［摘 要］ 通過對水輪發電機組振動機理的調查研究，提出了水輪發電機組振動信號的一般特征，并由振動特征判別振動原因。

　　水輪發電機組的振動是水電站存在的一個普遍問題，有設計、制造、安裝、檢修、運行等方面的原因。運行中的機組都存在不同程度的振動，但這種振動是不可避免的，所以電站只能在一定的條件下將振動盡量地減小，使振動值限制在允許的范圍內，當振動超過規定的允許值時，便會影響機組的供電質量、安全運行和機組的壽命，需及時找出原因并采取措施消除。

一、水輪發電機組振動主要特征
水輪發電機組的振動都屬于有阻尼受迫振動，按其形式可分為受迫振動和自激振動，受迫振動是由于干擾力引起的，而干擾力的存在與否跟振動無關，即使振動停止，干擾力也仍然存在。自激振動中維持振動的干擾力是由物體運動本身產生或所控制的，當運動停止，干擾力也就消失。根據干擾力的不同形式機組振動可分為機械振動、水力振動及電磁振動。

1．機械方面
機械振動的干擾力源是機組的機械部分，主要有以下幾個部分。
（1）轉子質量不平衡 由于轉子質量不平衡，轉子重心與軸心產生一個偏心距。當主軸以角速度旋轉時，由于失衡質量離心慣性力的作用，主軸將產生彎曲變形。角速度越大主軸變形也就越大，振動也越嚴重。當角速度接近臨界轉速時，振動增大產生共振。其主要特征為振幅敏感地隨著機組轉速變化，振幅一般與轉速的二次方成正比，且水平振動較大。

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

（3）軸承缺陷 在運行中當導軸承松動，剛性不足，導軸承間隙過大，運行不穩而潤滑又不良時，就會發生干摩擦，引起反向弓狀回旋，即橫向振動力，其方向和軸的旋轉方向相反，頻率相同。導軸承間隙過小，會把轉軸的振動傳給支座和基礎，導軸承間隙過大，轉軸振動大。機組轉動部件與固定部件相碰（或摩擦）所引起的機組振動，其特征為振動較強烈，并常常伴有撞擊聲；軸承間隙過大、主軸過細、軸的剛度不夠所引起的振動，其特征為機組振幅隨機組負荷變化較明顯。

2．水力方面
（1）水輪機進入流道蝸殼、導葉中的不均勻流場均會產生旋渦，形成渦帶進入轉輪引起機組振動，其主要特征為振動隨機組運行工況變化而變化，且時而明顯，時而消失。若是因蝸殼中的不均勻流場所引起的振動，其振動頻率可表示為：

并且，這類振動多半發生在高比速軸流式水輪機中；若是因導葉中的不均勻流場所引起的機組振動，則多半發生在低比速水輪機中。該類水輪機轉輪離導葉很近，導葉中的不均勻水流對轉輪影響很大。
（2）由轉輪葉片尾部的卡門渦列所誘發的機組振動，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，所以該振動特征為振幅隨過機流量增加而明顯增大，且其振動頻率可表示為：

（3）因水輪機偏離設計工況較遠，尤其是在低水頭、低負荷運動時，轉輪出口產生旋轉水流，形成偏心渦帶，使在尾水管中產生壓力脈動并誘發機組振動。此時振動強弱與水輪機的運行工況關系較密切，某些區域振動強烈，某些區域振動又明顯減小，甚至恢復正常。其振動頻率一般為：

（4）高水頭混流式水輪機因止漏環結構形式和間隙組合不當及運行間隙不均勻引起水壓力脈動誘發的機組振動，該振動特征為：振動擺度及壓力脈動幅值，均隨機組負荷和過機流量的增加而明顯增大。

3．電磁方面
（1）發電機轉動部分因受不平衡力（這些不平衡力主要來自于周期性的不平衡磁拉力分量，定、轉子不均勻氣隙所引起的作用力，轉子線圈短路時引起的力和發電機在不對稱工況下運行時產生的力）的作用下產生的機組振動，其振動特征為振動隨勵磁電流增大而增大，且上機架處振動較為明顯。

（2）當一個磁極因短路而引起磁動勢減小時，和它相對應的那個磁極的磁動勢并沒有變，因而出現一個跟轉子一起旋轉的輻向不平衡磁拉力，引起轉子振動，其振動特征為振動隨定子電流增大而增大，振級與電流幾乎呈線性關系，且上機架處振動最為明顯。

（3）因定子鐵心組合縫松動或定子鐵心松動所引起的機組振動，其特征為振動隨機組轉速變化較明顯，且當機組載上一定負荷后，其振幅又隨時間增長而減小，對因定子鐵心組合縫松動所引起的振動，還有一特征為其振動頻率一般為電流頻率的兩倍。

（4）定子繞組固定不良，在較高電氣負荷和電磁負荷作用下使繞組及機組產生振動。其振動特點為振動隨轉速、負荷運行工況變化而變化，上機架處振動亦較為明顯，但不會出現載上某一負荷后其振動隨時間增長而減小的情況。
二、機組穩定性試驗和振動測試的關系

對水輪發電機組進行一系列穩定性試驗，判別引起機組振動的主要因素。
（1）機組起動試驗 在機組發出起動命令時就以較慢速度開啟錄波儀器，待機組轉動后，隨著機組轉速變化，按需要完整記錄機組起動過程的振動信號和其他狀態參數。

（2）變速試驗 分別在各種轉速下測量機組典型部位，如上導、上機架、主軸聯接法蘭、水導軸承等的振幅或頻率。

1）若機組在60％～100％的額定轉速范圍內運行時，振幅一直很大，改變轉速對振幅變化不敏感，而振動頻率又與機組轉動頻率基本一致，則機組振動原因大都是由于軸線曲折、軸承間隙未調好，導軸承不同心、主軸轉動部件與固定部件有偏磨等。

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

3）若振幅隨機組轉速增加而增大，但變化速度一般，上機架處振動較明顯，而振動頻率又與發電機主極頻率一致或是其倍數，載上某一負荷后，振幅又逐漸隨時間增長而減小，則振動原因可能是發電機定子鐵心組合間隙松動或定子鐵心松動。

（3）空載無勵磁試驗 機組在空載額定轉速工況下，不加勵磁電壓，穩定運行半小時，監視各部位振動、擺度及壓力脈動值的變化情況和變化規律。

（4）空載有勵磁試驗 機組在額定轉速下，載上勵磁，改變勵磁電流，觀察各典型部位振動隨勵磁電流的變化。若振幅隨勵磁電流增大而增大，則不平衡磁拉力是引起機組振動的主要原因。需檢查發電機定、轉子空氣隙是否均勻，磁極線圈有無發生匝間短路、磁極背部與磁軛間是否出現氣隙等。

（5）變負荷、調相或補氣試驗 改變機組負荷（25％、50％、75％、100％）每個工況至少穩定5～10min，測量各種負荷下機組各典型部位的振幅及導葉接力器行程，繪制負荷與振幅或接力器行程與振幅的關系曲線。若振幅隨機組負荷（或接力器行程）增減而增減，而機組在調相運行時振幅又大幅度降低，且水輪機導軸承處的振幅變化又較其他部位更為明顯時，則水力不平衡是引起機組振動的主要原因。若振動僅在某一負荷區域（經電站實測，對應導葉開度在 32％<0<82％）運行時較為強烈，而避開該區域時，振動又明顯減小，則尾水管中產生偏心渦帶是引起機組振動的主要原因。另外，若在機組振動較強烈的運行區域做補氣試驗，向尾水管補氣，測量水導軸承處或尾水管擴散段頂板處的振動。與不補氣相同工況作比較，若補氣前后有明顯差異，則說明機組振動原因也主要來自尾水管中的偏心渦帶。

（6）調速器手動、自動運行工況 對比調速器在手動和自動控制狀態下對機組穩定運行的影響。

（7）甩負荷試驗 機組大修后，在投入運行之前，還應做甩負荷試驗，檢驗調速器性能，記錄機組轉速上升、下降過渡過程、導葉開度變化過程、壓力脈動以及機組振動和擺度的變化。

三、振動原因分析
1．以振動頻率分析振動原因
在機組典型部位帶有錄波存儲功能的測振儀，將記錄的振動記號，作時域、頻域變換，進行頻譜分析，以此來判斷振動原因。

（1）若振動頻率與機組轉動頻率一致，則機組轉動部分質量不平衡、軸線曲折、導軸承間隙不適、主軸法蘭密封有偏磨、水輪機迷宮間隙不均勻是引起機組振動的主要原因。

（2）若振動頻率為發電機電流頻率（我國電流頻率為50Hz）的二倍，則可能是定子鐵心組合縫松動、發電機負荷電流所引起的機組振動。

（3）若振動頻率為轉速頻率乘以發電機磁極對數，則多半是由于發電機氣隙不均勻所引起的機組振動。

（4）若振動頻率分別為轉速頻率乘以活動導葉數或轉動頻率乘以轉輪葉片數，則振動分別是因導葉開口不均勻或轉輪開口不均勻所致。

2．由振動部位判別振動原因
根據長期運行所積累的經驗，由機組振動發生的不同部位，也可大致判別振動原因。

（1）若在水導軸承處的振動比其他部位較為明顯時，則可能是蝸殼、導葉中的水力不平衡（該水力不平衡主要來自蝸殼、導葉中的不均勻流場和導葉開口不均勻、轉輪線型、間隙、開口不均勻）所引起的機械振動。

（2）若在水導軸承處的振動比其他部位較為明顯時，則可能是蝸殼、導葉及轉輪中的水力不平衡（該水力不平衡主要來自于蝸殼、導葉中的不均勻流場和導葉開口不均勻，轉輪線型、間隙、開口不均勻）所引起的機組振動。

（3）若上機架處振動較為明顯時，則振動原因多半來自于機組推力軸承（僅對懸式機組）、上導軸承缺陷（間隙擺度調整不適合）、故障或機組軸線有曲折、機組中心發生變化或發電機零部件有缺陷或故障。

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

四、結語
綜上所述，振動是影響水輪發電機組正常運行和危害機組壽命的主要故障，對振動及時進行故障診斷，有利于提高水輪發電機組的安全、經濟運行水平，可以為我國的水電生產帶來巨大的經濟效益。要清除水輪發電機組振動的故障，必須尋找引起機組振動的原因。主要介紹如何依據誘發機組振動的某些特征，捕捉其振動的主要原因。為簡化問題，不考慮引起機組振動諸因素間的相互影響，但對分析機組振動的主要原因，仍有較好的參考作用。