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水轮发电机组振动故障诊断与识别

沈东 褚福涛 陈思

摘 要:振动是影响水轮发电机组正常运行和危害机组寿命的主要故障。要清除机组振动故障,必须寻找引起机组振动的原因。本文主要介绍如何依据诱发机组振动的某些特征,捕捉其振动原因。为简化问题,不考虑引起机组振动诸因素间的相互影响,但对分析机组振动的主要原因,仍有较好的参考作用。
关键词:水轮发电机;振动;故障
分类号:TK730.8 文献标识码:A
文章编号:1000-4874(2000)01-0129-05

Diagnosis and Identification of Vibration Accident for
Hydrogenerator Unit

SHEN Dong CHU Fu-tao CHEN Si
Yunnan Polytechnic University, Kunming 650051

AbstractVibration is the main accident that affects the normal function of hydrogenerator unit and endangers the life span of hydrogenerator unit. To eliminate the vibration accident of the unit, it is necessary to detect the causes that lead to the vibration of the unit. This paper intends to discuss the causes resulting in the vibration of the unit, revealed by some characteristics of the unit vibration. For the sake of simplifying the program, the interaction of the factors causing the vibration of the unit was not considered in this paper. However, it is helpful for the analysis of the main reasons of the unit vibration.
Key words
water turbogenerator; vibration; accident.

1 前言

  本文就水轮发电机组振动故障特点、振动原因及其主要特征和振动故障的诊断与识别方法谈一点粗浅的看法,由于该方面实践工作和资料搜集工作的有限,文章可能存在许多不足之处,恳请同行批评指正。

2 水轮发电机组振动故障特点

  一切机器在运行中,都不可避免地存在着不同程度的振动。和其他动力机械一样,水轮发电机在运行中,也不可避免存在一定的振动。因此,对各类不同装置形式及所采用的轴承型式的水轮发电机组,根据其不同的额定转速对各部位 (或规定的各典型特征部位) 的振动,均有一个允许范围。若超过这一范围,就视为机组在运行中不允许的振动故障。本文所要讨论和涉及的问题,均是对水电机组的振动故障而言。
  另外,由于水轮发电机组工作的特殊性,其振动故障与一般动力机械相比,有较大的差异。引起水轮发电机组振动的原因要比普通动力机械复杂得多。除需要考虑机组本身旋转部分或固定部分的振动外,尚需考虑流动液体的动水压力造成对电站引水系统、水轮机过流部件的影响及发电机电磁力对机组振动的影响。不仅组成的系统整体的各部分相互影响,而且引起机组振动的诸因素间又有相互影响和制约。如,当水力方面的因素造成机组转动部分振动时,会使发电机转子和定子间的空气间隙不均匀,由此,便产生了不对称磁拉力,反过来又会加剧或阻尼机组转动部分的振动。
  为了简化问题,以利于捕捉诱发机组振动的主要原因。本文暂不考虑引起机组振动的诸因素间的相互影响。经若干机组振动试验,简化后的振因分析结果尚具有较好的参考价值。

3 水轮发电机组振动原因及其主要特征

  引起水轮发电机组振动的原因很多,大致可归纳为机械、水力和电气三个方面。
3.1 机械方面

  (1) 因机组转动部分质量不平衡引起的机组振动,其主要特征:机组振幅随机组转速变化较敏感,其振幅一般与转速的二次方成正比,且水平振动较大;
  (2) 机组转动部件与固定部件相碰 (或摩擦) 所引起的机组振动,其特征为:一般振动较强烈,并常常伴有撞击声响;
  (3) 因轴承间隙过大、主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动,其特征为:机组振幅随机组负荷变化较明显;
  (4) 因机组轴线曲折、紧固零部件松动、机组对中心不准、推力轴承调整不良所引起的机组振动,其特征为:机组在空载低转速运行时,机组便有明显振动。
3.2 水力方面
  (1) 水轮机进水流道蜗壳、导叶中的不均匀流场均会产生旋涡,形成涡带进入转轮引起机组振动,其主要特征为:振动随机组运行工况变化而变化,且时而明显,时而消失。另外,若是因蜗壳中的不均匀流场所引起的振动,其振动频率可表示为:

式中: z2—转轮叶片数目;
    n—机组转速。
  并且,这类振动多半发生在高比速轴流式水轮机中;若是因导叶中的不均匀流场所引起的机组振动,则多半发生在低比速水轮机中。该类水轮机转轮离导叶很近,导叶中的不均匀水流对转轮影响大。
  (2) 由转轮叶片尾部的卡门涡列所诱发的机组振动,因卡门涡列的形成与流体速度和绕流体尾部的断面形状和尺寸有关,所以该振动特征为:振幅随过机流量增加而明显增大,且其振动频率可表示为:

式中: w1—转轮进口处的水流相对速度;
    St—流体力学中的斯特罗哈数,实验测得 St=0.18~0.22;
    d—绕流体尾部的最大宽度。
  (3) 因水轮机偏离设计工况较远,尤其在低水头、低负荷运动时转轮出口产生旋转水流,形成偏心涡带,使在尾水管中产生压力脉动并诱发机组振动。其振动特点为:振动强弱与水轮机的运行工况关系较密切,某些区域振动强烈,某些区域振动又明显减小,甚至恢复正常。其振动频率一般为:

式中: f0—机组转速频率。
  (4) 高水头混流式水轮机因止漏环结构型式和间隙组合不当及运行间隙不均匀引起水压力脉动诱发的机组振动,该振动特征为:振动摆度及压力脉动幅值,均随机组负荷和过机流量的增加而明显增大。
  如缘水河水电站,电站装有 HL006—LJ—140 水轮机。水轮机设计水头为 305m,水轮机额定出力为 15.63MW,机组转速为 750r/min。某试验:当机组转速由n=60%nH (机组额定转速) 升至 n=nH 时,水导处水平振动为 0.06~0.08mm,当机组载上负荷后,振动明显增大,当负荷增至 10MW 时,振幅达 0.38mm,最大达 0.60mm。
3.3 电气方面

  (1) 发电机转动部分因受不平衡力 (这些不平衡力主要来自于周期性的不平衡磁拉力分量,定、转子不均匀空气隙所引起的作用力,转子线圈短路时引起的力和发电机在不对称工况下运行时产生的力) 的作用下产生的机组振动,其振动特征为:振动随励磁电流增大而增大,且上机架处振动较为明显;
  (2) 发电机定子绕组每极分数槽绕组形成的磁场特殊谐波成分引起的磁拉力,而定子在波数较少的磁拉力作用下就要产生振动,其振动特征为:振动随定子电流增大而增大,振级与电流几乎呈线性关系,且上机架处振动为明显;
  (3) 因定子铁芯组合缝松动或定子铁芯松动所引起的机组振动,其特征为:振动随机组转速变化较明显,且当机组载上一定负荷后,其振幅又随时间增长而减小,对因定子铁芯组合缝松动所引起的振动,还有一特征为:其振动频率一般为电流频率的两倍;
  (4) 定子绕组固定不良,在较高电气负荷和电磁负荷作用下使绕组及机组产生振动。其振动特点为:振动随转速、负荷运行工况变化而变化,上机架处振动亦较为明显,但不会出现载上某一负荷后其振动随时间增长而减小的情况。

4 振动故障的识别与诊断

4.1 由振动试验识别振动原因
  若对机组进行下列试验,可大致判别由何主要因素引起的机组振动。
  (1) 转速试验
  启动机组,分别在各种转速下 (一般在额定转速范围内均匀地取 5~7 个测点) 测量机组典型部位 (如上导、上机架、主轴联接法兰、水导轴承等) 的振幅或频率。
  A. 若机组在 60%~100% 的额定转速范围内运行时,振幅一直很大,改变转速对振幅变化不敏感,而振动频率又与机组转动频率基本一致,则机组振动原因大都是由于轴线曲折、轴承间隙未调好,导轴承不同心、主轴转动部件与固定部件有偏磨等;
  B. 若振幅随机组转速增加而迅速增大 (一般振幅与转速的二次方成正比),而振动频率又与转动频率一致时,其振动原因多半是由于转动部件的动 (静) 不平衡所致;
  C. 若振幅随机组转速增加而增大,但变化速度一般,上机架处振动较明显,而振动频率又与发电机主极频率一致或倍数,载上某一负荷后,振幅又逐渐随时间增长而减小,则振动原因可能是发电机定子铁芯组合隙松动或定子铁芯松动所引起。
  (2) 励磁试验
  机组在额定转速下,载上励磁,改变励磁电流,观察各典型部位振动随励磁电流的变化。若振幅随励磁电流增大而增大,则不平衡磁拉力是引起机组振动的主要原因。需检查发电机定、转子空气隙是否均匀,磁极线圈有无发生匝间短路、磁级背部与磁轭间是否出现气隙等。
  (3) 负荷、调相或补气试验
  改变机组负荷,测量各种负荷下机组各典型部位的振幅及导叶接力器行程,绘制负荷与振幅或接力器行程与振幅的关系曲线。

A=f(N) 或 A=f(l)

式中 A—振幅 mm;
   l—接力器行程 mm;
   N—发电机有功功率 kW 或 MW。
  若振幅随机组负荷 (或接力器行程) 增减而增减,而机组在调相运行时振幅又大幅度降低,且水轮机导轴承处的振幅变化又较其它部位更为明显时,则水力不平衡是引起机组振动的主要原因。
  若振动仅在某一负荷区域 (经电站实测,对应导叶开度在 32%<0<82%) 运行时较为强烈,而避开该区域时,振动又明显减小,则尾水管中产生偏心涡带是引起机组振动的主要原因。
  另外,若在机组振动较强烈的运行区域做补气试验、向尾水管补气、测量水导轴承处或尾水管扩散段顶板处的振动。与不补气相同工况作比较,若补气前后有明显差异,则说明机组振动原因也主要来自尾水管中的偏心涡带。
4.2 以振动频率分析振动原因

  在机组典型部位带有录波存贮功能的测振仪,将记录的振动记号,作时域频域变换,进行频谱分析,以此来判断振动原因。
  (1) 若振动频率与机组转动频率一致,则机组转动部分质量不平衡、轴线曲折、导轴承间隙不适、主轴法兰密封有偏磨、水轮机迷宫间隙不均匀是引起机组振动的主要原因;
  (2) 若振动频率为发电机电流频率 (我国电流频率为 50Hz) 的二倍,则可能是定子铁芯组合缝松动、发电机负荷电流所引起的机组振动;
  (3) 若振动频率为转速频率乘以发电机磁极对数,则多半是由于发电机空气隙不均匀所引起的机组振动;
  (4) 若振动频率分别为转速频率乘以活动导叶数或转动频率乘以转轮叶片数,则振动分别是因导叶开口不均匀或转轮开口不均匀所致;
  (5) 由尾水管中的偏心涡带所诱发的机组振动,其振动频率一般为

  (6) 由轴承转动油盆中的油膜振荡所引起的机组振动,其振动频率为

f=(0.4~0.47)f0

  (7) 由于转轮叶片尾部的卡门涡列所激起的机组振动,其振动频率为

  (8) 若是因水轮机发生严重气蚀所引起的机组振动,则振动频率为

f=300~500Hz

4.3 由振动部位判别振动原因
  在生产实践中,根据长期运行所积累的经验:认为根据机组振动部位不同,也可大致判别振动原因。
  (1) 若在水导轴承处的振动比其它部位较为明显时,则可能是蜗壳、导叶及转轮中的水力不平衡 (该水力不平衡主要来自于蜗壳、导叶中的不均匀流场和导叶开口不均匀,转轮线型、间隙、开口不均匀) 所引起的机组振动;
  (2) 若上机架处振动较为明显时,则振动原因多半来自于机组推力轴承 (仅对悬式机组)、上导轴承缺陷 (间隙摆度调整不适合)、故障或机组轴线有曲折、机组中心发生变化或发电机零部件有缺陷或故障;
  (3) 若因转轮叶片出水边线型差异、叶片尾部形成卡门涡列、尾水管中产生偏心涡带等引起的机组振动,则在压力钢管、尾水管顶板均可测得明显振动,蜗壳中会出现较大水压波动。

5 结束语

  本文介绍了识别振动原因的几种方法,一般看来,似乎用“频率法”要精确些。但在实测中,常常因存在各种因素的干扰,使测振仪所拾取的振动信号,信噪比 (SNR) 比较低,所以,除了可将监测到的振动频率作为识别机组振动源的重要依据外,还要结合其余两种识别方法,综合进行分析,方能捕捉到诱发机组振动的主要原因。■

基金项目:云南省科技攻关基金资助项目(95B12-3)
作者简介:沈东(云南工业大学电力工程学院,昆明 650051)
     褚福涛(云南工业大学电力工程学院,昆明 650051)
     陈思(云南工业大学电力工程学院,昆明 650051)

参考文献:

[1] 沈东.水力机组故障分析[M].北京:中国水利水电出版社,1996.
[2] 王柯 .水力机组振动[M].北京:水利水电出版社,1986.
[3] 沈东等.陆良大跌水电站 3 号机振动及水导瓦温升过高的分析[J].云南工学院学报,1991,Sum.17, 7(2):20.
[4] 常近时等.水轮机运行[M].北京:水利电力出版社,1983.




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