［摘 要］ 通過(guò)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)機(jī)理的調(diào)查研究，提出了水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的一般特征，并由振動(dòng)特征判別振動(dòng)原因。

　　水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是水電站存在的一個(gè)普遍問(wèn)題，有設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等方面的原因。運(yùn)行中的機(jī)組都存在不同程度的振動(dòng)，但這種振動(dòng)是不可避免的，所以電站只能在一定的條件下將振動(dòng)盡量地減小，使振動(dòng)值限制在允許的范圍內(nèi)，當(dāng)振動(dòng)超過(guò)規(guī)定的允許值時(shí)，便會(huì)影響機(jī)組的供電質(zhì)量、安全運(yùn)行和機(jī)組的壽命，需及時(shí)找出原因并采取措施消除。

一、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)主要特征
水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)都屬于有阻尼受迫振動(dòng)，按其形式可分為受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，受迫振動(dòng)是由于干擾力引起的，而干擾力的存在與否跟振動(dòng)無(wú)關(guān)，即使振動(dòng)停止，干擾力也仍然存在。自激振動(dòng)中維持振動(dòng)的干擾力是由物體運(yùn)動(dòng)本身產(chǎn)生或所控制的，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止，干擾力也就消失。根據(jù)干擾力的不同形式機(jī)組振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、水力振動(dòng)及電磁振動(dòng)。

1．機(jī)械方面
機(jī)械振動(dòng)的干擾力源是機(jī)組的機(jī)械部分，主要有以下幾個(gè)部分。
（1）轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡 由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)子重心與軸心產(chǎn)生一個(gè)偏心距。當(dāng)主軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于失衡質(zhì)量離心慣性力的作用，主軸將產(chǎn)生彎曲變形。角速度越大主軸變形也就越大，振動(dòng)也越嚴(yán)重。當(dāng)角速度接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)增大產(chǎn)生共振。其主要特征為振幅敏感地隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速變化，振幅一般與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，且水平振動(dòng)較大。

（2）機(jī)組軸線不正 在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最理想的是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線三者重合，最不理想的是機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心與軸線不重合的狀態(tài)。介于二者之間的是旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)組中心重合，機(jī)組軸線不正的主要表現(xiàn)形式是軸線與推力軸承底平面不垂直，由于機(jī)組轉(zhuǎn)子的總軸向力不通過(guò)推力軸承中心，就產(chǎn)生一個(gè)偏心力矩。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，偏心力矩也同時(shí)旋轉(zhuǎn)，使各支柱螺栓受脈動(dòng)力，其脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同，從而產(chǎn)生推力軸承各支柱螺栓的軸向振動(dòng)，轉(zhuǎn)子也就隨之產(chǎn)生振擺。軸線不正，也是引起徑向振動(dòng)的原因。其特征為機(jī)組在空載低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，機(jī)組便有明顯振動(dòng)。

（3）軸承缺陷 在運(yùn)行中當(dāng)導(dǎo)軸承松動(dòng)，剛性不足，導(dǎo)軸承間隙過(guò)大，運(yùn)行不穩(wěn)而潤(rùn)滑又不良時(shí)，就會(huì)發(fā)生干摩擦，引起反向弓狀回旋，即橫向振動(dòng)力，其方向和軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，頻率相同。導(dǎo)軸承間隙過(guò)小，會(huì)把轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)傳給支座和基礎(chǔ)，導(dǎo)軸承間隙過(guò)大，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)大。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件相碰（或摩擦）所引起的機(jī)組振動(dòng)，其特征為振動(dòng)較強(qiáng)烈，并常常伴有撞擊聲；軸承間隙過(guò)大、主軸過(guò)細(xì)、軸的剛度不夠所引起的振動(dòng)，其特征為機(jī)組振幅隨機(jī)組負(fù)荷變化較明顯。

2．水力方面
（1）水輪機(jī)進(jìn)入流道蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)均會(huì)產(chǎn)生旋渦，形成渦帶進(jìn)入轉(zhuǎn)輪引起機(jī)組振動(dòng)，其主要特征為振動(dòng)隨機(jī)組運(yùn)行工況變化而變化，且時(shí)而明顯，時(shí)而消失。若是因蝸殼中的不均勻流場(chǎng)所引起的振動(dòng)，其振動(dòng)頻率可表示為：

并且，這類振動(dòng)多半發(fā)生在高比速軸流式水輪機(jī)中；若是因?qū)~中的不均勻流場(chǎng)所引起的機(jī)組振動(dòng)，則多半發(fā)生在低比速水輪機(jī)中。該類水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪離導(dǎo)葉很近，導(dǎo)葉中的不均勻水流對(duì)轉(zhuǎn)輪影響很大。
（2）由轉(zhuǎn)輪葉片尾部的卡門渦列所誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)，因卡門渦列的形成與流體速度和繞流體尾部的斷面形狀和尺寸有關(guān)，所以該振動(dòng)特征為振幅隨過(guò)機(jī)流量增加而明顯增大，且其振動(dòng)頻率可表示為：

（3）因水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況較遠(yuǎn)，尤其是在低水頭、低負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)水流，形成偏心渦帶，使在尾水管中產(chǎn)生壓力脈動(dòng)并誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)。此時(shí)振動(dòng)強(qiáng)弱與水輪機(jī)的運(yùn)行工況關(guān)系較密切，某些區(qū)域振動(dòng)強(qiáng)烈，某些區(qū)域振動(dòng)又明顯減小，甚至恢復(fù)正常。其振動(dòng)頻率一般為：

（4）高水頭混流式水輪機(jī)因止漏環(huán)結(jié)構(gòu)形式和間隙組合不當(dāng)及運(yùn)行間隙不均勻引起水壓力脈動(dòng)誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)，該振動(dòng)特征為：振動(dòng)擺度及壓力脈動(dòng)幅值，均隨機(jī)組負(fù)荷和過(guò)機(jī)流量的增加而明顯增大。

3．電磁方面
（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分因受不平衡力（這些不平衡力主要來(lái)自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、轉(zhuǎn)子不均勻氣隙所引起的作用力，轉(zhuǎn)子線圈短路時(shí)引起的力和發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱工況下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力）的作用下產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)，其振動(dòng)特征為振動(dòng)隨勵(lì)磁電流增大而增大，且上機(jī)架處振動(dòng)較為明顯。

（2）當(dāng)一個(gè)磁極因短路而引起磁動(dòng)勢(shì)減小時(shí)，和它相對(duì)應(yīng)的那個(gè)磁極的磁動(dòng)勢(shì)并沒(méi)有變，因而出現(xiàn)一個(gè)跟轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡磁拉力，引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)，其振動(dòng)特征為振動(dòng)隨定子電流增大而增大，振級(jí)與電流幾乎呈線性關(guān)系，且上機(jī)架處振動(dòng)最為明顯。

（3）因定子鐵心組合縫松動(dòng)或定子鐵心松動(dòng)所引起的機(jī)組振動(dòng)，其特征為振動(dòng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化較明顯，且當(dāng)機(jī)組載上一定負(fù)荷后，其振幅又隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小，對(duì)因定子鐵心組合縫松動(dòng)所引起的振動(dòng)，還有一特征為其振動(dòng)頻率一般為電流頻率的兩倍。

（4）定子繞組固定不良，在較高電氣負(fù)荷和電磁負(fù)荷作用下使繞組及機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。其振動(dòng)特點(diǎn)為振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷運(yùn)行工況變化而變化，上機(jī)架處振動(dòng)亦較為明顯，但不會(huì)出現(xiàn)載上某一負(fù)荷后其振動(dòng)隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的情況。
二、機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)和振動(dòng)測(cè)試的關(guān)系

對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行一系列穩(wěn)定性試驗(yàn)，判別引起機(jī)組振動(dòng)的主要因素。
（1）機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn) 在機(jī)組發(fā)出起動(dòng)命令時(shí)就以較慢速度開(kāi)啟錄波儀器，待機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)后，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速變化，按需要完整記錄機(jī)組起動(dòng)過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)和其他狀態(tài)參數(shù)。

（2）變速試驗(yàn) 分別在各種轉(zhuǎn)速下測(cè)量機(jī)組典型部位，如上導(dǎo)、上機(jī)架、主軸聯(lián)接法蘭、水導(dǎo)軸承等的振幅或頻率。

1）若機(jī)組在60％～100％的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，振幅一直很大，改變轉(zhuǎn)速對(duì)振幅變化不敏感，而振動(dòng)頻率又與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率基本一致，則機(jī)組振動(dòng)原因大都是由于軸線曲折、軸承間隙未調(diào)好，導(dǎo)軸承不同心、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件有偏磨等。

2）若振幅隨機(jī)組轉(zhuǎn)速增加而迅速增大（一般振幅與轉(zhuǎn)速的二次方成正比），而振動(dòng)頻率又與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致時(shí)，其振動(dòng)原因多半是轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)（靜）不平衡。

3）若振幅隨機(jī)組轉(zhuǎn)速增加而增大，但變化速度一般，上機(jī)架處振動(dòng)較明顯，而振動(dòng)頻率又與發(fā)電機(jī)主極頻率一致或是其倍數(shù)，載上某一負(fù)荷后，振幅又逐漸隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小，則振動(dòng)原因可能是發(fā)電機(jī)定子鐵心組合間隙松動(dòng)或定子鐵心松動(dòng)。

（3）空載無(wú)勵(lì)磁試驗(yàn) 機(jī)組在空載額定轉(zhuǎn)速工況下，不加勵(lì)磁電壓，穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)，監(jiān)視各部位振動(dòng)、擺度及壓力脈動(dòng)值的變化情況和變化規(guī)律。

（4）空載有勵(lì)磁試驗(yàn) 機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下，載上勵(lì)磁，改變勵(lì)磁電流，觀察各典型部位振動(dòng)隨勵(lì)磁電流的變化。若振幅隨勵(lì)磁電流增大而增大，則不平衡磁拉力是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。需檢查發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子空氣隙是否均勻，磁極線圈有無(wú)發(fā)生匝間短路、磁極背部與磁軛間是否出現(xiàn)氣隙等。

（5）變負(fù)荷、調(diào)相或補(bǔ)氣試驗(yàn) 改變機(jī)組負(fù)荷（25％、50％、75％、100％）每個(gè)工況至少穩(wěn)定5～10min，測(cè)量各種負(fù)荷下機(jī)組各典型部位的振幅及導(dǎo)葉接力器行程，繪制負(fù)荷與振幅或接力器行程與振幅的關(guān)系曲線。若振幅隨機(jī)組負(fù)荷（或接力器行程）增減而增減，而機(jī)組在調(diào)相運(yùn)行時(shí)振幅又大幅度降低，且水輪機(jī)導(dǎo)軸承處的振幅變化又較其他部位更為明顯時(shí)，則水力不平衡是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。若振動(dòng)僅在某一負(fù)荷區(qū)域（經(jīng)電站實(shí)測(cè)，對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度在 32％<0<82％）運(yùn)行時(shí)較為強(qiáng)烈，而避開(kāi)該區(qū)域時(shí)，振動(dòng)又明顯減小，則尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。另外，若在機(jī)組振動(dòng)較強(qiáng)烈的運(yùn)行區(qū)域做補(bǔ)氣試驗(yàn)，向尾水管補(bǔ)氣，測(cè)量水導(dǎo)軸承處或尾水管擴(kuò)散段頂板處的振動(dòng)。與不補(bǔ)氣相同工況作比較，若補(bǔ)氣前后有明顯差異，則說(shuō)明機(jī)組振動(dòng)原因也主要來(lái)自尾水管中的偏心渦帶。

（6）調(diào)速器手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行工況 對(duì)比調(diào)速器在手動(dòng)和自動(dòng)控制狀態(tài)下對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

（7）甩負(fù)荷試驗(yàn) 機(jī)組大修后，在投入運(yùn)行之前，還應(yīng)做甩負(fù)荷試驗(yàn)，檢驗(yàn)調(diào)速器性能，記錄機(jī)組轉(zhuǎn)速上升、下降過(guò)渡過(guò)程、導(dǎo)葉開(kāi)度變化過(guò)程、壓力脈動(dòng)以及機(jī)組振動(dòng)和擺度的變化。

三、振動(dòng)原因分析
1．以振動(dòng)頻率分析振動(dòng)原因
在機(jī)組典型部位帶有錄波存儲(chǔ)功能的測(cè)振儀，將記錄的振動(dòng)記號(hào)，作時(shí)域、頻域變換，進(jìn)行頻譜分析，以此來(lái)判斷振動(dòng)原因。

（1）若振動(dòng)頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致，則機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不平衡、軸線曲折、導(dǎo)軸承間隙不適、主軸法蘭密封有偏磨、水輪機(jī)迷宮間隙不均勻是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。

（2）若振動(dòng)頻率為發(fā)電機(jī)電流頻率（我國(guó)電流頻率為50Hz）的二倍，則可能是定子鐵心組合縫松動(dòng)、發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流所引起的機(jī)組振動(dòng)。

（3）若振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速頻率乘以發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，則多半是由于發(fā)電機(jī)氣隙不均勻所引起的機(jī)組振動(dòng)。

（4）若振動(dòng)頻率分別為轉(zhuǎn)速頻率乘以活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率乘以轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，則振動(dòng)分別是因?qū)~開(kāi)口不均勻或轉(zhuǎn)輪開(kāi)口不均勻所致。

2．由振動(dòng)部位判別振動(dòng)原因
根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行所積累的經(jīng)驗(yàn)，由機(jī)組振動(dòng)發(fā)生的不同部位，也可大致判別振動(dòng)原因。

（1）若在水導(dǎo)軸承處的振動(dòng)比其他部位較為明顯時(shí)，則可能是蝸殼、導(dǎo)葉中的水力不平衡（該水力不平衡主要來(lái)自蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)和導(dǎo)葉開(kāi)口不均勻、轉(zhuǎn)輪線型、間隙、開(kāi)口不均勻）所引起的機(jī)械振動(dòng)。

（2）若在水導(dǎo)軸承處的振動(dòng)比其他部位較為明顯時(shí)，則可能是蝸殼、導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪中的水力不平衡（該水力不平衡主要來(lái)自于蝸殼、導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)和導(dǎo)葉開(kāi)口不均勻，轉(zhuǎn)輪線型、間隙、開(kāi)口不均勻）所引起的機(jī)組振動(dòng)。

（3）若上機(jī)架處振動(dòng)較為明顯時(shí)，則振動(dòng)原因多半來(lái)自于機(jī)組推力軸承（僅對(duì)懸式機(jī)組）、上導(dǎo)軸承缺陷（間隙擺度調(diào)整不適合）、故障或機(jī)組軸線有曲折、機(jī)組中心發(fā)生變化或發(fā)電機(jī)零部件有缺陷或故障。

（4）若因轉(zhuǎn)輪葉片出水邊線型差異、葉片尾部形成卡門渦列、尾水管中產(chǎn)生偏心渦帶等引起的機(jī)組振動(dòng)，則在壓力鋼管、尾水管頂板均可測(cè)得明顯振動(dòng)，蝸殼中會(huì)出現(xiàn)較大水壓波動(dòng)。

四、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，振動(dòng)是影響水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行和危害機(jī)組壽命的主要故障，對(duì)振動(dòng)及時(shí)進(jìn)行故障診斷，有利于提高水輪發(fā)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，可以為我國(guó)的水電生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。要清除水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的故障，必須尋找引起機(jī)組振動(dòng)的原因。主要介紹如何依據(jù)誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)的某些特征，捕捉其振動(dòng)的主要原因。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，不考慮引起機(jī)組振動(dòng)諸因素間的相互影響，但對(duì)分析機(jī)組振動(dòng)的主要原因，仍有較好的參考作用。