者发生了重大的变化，这时可能需要采取补救措施。通常出现报警情况后，机组还可以继续运行一段时间，以便查明振动变化的原因。停机值：超过这个规定振动值继续运行会导致机器损坏。如果振动超过停机值，应该立刻采取措施以降低振动，如降低负载或立刻停机以限制或防止机器损坏。同时，应立即研究分析振动达到跳机值的原因。针对不同运行模式（水轮机、泵），由于动载荷的差异，报警值和停机值的设置值通常也不相同。对不同的测量位置和方向也可以采用不同的报警值和停机值。如6.4.4所述，在启动和停机过程中，特别是在部分负载下工况下运行时，可能会出现高振动值，因此有时会解除报警和停机信号。6.4.2报警值的设定对于同一电站的不同机器，报警值可以不同。为特定机器的每个测量位置和方向选择的报警值通常是相对于运行经验中得到的基线值来设定的。建议在没有任何其他基线值的情况下，将报警值初始设置为区域（A-B/C）边界限值1。如果已知基线值，则报警值的初始值应设置为基线值之上的20%。如果基线发生变化（如机器大修或检修后），应重新建立适当的报警值设置。GB/TGB/T××××.5─202×/ISO20816-5:2018动和轴承座振动，建议将这两种信号都设置报警功能。6.4.3停机值的设定应设置停机值以保护机器的机械完整性。合适的停机值选择取决于某些特定的设计性能，这个性能是指机器能够经受非常规或大的动载荷作用的能力。通常停机值高于区域边界（C/D）限值2。建议按如下方式选择停机值：——轴承座振动的停机值取附录A中给出的区域边界（C/D）限值2的1.25倍。——转轴振动的停机值取附录A中给出的区域边界（C/D）限值2的1.25倍或70%轴承冷态径向间隙中的较小值。但只要轴承金属温度保持在正常范围内，轴承座振动保持在限值1以下，停机值高于70%轴承冷态径向间隙也是可以接受的。如果机器上同时测量了转轴振动和轴承座振动，建议将这两种信号都设置停机保护。6.4.4特殊运行工况附录A表格中给出的值适用于给定水轮机正常运行工况内的稳态运行。当机组在正常负荷范围以外运行或在瞬态工况运行时，可以暂时解除报警和停机功能，例如使用定时器。如果在这些工况运行期间机器也要监测，必须按照机器试运时可接受的最大振动值选择第二组报警值和停机值。6.5转轴振动和轴承座振动结果比较重要的是要认识到，没有一个简单的方法把轴承座振动和转轴振动联系起来，反之亦然。因此，当同时使用轴承座振动和转轴振动来评估振动严重程度时，应使用两个独立的振动测量系统，一个用于转轴，另一个用于轴承支架或轴承座。转轴振动和轴承座振动的同时测量可以建立两种振动测量值之间的关系，也有助于得出作用在被测机器上的力的大小。6.6基于振动向量信息的评估本文件给出的准则仅限于宽频带振动测量，并未涉及到测量信号中各频率振动分量以及单一频率振动信号的相位。大多数情况下，这对验收试验和运行监测是足够的。然而对长期状态监测和诊断，振动矢量信息，即幅值和相位的使用对于检测和确定机器动态变化是特别有用的。某些情况下如仅用宽频带振动测量，不能检测到这些变化。气隙变化可能会导致磁拉力的显著不平衡，如果安装了气隙监测设备，则应根据转轴振动和发电机气隙变化之间的相关性进行评价。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018（规范性）评价区域边界值A.1振动限值“限值”的概念只是简单意味着，在某些统计值之外，供应商需要完成验证该限值是机器可接受的，如A.3.1和A.3.2。这就避免了振动统计数值的僵化的解释/应用。振动大于统计值可能是完全可接受的（前提是满足轴承的工作温度可接受等条件但这需要得到证实，从而产生了“限值”的概念。表A.1～表A.4给出了评价区域边界的振动限值。限值仅适用于每个表中定义的正常运行范围内运行的水轮机。表A.1、表A.3和表A.4中提供的泵振动标准适用于在额定容量下工作的泵。任何扩大限值以覆盖更大运行工况范围的要求都应得到供应商和客户的同意。限值1对应于振动统计分布中位数的1.6倍，限值2对应于中位数的2.5倍。根据对数据库的分析，考虑到如果机器在此轴承座振动和/或转轴振动水平或以上连续运行，可能会导致机器损坏的统计概率，确定了各种类型卧式和立式水轮机适用的中位值。达到或超过表A.1～表A.4中给出的值，则应进行进一步研究或采取A.3中给出的缓解措施，以避免造成损害。限值适用于表1中给出的频率范围内的轴承振动速度值，以及表2中给出的频率区域内的轴位移峰峰值。5.4中给出了关于振动测量持续时间的建议。对于给定的机器，如果限值2的统计值超过轴承冷态径向间隙的70%，二者的取值则需要供应商和客户双方协商调整。表A.1～表A.4中使用的缩写为：TorP——水轮机或泵导向轴承；GE-DE——发电机驱动端轴承；GE-NDE——发电机非驱动端轴承。在表A.1～表A.4中，列标题首先是相对轴振动位移峰峰值Sp–p，单位为μm，其次是绝对轴承座振动速度有效值vrms，单位为mm/s。A.2规定限值的应用和措施对于新机器或检修后的机器，根据供应商和客户之间的协议，转轴振动和轴承座振动可以使用不同的限值。某些机器可能已被指定和设计为在区域C和区域D内可以安全连续运行。如果是这样，则附GB/T×××GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018应确认此类机器在区域C或区域D连续运行是安全的。挠度是准静态情况下导致应变和应力的主要原因（即时间衰减现象，但由于速度足够慢，惯性效应可以忽略不计）。振动速度值（机壳）在某种程度上是一种“归一化”的挠度。一般来说，很大振动速度的过谐波分量不一定是有害的，并且可以对应于可接受的挠度，因此不需要过于担故障的发生）的评估中得出的。收集的统计数据显示，当超过这些限值表A.1第1组机器的区域边界限值：安装有座式轴承或端盖轴承的卧式机组相对轴振峰峰值Sp-p/µm轴承座振动有效值vrms/（mm/s）TT相对轴振峰峰值Sp-p/µm轴承座振动有效值vrms/（mm/s）TT相对轴振峰峰值Sp-p/µm轴承座振动有效值vrms/（mm/s）PPa表A.1中关于卧式水斗式机组的备注：——表A.1中所示的限值通常是机组在100%额定功率下的限值。在这种运行工况下，对于振动速度有效值（mm/s），主频应为旋转频率或水斗通过频率。如果不是这样，则需要根据A.3.2中给出的区域C/D限值和/或其他可选的额外措施进行进一步研究。——已经给出了T和GE-DE轴承座绝对振动的限值，覆盖具有悬臂水轮的两轴承组和三轴承组结构。对于三轴承组，T和GE-DE轴承都应符合组合栏中给出的限值。在四轴承布置中，两个水轮机轴承应使用T轴承栏中给出的限值。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018表表A.2第2组机器相对轴振峰峰值Sp-p/µmTT卧式灯泡贯流式的正常运行范围：额定功率的30%～100%。表A.3第3组机器的区域边界限值：顶部轴承座支撑在电站基础和/或发电机周围的混凝土上的立式机器TT立式混流式的正常运行范围：额定功率的70%～100%。TT立式水泵-水轮机正常运行范围：额定功率的70%～100%。PP立式轴流转桨式正常运行范围：额定功率的30%～100%。TTPPbb行（例如，六喷嘴机器上有两个或三个活动喷嘴，四喷嘴机b由于缺乏统计信息，对于这些单元，立式泵每个轴承处的限值，可以通过立式水泵-水轮机轴承的限值的等比率计算得到，比率为立式泵轴振限值/立式水泵-水轮机轴振限值，例如，立式泵GE-DE轴承的限值1），GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018表A.4第4表A.相对轴振峰峰值Sp-p/µmTTb相对轴振峰峰值Sp-p/µmTTbb相对轴振峰峰值Sp-p/µmPPbb相对轴振峰峰值Sp-p/µmTTb相对轴振峰峰值Sp-p/µmPPbaA.3超出限值时应采取的措施A.3.1限值1如果轴承座振动或转轴振动的测量值超过限值1，则应考虑采取以下研究措施。a）建议采取的措施：——如果轴承座振动速度值超过限值1，则应对轴承座振动进行FFT分析。如果FFT后任意频率的振动峰值大于速度值限值1×（fpeak/frot），则应确定其根本原因。——如果转轴振动峰峰值Sp-p超过限值1，则应进行FFT分析，以确定问题是否与不平衡、不对中、油膜不稳定等有关。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018——如果超过转轴振动限值，则测量机器所使用轴承的间隙值。————宜检查平衡状态或旋转部件。——宜进行轴心轨迹分析。——宜评估轴承中的转轴中心线偏移。——宜检查支点和轴瓦的接触区域是否存在微振磨损、过度磨损或损坏。——宜检查瓦块和轴颈的磨损情况。——宜对基础和支撑结构进行目视检查。——宜检查连接机器到基础上的紧固件的松紧度。——宜检查轴瓦温度。——宜检查轴承油盆温度。——宜检查测量仪器的安装情况。——宜检查转轴上振动测量轴段的状况——宜测量流道中的压力脉动。——宜检查空气喷射阀（如已安装）的工作是否正常。——宜检查导叶开度的一致性。b）促进分析振动原因可能采取的其他措施：——可对轴承润滑油进行分析——可在发电机或发电电动机上进行静态和动态气隙测量。——可进行轴对中检查，即检查同心度、垂直度和轴跳动。——可在发电机或发电电动机未加励磁和励磁的情况下进行测量。——可通过在不同工况下进行振动测量来查看功率的影响。——当机器未进行制动，自由惰走到静止的过程中可进行振动测量。——可检查测量仪器受到电气干扰的可能性。——可使用具有频谱分析能力的积分声级计进行噪声测量。——可检查轴承座固定螺栓的紧固性。——可检查轴承座的刚度。A.3.2限值2如果轴承座或转轴振动的测量值超过限值2，则可能会采取以下额外的研究措施（相比超出限值1时的额外措施）。a）建议采取的措施：——对水力发电机组进行全面的目视检查，宜查看：——脱水后的流道；——发电机和水轮机机械部件是否有裂纹；——部件移动的证据，如磨损后的粉尘。——宜检查转轮与联轴器螺栓的紧固性。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018——宜检查水轮机转轴与发电机转轴联轴器螺栓的紧固性。——宜检查转子星形联轴器螺栓的紧固性。——宜对关键部件进行无损检测。——宜对轴承载荷进行测量。——在轴承内安装压力传感器；——在轴承结构上进行应变测量。——宜确定部件是否承受高应力。b）降低机器部件过早失效风险的可能其他措施：——可对每个轴承座进行模态分析（实验法和分析法）。——可研究动态载荷和应力对部件疲劳寿命的影响。——可根据6.3进行趋势分析。对于其他相关评估，可以根据ISO13373-7中给出的诊断流程进行。A.4振动测量评价示例本文件根据水力机械制造商和用户的经验，给出了轴承座绝对振动和相对轴振动推荐的限值。限值是基于对振动数据库的统计分析得到的。由于一系列运行参数对振动水平的影响，确定水力机组振动限值并不容易。运行工况对振动的强烈影响如图A.1所示，该图显示了转轴振动长期测量的结果。从图A.1可以看出，即使在固定的功率输出下运行，转轴振动数据也会有很大的变化。这是因为水头和流量的变化导致了水力状态的变化。X——有功功率，单位为兆瓦（MW）；Y——最大轴振动位移值，Smax，单位为微米（um）；SSUM——整体取值；Sln——一倍频分量；SRW——残差分量。图A.1某220MW混流式水轮机导向轴承两个月内测量的最大轴振动位移Smax与有功功率的关系数据库中可用的大多数值都是通过在机器的额定工况或附近运行时进行振动测量得到的。因GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018不可能在机器的整个运行工况范围内提出振动限值的推荐值。本附录中提供的限值仅适用于不可能在机器的整个运行工况范围内提出振动限值的推荐值。本附录中提供的限值仅适用于表A.1～表A.4中给出的正常运行范围。可以使用表A.1～表A.4中给定的限值来判断机器在正常工况范围内运行时的性能是否令人满意。图A.2显示了当前振动数据库中所有混流式水轮机的统计分析结果。从中看出，转轴振动Sp-p和转速之间没有相关性。人们也进行了类似的尝试，试图找到振动与机器的外形尺寸或水轮机水头的相关性，但没有成功。X——同步转速，单位为转每分钟（r/min）；）；——发电机导向轴承NDE（非驱动端）；——发电机导向轴承DE（驱动端水轮机导向轴承；图A.2混流式水轮发电机组转轴振动统计分析GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018（资料性）振动监测——趋势分析的先决条件B.1通用信息和建议标准监测系统用于长期测量和存储水力发电机组的振动数据。这些测量结果表明，所收集的数据存在较大的分散度。这是由于许多不同的运行工况，包括不同的水头和流量、功率（有功和无功）的变化以及不同的轴承和发电机运行温度导致的。从这些分散的数据中无法得出可重复的、有代表性的参考曲线，因此也无法对正常振动量值进行可靠的评价。图B.1显示了从长期测量中获得的转轴振动数据与水泵-水轮机功率典型的散射图。）；fn——旋转频率（基频）；b——总和。图B.1某水泵-水轮机各转轴振动分量的示例，残差和总和图B.2显示了某不同的水泵-水轮机以水轮机方式运行时轴承座绝对振动与水头的关系图（与图B.1的测量结果相比）。从中看出，测量结果也显示出广泛的分散性。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018Y——轴承绝对振动有效值，单位为毫米每秒）；——发电机上导轴承振动有效值；——发电机下导轴承振动有效值。图B.2某水泵-水轮机以水轮机方式运行中轴承座振动示例数据分散的一个原因是水头和流量运行参数的变化。机器在水轮机性能曲线（见图B.3）上的不同工况点会产生不同的流体力。机组的振动特性也可能是由电磁力、机械力以及轴承或发电机定子和转子的温度变化引起的。但是，流体力是水力机械振动的主要来源。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018——效率/最佳效率；——可视化空穴；图B.3某水泵水轮机典型的性能曲线这种大的数据分散性对诊断没有帮助。为了进行趋势分析，有必要在测量振动数据时搜集和存储机器的运行工况。通过适当选择两个或多个参数（特别是有功功率和无功功率、水头和流量可以获得更清晰的典型振动数值。图B.4中给出了一个例子，其中图B.2中的轴承座振动数据与恒定水头和转速下的输出功率有关。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018）；Y——轴承绝对振动有效值，单位为毫米每秒）；——发电机上导轴承振动有效值；——发电机下导轴承振动有效值。图B.4如何通过参数组合产生可用数据的示例B.2轴承振动的基本物理定律本文件是基于导向轴承支撑结构中振动水平和应力水平之间的物理相关性进行分析。同时假设水轮机的圆周速度对于所有类型的反击式水轮机都是恒定的。这些假设的结论如图B.5所示。）；）；3——轴承座振动速度有效值，单位为毫米图B.5转轮尺寸、振动位移和转速之间的关系分析表明，数据库中轴振动位移值和轴承座振动速度值与任何记录的参数都不相关。然而，GB/TGB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018应力之间存在关系。其他可以识别的相关性如下：——水轮机导向轴承的支撑结构尺寸与转轮直径成正比；——发电机导向轴承的轴承座尺寸与发电机转子直径成正比；——如果所有轴承座具有相似的设计标准和材料特性，胡克定律意味着其允许应变是恒定的。然而，由于应变和位移与尺寸相关，因此增加尺寸可以产生更大的位移。所以，允许的位移值与水轮机或发电机的直径成正比；——先前的研究表明，对于所有类型的反击式水轮机，水轮机的圆周速度近似恒定。这意味着转速与水轮机转轮的直径成反比；——主振动频率仅与旋转频率分量有关。此外，水轮机在特定转速下可能会受到重大影响（相同的转速和转轮尺寸，但功率和运行水头相差很大）。如果主振动分量频率与旋转频率不一致，则不存在上述相关性。综合结论是，大型机器会经历低转速频率下的高偏转，而小型机器则会经历高转速频率下的小偏转。然而，支撑结构中的应力水平对于所有机器尺寸都是相等的，因此振动速度是恒定的。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018（资料性）水力机组轴承座振动和转轴振动的特点C.1引言ISO20816-1中阐述了轴承座和转轴振动的力学原理。其中提供的信息主要来自于对卧式机器广泛频谱的理论和实验研究成果。但使用立式机器在水力机械中更为常见。对于水力机械，轴承座振动和转轴振动可以在很宽的频率范围内发生。C.2～C.6中描述了振动产生的可能原因。C.2源于机械和电气的振动频率在进行振动测量时，可能出现的频率是与机组转速同步的频率及其谐波频率。C.3机械原因机械振动的典型原因有：——轴线不对中；——轴承不对中；——机器各联接面紧固螺栓松动；——轴瓦调节顶升螺丝松动——混凝土基础损坏或开裂；——不同方向轴承座刚度存在差异——油膜失稳；——摩擦力；——水轮机转轮或叶轮的残余不平衡；——发电机和/或励磁机转子的残余不平衡。C.4电气原因电气振动的典型原因有：——不平衡磁拉力；——电机气隙不均匀，可能引起轴承座呈现倍数转速频率的振动；——由于磁致伸缩力的作用，定子铁芯会出现两倍电网频率的振动。这些力很少传递到转动GB/TGB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018由定子支撑时（第4组机器），振动可以传递到发电机非驱动端轴承座；——凸极发电机转子绕组匝间短路；——不平衡电气负载；——多匝定子绕组匝间故障；——励磁线圈匝间故障。C.5水力原因C.5.1流经流道的水流的显著频率可能出现的频率包括转速频率、叶片或水斗通过频率以及这些频率的各种组合。C.5.2尾水管流动不稳定当机组在最佳工况范围之外运行时，单调节水轮机中会出现尾水管流动不稳定。例如混流式水轮机或轴流定桨式水轮机。在部分负载下可能出现的脉动频率低于转速频率，通常为转速频率的三分之一或四分之一。过载条件下（“过门控”）可能出现的脉动频率取决于转轮下方高负载涡流与流道固有频率的相互作用。在部分负载和过载时，都会发生与水力结构（管道）或管网固有频率的共振，从而增加振动幅值。C.5.3空穴当转轮或叶轮叶片周围存在不合理的流态时会引发空穴，且大多发生在较低和较高的负载和/或较低和较高的水头工况。在发生空穴的地方，可以预期会出现多个高频振动，以及高频时域中的强烈加速度尖峰，其脉冲宽度在10μs～100μs的量级。C.5.4自激振动自激振动发生在机械部件（如密封件或导叶）的移动能影响周围或流经它的水流的地方，例如存在较大密封间隙的地方。可能出现的频率接近转动系统的弯曲固有频率。C.5.5水力激励振动在部分负载或过载运行的立式机器中存在液压涡流，可能会导致很大的振动。如果机器的设计符合这些特定的运行工况，那么在高振幅下持续运行是可以接受的。或者说，这些高振动值在有限的运行时间内是可以接受的。C.6附加激励与大多数其他发电设备相比，水电机组可以经常启、停机，功率可以迅速频繁地改变。因此，通常用于电网调峰、调频和控制功率。这些频繁的启、停机和载荷变化意味着水力机械会受到更强的振动、应力和疲劳的影响。对于调峰或抽水蓄能机组，瞬态运行工况出现得更频繁，以至于振动增大的运行时间大于整个运行时间的10%。这些频繁的瞬态工况需要根据厂家和运行人员凭GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018关部件的附加应力和疲劳问题进行分别评估。借经验，对机组轴承和其他有关部件的附加应力和疲劳问题进行分别评估。在启机和停机这些瞬态运行工况下，附加激振力与转轮相互作用，产生了宽频谱和高振幅的振动。在这些瞬态条件下，径向力增大导致轴位移增加。在导叶操作机构故障或进水口闸门紧急关闭故障导致失控等极端情况下，这种宽带激励的强度会进一步增加。甩负荷期间，轴流转浆式水轮机可能会受到尾水管不稳定的影响，而产生相当大的次同步轴承振动。此工况下（特别是机组仅有两个径向轴承时），在停机惰走时，会出现一个或多个转子固有频率下的转子振动。水力机组的各种激振产生的轴心轨迹曲线通常是不封闭的。甚至在稳态运行工况，径向水力作用可以导致螺旋形或多边形轨迹，其形状和大小各不相同。流道中的固有水力频率可能会被负载变化或湍流激发，并可能因压力脉动而导致过大振动。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018（资料性）数据库、分析方法和统计学评估D.1转轴和轴承座振动测量值的收集本文件对所获得振动数据的评估是基于将振动数据和机器状态或对疲劳寿命可能影响的综合考虑。在开始进行本文件的工作时，启动了一个新的数据库，作为评估振动及其对机器完整性和寿命影响的基础。这个振动数据库包含世界各地目前运行机器的7000多个数据集以及其他信息，包含不同功率和转速的机组、不同类型的水轮机和所有机器布置的数据。开发了一个统计学评估程序来得出相关性和结论。图D.1显示了为轴承座振动评价收集的这些数值。图D.2显示了转轴振动的数值。这两组数据都显示为机器功率的函数。Y——轴承座振动速度有效值，单位为毫米每秒）；——发电机自由端轴承；——发电机驱动端轴承；——水轮机；——泵；----平均值：0.88mm/s；92.5%概率：2.60mm/s；————98%概率：3.34mm/s。图D.1轴承座振动速度有效值GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018）；——发电机自由端轴承；——发电机驱动端轴承；——水轮机；——泵；————平均值：156.04µm；——92.5%概率：355.17µm；————98%概率：440.14µm。图D.2转轴振动位移峰峰值D.2统计学评估统计学评估的目的是找到一个可以拟合测量数据集的概率函数。即使数据量不足，良好的概率分布也能使用数据库。每个测量的振动值都被假设为随机变量，因此形成一个连续分布的样本。然后通过将频率值分配给相等距离的间隔来离散样本，以形成直方图。很明显，所有样本都有正偏态，因此右侧的尾部比左侧长，大部分值位于平均值的左侧。通过软件程序进行曲线拟合过程，发现最佳拟合由伯尔（Burr）分布产生。Burr分布用于各种领域，如可靠性研究和故障时间建模。与Weibull和Rayleigh等其他故障时间分布不同，Burr分布包含两个形状参数。这使得Burr分布在拟合数据样本时更加通用。图D.3是振动速度拟合的Burr分布，还显示了众数、平均值和中位数。中位数是一个测量值，将数据集中的大半部分和小半部分分开。平均值是根据测量数据集计算得到的。众数和中位数取自概率密度函数，即Burr分布。由于该分布具有正偏态，众数（分布的峰值）位于中位数的左侧。数据库中标记为有振动问题的机器的百分比随着轴承座振动和转轴振动的增大而增加。在中位数2.5倍左右的取值下，据报道存在振动问题的机器数量显著增加。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018）；图D.3振动速度拟合的伯尔分布图D.4至图D.6给出了中位数（参考值）的1.6倍和2.5倍边界。中位数，也就是50%的概率值，转轴振动和振动速度的中位数可计算得到。振动限值可以从中位数的1.6倍和2.5倍中选取，其合理对应于75%和90%概率。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018X——位移峰峰值，单位为微米(μm图D.4Sp-p值的中位数1.6倍和2.5倍边界分析表明，中位数的2.5倍限值约对应20%的故障机组。该方法对伯尔分布的精度高于90%。为了保证机器在正常运行工况下安全可靠运行，振动值应保持在一定的限值以下。根据ISO7919-5:2005和ISO10816-5:2000，限值由区域边界值定义。根据这些标准，区域边界之间的比例是通过专家之间的讨论得出的。参考值的1.6倍对应于水轮机振动幅值的增加，会导致机器振动状态发生本质变化。参考值的2.5倍对应于机器振动状态的显著变化，可能会对机器造成损坏。为便于进行有意义的统计分析，将混流式和轴流转桨式机器相结合，图D.5和图D.6显示了使用数据库进行分析的结果。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018）；——正常；——故障；——中位数；——故障百分比。图D.5立式混流式和轴流转桨式水轮机的水轮机导向轴承Sp-p中位数1.6倍和2.5倍边界）；——正常；——故障；——中位数；——故障百分比。图D.6立式混流式和轴流转桨式水轮机的发电机导向轴承Sp-p中位数1.6倍和2.5倍边界GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018（资料性）振动数据处理推荐规范E.1通则对于轴承座振动测量，建议使用一个具有代表性测量周期的均方根值，而不是任何瞬时值。对于转轴振动测量，通常通过对至少10个观测值进行平均来确定Sp-p值，每个观测值至少包含10个轴旋转周期。但是，如果Sp-p平均值高于附录A中提供的统计值，则建议使用百分位数分析而不是瞬时振动Smax或Sp-p值，以消除可能的孤立尖峰影响(详见本附录)。应根据相对轴振动和绝对轴承座振动对机器的振动状态进行总体判断。E.2时域数据合理滤波时域数据滤波将获得的数据简化为简单的特征值以识别长期趋势，然后可以轻松地在不同机组、不同运行工况和日期之间进行比较。a）峰峰值常用于轴位移测量。原则上，特征值为记录时间内的最高值减去最低值，建议进行统计分析来消除尖峰，如果不这样做，在测量期间发生的单个事件和干扰将导致对轴位移值的高估。b）Smax是轨迹的最大振幅，它是通过两个正交传感器的输出生成一个特征值而导出的。与峰峰值一样，建议进行统计分析来消除尖峰，否则，在测量期间发生的单个事件和干扰将导致对轴位移值产生过高估计。c）均方根值通常用于轴承座绝对振动，而不用于轴位移。从处理前的信号中去除直流分量后，均方根值由公式（E.1）给出：式中x1、x2、…，xn——单个信号分量；n——信号分量数量。E.3频域数据合理滤波转换为频域的测量信号通常用于诊断目的。FFT用于识别离散频带信号的振幅和相位。合理的频率分辨率取决于测量的持续时间。每一个离散频带中都可能包含不同的事件，由于一个事件可能影响相邻的频带，因此必须仔细解读振幅和相位。通过一种更复杂的算法（瓦特计法[19]），可以找到关于单个频率信号真实振GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018幅和相位的精确信息。E.4峰峰值评价详细信息E.4.1评价方法均方根（RMS）法、快速傅里叶变换（FFT）法和瓦特计（Wattmeter）法均为对测量信号进行平均的方法。然而，峰峰值对尖峰很敏感，并且随着测量持续时间的延长和数据采集频率的提高而增加。一种常见的方法是使用95%置信区间，这对定常现象和随机现象的测量都很有效。理想情况下，如果只有不平衡存在，转轴振动测量应该给出正弦信号，由于其它影响，信号中有高阶正弦分量。然而，由于测量轴段中的电气干扰或机械缺陷，总是会有噪声影响测量结果。为了研究这种噪声对转轴振动测量的影响，将不同机组的数据进行了比较。使用一组包含65536个数据点的时间序列，涵盖130至160转/分的机器。进行了以下分析：——95%置信区间（假设为高斯（Gauss）分布）；——所有65536个数据点的峰峰值；——16个子集的平均峰峰值，每个子集包含4096个数据点（测量至少10个轴旋转周期——97.5%（全部65536个数据点按升序排列，去除1.25%的最高值和最低值，然后计算剩余数据集的峰峰值）；——将数据进行巴特沃斯（Butterworth）8阶低通滤波至转轴转速频率的10倍，然后计算滤波后数据集的峰峰值。已考虑的六个测试案例：1）白噪声模拟（高斯（Gauss）分布，σ=10μm）。2）完美的1n转轴振动模拟（振幅为1.0μm的正弦信号）。3）只有轻微噪声的转轴振动信号。4）在部分负荷下，伴随着大量尾水管激振的轴振动，频率约为0.2n。5）测量轴段有刮痕的转轴振动。6）带有信号噪声的转轴振动。研究结果如表E.1所示。表E.1分析结果案例峰峰值95%置信区间子集的平均峰峰值97.5%巴特沃斯8阶低通滤波μm峰峰值%83.5488654正弦信号2.0轻微噪声65.6938488尾水管振动224.3898296振动测量轴段有刮痕，深度约20μm90.092977373噪声166.374907071GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018E.4.2主要结果E.4.2.1通则主要结果如下：——当与转轴振动相比只有少量噪声存在时，95%置信区间给出的值高于整个数据序列的峰峰值。——当存在噪声时，峰峰值分析给出的特征值过高。——数据的97.5%和低通滤波均将噪声影响降至最低。百分位数分析对用户错误不灵敏，可能是被测试的测量值中使用的最稳健的算法，以此作为轴振峰峰值评价的基础。E.4.2.2标准差评价只有当高噪声覆盖振动信号时，才应使用这种方法。根据公式（E.2）计算记录信号的标准差σ:式中：n——记录的测量数据数量；xi——记录的第i次测量值；x-——记录测量值的算术平均值。置信区间取决于标准差乘以因子，例如，±2σ的因子给出了95%置信区间，如图E.1所示。——95%；——99.7%。图E.1标准差σ的倍数与置信区间关系E.4.2.3子集（平均）峰峰值记录被分成（重叠的）子集或子窗口，每个子窗口的长度应至少覆盖10个轴旋转周期。在每个子窗口计算绝对峰峰值。代表值见图E.2。GB/T××××.5—202×/ISO每个子窗口计算绝对峰峰值。代表值见图E.2。重叠子窗口；——子窗口最大值：270μm；——子窗口97.5%置信区间：266μm；——子窗口平均值：252μm。图E.2子窗口峰峰值计算结果（按升序排列）E.4.2.4百分位数记录被转换为直方图并添加到百分位数曲线中，然后根据所选的置信区间删除百分位数的高值和低值，见图E.3。GB/T××××.5—202×/ISO20816-5:2018X——位移峰峰值，单位为微米(μm）；）；）；注：记录数据（上部蓝色）已被转换为直方图（下部绿色），图E.3滤波后结果（删除高值和低值）GB/T××××.5—202×/ISO20816-5: