1、水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)原因非常復(fù)雜，主要有水力、機(jī)械、電氣等三大方面的原因。例如，水輪機(jī)組的干擾通常來自一些壓力脈動(dòng)，低頻壓力脈動(dòng)尤其對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅，因?yàn)樗鼈兛梢詳U(kuò)散至整個(gè)管路系統(tǒng)，從而引起水力共振，其頻率通常為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)頻率的023倍。對(duì)于混流式水輪機(jī)，在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口將產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦帶，從而導(dǎo)致尾水管流不穩(wěn)定，是造成這類機(jī)組振動(dòng)和出力擺動(dòng)的最主要根源。尾水管脈動(dòng)是低頻壓力脈動(dòng)中最遍、最具有代表性的現(xiàn)象。尾水管中的水流脈動(dòng)壓力可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的可使整塊鋼板剝落。振動(dòng)的振級(jí)和頻譜不僅取決于激振力或力矩的大小和頻率，同時(shí)還與電機(jī)和它的各部件，以及使水輪發(fā)電機(jī)構(gòu)成整體的聯(lián)接件的

2、自振頻率和運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，與制造、安裝質(zhì)有關(guān)，也與運(yùn)行條件有關(guān)。在水輪機(jī)振動(dòng)測(cè)試分析技術(shù)中，信號(hào)處理是水輪機(jī)振動(dòng)測(cè)試分析成功與否的關(guān)鍵，其目的是提取設(shè)備中的振動(dòng)特征信息，為準(zhǔn)確分析振動(dòng)原因提供依據(jù)。隨著電力行業(yè)對(duì)水力機(jī)械設(shè)備安全、可靠性要求的不斷提高，對(duì)振動(dòng)分析提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試技術(shù)已滿足不了對(duì)微弱振動(dòng)特征信息的提取及非平穩(wěn)信號(hào)特征提取的要求，而基于虛擬儀器的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)為振動(dòng)分析中這些難題的解決提供了友好的平臺(tái)。從振動(dòng)發(fā)生的情況看，有的是水輪機(jī)本身的水力特性決定的，有的是由一些偶然因素作用產(chǎn)生的。發(fā)電機(jī)是將水輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在轉(zhuǎn)換過程中，由于某些方面設(shè)計(jì)、加工、

3、安裝或參數(shù)配合不當(dāng)也會(huì)引起發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上，水輪發(fā)電機(jī)組可以分成兩大部分：轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定、支持部分。它們中的任何一個(gè)存在機(jī)械缺陷時(shí)都可能引起機(jī)組振動(dòng)。而這些缺陷可能是由設(shè)計(jì)、加工、安裝等任何一個(gè)環(huán)節(jié)所引起。常規(guī)情況下，機(jī)組有四大振動(dòng)部件：上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋、轉(zhuǎn)動(dòng)部分。異常情況下還有其它部件，如定子鐵心等。水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誘發(fā)故障的原因很多，依據(jù)干擾的不同形式，機(jī)組的振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)和水力振動(dòng)三大類。1 機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)系指振動(dòng)中的干擾力來自機(jī)械部分的慣性力、摩擦力及其它力。引起振動(dòng)的機(jī)械因素有：轉(zhuǎn)子重量不平衡，機(jī)組軸線不正，導(dǎo)軸承缺陷等。機(jī)械振動(dòng)主要有：大軸在法蘭

4、處對(duì)中不良，連接不緊或固定件松動(dòng)而造成大軸有折線，從而引起的振動(dòng)；機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分因質(zhì)量不平衡、彎承瓦間隙大或推力軸承的推力軸瓦不平和推力頭松動(dòng)等原因引起的振動(dòng)。機(jī)械缺陷或故障引起的振動(dòng)有共同的特點(diǎn)，其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，不平衡力一般為徑向或水平方向。2 電磁振動(dòng)電磁振動(dòng)分為兩類：即轉(zhuǎn)頻振動(dòng)和極頻振動(dòng)。引起轉(zhuǎn)頻振動(dòng)電磁方面的原因主要是轉(zhuǎn)子繞組短路、定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻、磁極的次序錯(cuò)誤造成磁路不對(duì)稱引起磁拉力的不平衡從而產(chǎn)生振動(dòng)；定子鐵芯松動(dòng)引起100Hz的極頻振動(dòng)。3 水力振動(dòng)水力因素會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)、擺度增大，振頻隨振源的變化而不同，如渦帶偏心振頻為12-16轉(zhuǎn)頻；卡門旋渦振頻與葉片出水

5、邊相對(duì)流速、出水邊厚度有關(guān)，汽蝕振頻為高頻等。水力振動(dòng)主要有：卡門渦列引起的振動(dòng)；尾水管渦帶引起的振動(dòng)；水封間隙不等引起的振動(dòng)；蝸殼、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪水流不均勻引起的振動(dòng)；壓力管道中水力振動(dòng)；狹縫射流、空腔汽蝕引起的振動(dòng)；協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)等。從以上分析可見，水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)與眾多因素有關(guān)，振動(dòng)的特征反映了機(jī)組的工作狀態(tài)和故障情況。不同因素引起的振動(dòng)，都有其不同的特征表現(xiàn)。這些特征除了與振幅、振頻有關(guān)外，還與機(jī)組負(fù)荷、勵(lì)磁電流、水頭等因素有關(guān)。為水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問題研究和處理的方便，習(xí)慣上把振動(dòng)問題按以下方式分類。1 常規(guī)振動(dòng)常規(guī)振動(dòng)是指由不可避免的因素引起的振動(dòng)。在混流式水輪機(jī)中，這類不可

6、避免的因素主要有兩個(gè)：尾水管渦帶壓力脈動(dòng)和水力不平衡。2 異常振動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組中異常振動(dòng)主要指下述幾種情況：共振：它可能出現(xiàn)在機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分、葉片、水體、定子鐵心等處。自激振動(dòng)：水輪機(jī)中自激振動(dòng)主要由迷宮泄漏所引起。如漁子溪電站、龍首電站的機(jī)組振動(dòng)問題。水體共振及其引起的機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)：流道中，任何部分的水體都可能發(fā)生共振。異常振動(dòng)一般為幾種原因疊加的結(jié)果。水輪發(fā)電機(jī)組振源1 尾水管內(nèi)低頻渦帶低頻渦帶是混流式和軸流定槳式水輪機(jī)普遍存在的振源之一。產(chǎn)生渦帶的基本條件是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口水流具有一定的圓周分速度。混流式水輪機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生強(qiáng)制旋渦。由于旋渦內(nèi)部壓力低，若汽蝕系數(shù)很小時(shí)，則

7、強(qiáng)制渦核便產(chǎn)生空腔汽蝕現(xiàn)象，即在旋渦中心形成空腔。中心部分的汽蝕空腔做周期的偏心運(yùn)動(dòng)，從而引起壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。螺旋形渦帶在尾水管中旋轉(zhuǎn)的頻率，也就是渦帶壓力脈動(dòng)頻率，在整個(gè)尾水管中各處都是一樣的。2 尾水管接近轉(zhuǎn)頻的脈動(dòng)尾水管中的脈動(dòng)壓力，除低頻渦帶外，還有中頻和高頻脈動(dòng)壓力。中頻脈動(dòng)壓力頻率接近機(jī)組的轉(zhuǎn)速頻率，易引起機(jī)組振動(dòng)和壓力管道振動(dòng)。接近轉(zhuǎn)頻的脈動(dòng)壓力，在導(dǎo)水葉任何開度下始終存在著，在一定的單位轉(zhuǎn)速下，頻率基本一定。在發(fā)生低頻渦帶范圍內(nèi)，由于受低頻渦帶的影響，接近轉(zhuǎn)頻的脈動(dòng)繞某一值上下波動(dòng)。同樣，軸流定漿式水輪機(jī)的模型試驗(yàn)結(jié)果表明，其尾水管中接近轉(zhuǎn)頻的脈動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速及開度的關(guān)系，和混流式

8、水輪機(jī)的規(guī)律非常相似。3 水輪機(jī)水封間隙不等產(chǎn)生的水力不平衡力由于制造和安裝上的原因，轉(zhuǎn)輪和固定部件不在同一軸線上。或由于水封零部件加工安裝不精確，或者轉(zhuǎn)輪質(zhì)量的動(dòng)、靜態(tài)不平衡，都會(huì)引起在運(yùn)行中水封間隙不均勻。另外，由于導(dǎo)軸承間隙不當(dāng)，大軸弓狀回旋振動(dòng)等，都會(huì)使上、下水封間隙偏斜。4 蝸殼、導(dǎo)水葉和轉(zhuǎn)輪水流不均勻引起的振動(dòng)蝸殼中的水流并不像理論假設(shè)的那樣均勻，沿周向和高度的流速分布都是不均勻的。均勻流速的水流進(jìn)入導(dǎo)葉后，在導(dǎo)葉間產(chǎn)生不均勻流速，流出導(dǎo)葉后又重新分布。導(dǎo)葉出口流速的不均勻性，對(duì)低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)意義比較大，因?yàn)楸绒D(zhuǎn)速越低轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉出水邊的間隙越小。對(duì)高比轉(zhuǎn)速混流式和軸流式水輪機(jī)，導(dǎo)葉

9、出水邊與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口之間有一定的距離，水流在此間隙中已調(diào)整得比較均勻了，故影響較小。葉片表面脫流或汽蝕等，都將引起葉片振動(dòng)，甚至引起破壞性事故。水輪機(jī)葉片和導(dǎo)葉的振源之一是葉片出口形成了卡門渦列。5 壓力管道中水力振動(dòng)水電站正常運(yùn)行時(shí)，壓力管道兩端為開口，水體有自振。水輪機(jī)過流部件的水流脈動(dòng)，有可能與管道中水體自振頻率發(fā)生共振或倍頻共振。管道中水體振動(dòng)荷載傳給水輪機(jī)，使機(jī)組產(chǎn)生或加劇振動(dòng)。6 機(jī)械缺陷引起的振動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)部件和支承結(jié)構(gòu)都是按軸對(duì)稱布置，以保證機(jī)組旋轉(zhuǎn)過程中保持穩(wěn)定性。如果由于某種原因偏離這種對(duì)稱時(shí)，機(jī)組運(yùn)行就會(huì)變成不穩(wěn)定，而產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)。機(jī)械缺陷或故障引起的振動(dòng)有共同

10、的特點(diǎn)，其振動(dòng)頻率多為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，不平衡力一般為徑向或水平方向。機(jī)械不平衡現(xiàn)象是較普遍存在的，尤其高水頭和高轉(zhuǎn)速的機(jī)組的不平衡問題更顯得突出，構(gòu)成機(jī)組的主要振源之一。7 機(jī)組的電磁振動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組電磁振動(dòng)可分為兩類：一類是轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，其頻率為轉(zhuǎn)頻或其整倍數(shù)。一般由轉(zhuǎn)子不圓引起，這主要是機(jī)械缺陷造成，這種故障的根源可能是安裝時(shí)就存在了。另一類為極頻振動(dòng)。由兩種磁場(chǎng)及其相互作用產(chǎn)生。大的或異常的極頻振動(dòng)都是以共振的形式出現(xiàn)。大直徑水輪發(fā)電機(jī)組主要振源之一，是由于定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外圓之間氣隙不均勻，在定子和轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生不均衡磁拉力，從而對(duì)轉(zhuǎn)子和定子形成轉(zhuǎn)頻激擾力。產(chǎn)生極頻振動(dòng)的原因有：分瓣定子合縫間

11、隙大，比較多見；定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢(shì)，振動(dòng)幅值隨負(fù)載電流增大而增大；定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流產(chǎn)生的磁勢(shì)；負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢(shì)(如富春江電站5號(hào)機(jī))；定子不圓、機(jī)座合縫不好。8 機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)軸承間隙大：例如漁子溪電站660Hz振動(dòng)，就是因?yàn)閷?dǎo)軸承間隙大；葛洲壩電站初期振動(dòng)達(dá)2-3mm也是因?yàn)閷?dǎo)軸承間隙影響大。磁極鍵的設(shè)計(jì)、加工、安裝問題：例如貴州東風(fēng)電廠的機(jī)組振動(dòng)問題就是由此引起。9 轉(zhuǎn)子不平衡不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障。不論是機(jī)械、水力和電氣哪種不平衡，產(chǎn)生的根源一定在轉(zhuǎn)動(dòng)部分上。不平衡的頻率一定是轉(zhuǎn)速頻率。水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障特征總結(jié)常見的水輪發(fā)電機(jī)組特征頻率有機(jī)組頻率(轉(zhuǎn)頻)、轉(zhuǎn)輪葉片頻率(轉(zhuǎn)

12、頻倍數(shù))、尾水管渦帶頻率(1315轉(zhuǎn)頻)、電磁激振頻率(50HZ，100HZ)等從機(jī)組的振動(dòng)特征來判別水輪發(fā)電機(jī)組的故障原因及其部位，就要從機(jī)組的振動(dòng)特征入手，通過一系列的測(cè)試手段，獲取機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)，提取機(jī)組特征參數(shù)，經(jīng)過分析診斷，確定機(jī)組的振源，找到機(jī)組的故障部位，為機(jī)組檢修提供可靠的技術(shù)保證。振動(dòng)信號(hào)的分析與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)1. 時(shí)域分析時(shí)域是指信號(hào)隨時(shí)間變化的一種函數(shù)關(guān)系。包括時(shí)域連續(xù)信號(hào)和時(shí)域離散信號(hào)。它是通過對(duì)連續(xù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣得到的。我們通過信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換裝置將振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，并通過計(jì)算機(jī)將該信號(hào)按時(shí)間的關(guān)系繪制出來，這樣我們就可以看見一條振動(dòng)幅值與時(shí)間的連續(xù)的函數(shù)曲線，在采樣頻率

13、較高的情況下，這種近似是比較真實(shí)的反映時(shí)域連續(xù)信號(hào)的。采樣率決定了模數(shù)變換的速率。采樣率高，則在一定時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)就多，對(duì)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)就越精確。采樣率必須保證一定的數(shù)值，如果太低，則精確度就很差。下面的圖4一1 表示了采樣率對(duì)精度的影響。圖4一1 采樣率對(duì)精度的影響所謂信號(hào)的時(shí)域分析就是求取信號(hào)在時(shí)域中的特征參數(shù)(如峰值、均值、方差、均方值等)及信號(hào)波形在不同時(shí)刻的相似性和關(guān)聯(lián)性(如自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù))。2頻域分析在動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)中往往需要將時(shí)間域信號(hào)變換到頻率域上加以分析，從頻率角度來反映和揭示信號(hào)的變化規(guī)律，這種頻率分析的方法又稱為頻譜分析方法。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可以獲得更多的有用信息，如求得動(dòng)態(tài)信號(hào)中的各個(gè)頻率成分和頻率分布范圍，求出各個(gè)頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅值和能量分布的頻率值。常用的頻譜分析方法有幅值譜、功率譜、倒