小型混流式水輪發電機組振動試驗的探討

張瑜+張鐵城

摘 要：對于水輪發電機組這一旋轉機械來說，其自身振動的出現直接受到電磁、機械、水力等多方面因素的影響，而由于振動很多時候會導致水輪發電機組自身結構的破壞，這就使得水輪發電機組振動監測向來受到業界重視。在文章就小型混流式水輪發電機組展開的振動試驗的研究中，通過試驗得到的數據展開了深入分析，希望這一分析內容能夠為我國水輪發電機組的檢修與維護工作更好展開提供一定理論支持。

關鍵詞：水輪發電機組；振動試驗；小型混流式

前言

在本文進行的小型混流式水輪發電機組振動試驗中，選擇了額定功率500kW，建成于上世紀80年代的某水電站小型混流式水輪發電機組作為試驗對象。之所以選擇小水電機組作為本文的研究對象，主要是由于小水電因自身收益較低，很多時候缺乏對自身振動的監測，這就使得小水電機組往往帶病運行，而為了能夠盡可能避免小水電的水輪發電機組因振動引發安全問題，正是本文就小型混流式水輪發電機組振動試驗展開具體研究的原因所在。

1 水輪發電機組振動概述

為了能夠較好完成本文就小型混流式水輪發電機組振動展開的相關研究，我們首先需要深入了解水輪發電機組振動。由于水輪發電機組本身屬于典型的旋轉設備，這就使得其本身的運行伴隨著不可避免的振動存在，而受自身結構影響水輪發電機組的振動來源往往更為復雜，而通過歸納筆者將水輪發電機組的振動總結為水力振動、機械振動、電磁振動三個方面，這其中的水力振動指的是水壓力脈動造成水輪機零部件與機組震動的振動、機械振動則是指水輪發電機組自身存在的缺陷和故障引起的振動、而電磁振動則是指發電機電磁方面的干擾力引發的機組振動。對于水輪發電機組振動來說，振動的出現在很大程度上可以與噪音、發電質量降低、機組壽命降低、機組可靠性降低等問題的出現劃等號，由此可見水輪發電機組振動問題的嚴重性[1]。

2 小型混流式水輪發電機組振動試驗

在本文進行的小型混流式水輪發電機組振動試驗中，選擇了額定功率500kW，建成于上世紀80年代的某水電站小型混流式水輪發電機組作為試驗對象，這一試驗對象在日常運行中存在振動異常和加勵磁后軸承油溫升高的情況，而通過具體試驗我們將找出該小型混流式水輪發電機組出現問題的原因，并進行相關分析與總結。

2.1 試驗系統組成

在本文開展的小型混流式水輪發電機組振動試驗中，選擇了東方振動和噪聲技術研究所研發的振動監測系統，主要應用軟硬件有DASP-V10智能數據采集和信號處理軟件、INV9828型ICP壓電式加速度傳感器、INV3020系列高性能數據采集儀、891-Ⅱ型速度傳感器、ZA21系列電渦流傳感器等[2]。

2.2 試驗現場布置

在具體的小型混流式水輪發電機組振動試驗的現場布置中，結合根據測量的對象和環境、靈敏度要求、精度要求、頻率響應特性、線性范圍、穩定性等現場布置原則，共設置了5個測點用于振動試驗，并布置了加速度傳感器9個，速度傳感器3個、位移傳感器2個、鍵相傳感器1個[3]。

2.3 試驗工況設置

在具體的小型混流式水輪發電機組振動試驗中，共設置了10個工況進行機組的大軸擺度和振動情況監測，這10個工況具體表現為開機和加勵磁過程、并網過程、加負荷至額定功率過程、滿負荷運行過程、降至400kW過程、400kW運行過程、400kW降至250kW過程、250kW運行過程、關機過程、靜止狀態。

3 試驗分析

3.1 機組軸心軌跡分析

在結合小型混流式水輪發電機組振動試驗結果進行的機組軸心軌跡分析中，這一分析的對象主要為大軸擺度的X-Y圖、大軸擺度的頻域、大軸不平衡點的相位，而通過這一系列分析我們能夠發現，小型混流式水輪發電機組各工況運行時的軸心軌跡基本呈橢圓形、大軸軸心軌跡范圍有較大偏移，而結合這一系列分析建議該小型混流式水輪發電機組在日常檢修中重點檢查發電機定子內腔和轉子外圓之間的氣隙情況，以此保證電磁不平衡拉力的減小[4]。

3.2 上機架振動情況分析

在結合小型混流式水輪發電機組振動試驗結果進行的上機架振動情況分析中，結合試驗結果我們能夠發現轉速的增大直接導致上機架三個方向振動幅值隨之增強，而結合其他試驗得出的數據，我們能夠判斷出該小型混流式水輪發電機組振動幅值的超別主要受導葉開度變化引起的水力因素影響[5]。

3.3 下導軸承振動情況分析

而結合對小型混流式水輪發電機組振動試驗結果進行的下導軸承振動情況分析中，通過設置的3個加速度傳感器反映的數據，我們能夠發現發電機組導軸承部位的振動隨著功率的增大而增大、減小而減小，這就表明這一振動源于機械因素的影響，而其關機過程中出現的低頻振動則主要源于水力因素和水輪機制動的影響。

3.4 水導軸承振動情況分析

在結合小型混流式水輪發電機組振動試驗結果進行的水導軸承振動情況分析中，結合水導軸承處布置的3個加速度傳感器，我們能夠得出小型混流式水輪發電機組啟動時加勵磁和并網時振動變化不大，而機組功率增加時振動則會隨著增強，而由此我們就能夠得出小型混流式水輪發電機組水導軸承振動主要受水力因素影響。

3.5 頂蓋振動情況分析

在結合小型混流式水輪發電機組振動試驗結果進行的頂蓋振動情況分析中，結合水輪發電機組頂蓋部位布置的三個加速度傳感器，我們能夠發現小型混流式水輪發電機組的功率增大會相應導致振動的增強與減弱，而由此我們就能夠得出小型混流式水輪發電機組頂蓋部位振動主要受水力因素影響。

3.6 水輪機各部位振動頻譜分析

在結合小型混流式水輪發電機組振動試驗結果進行水輪機各部位振動頻譜分析中，結合試驗結果反映的水輪機上機架、下導軸承、水導軸承和頂蓋部位的振動情況，我們就能夠得出機組軸線不正或對中不良等機械原因、葉輪后產生的低頻渦帶兩方面是小型混流式水輪發電機組振動的主要。值得注意的是，對于葉輪后產生的低頻渦帶來說，低負荷區運行渦帶的偏心、導葉開度變化調節水輪機葉片的過流量引起的水力不平衡是其出現的主要原因。

3.7 試驗總結

在小型混流式水輪發電機組振動試驗中，我們能夠較為全面的了解該發電機組振動出現的原因，而為了保證小型混流式水輪發電機組較為穩定、安全工作，建議該水電站在檢修時應檢查發電機定子內腔和轉子外圓之間的氣隙情況、有針對性的調正法蘭聯軸螺栓對機組的軸線進行校直，這樣才能夠將振動帶來的影響降到最低。

4 結束語

在本文就小型混流式水輪發電機組振動試驗展開的研究中，詳細論述了水輪發電機組振動概述、小型混流式水輪發電機組振動試驗、試驗分析等內容，而結合這一系列內容我們能夠簡單了解小型混流式水輪發電機組的振動危害與常見振動原因，希望這一認知能夠為相關水電站的機組維護與維修帶來一定啟發。

參考文獻

[1]尤莉莎.混流式水輪發電機組振動試驗及故障診斷[D].河北工程大學，2015.

[2]馮雁敏，常洪軍，張恩博，等.某混流式水輪發電機組現場穩定性試驗及振動保護策略研究[J].水電能源科學，2016，07：178-182+5.

[3]張雙全.大型混流式水輪機水力穩定性研究[D].華中科技大學，2008.

[4]殷湘黔.溪洛渡800MW水輪發電機組振動擺動控制關鍵技術[J].水利水電施工，2015，04：64-68+73.

[5]徐孝峰.水輪機葉片振動特性試驗研究[D].華北電力大學（北京），2006.