（大唐陈村水力发电厂 安徽宣城 242000）
摘要：水轮机是水电站运行的核心设备，其工作状态是否稳定对整个电站发电系统的安全运行保障具有很大的影响，若设备出现重大安全事故往往会造成巨大的经济损失。对振动故障的诊断是保障水轮机安全运行的有效技术手段之一。对水轮机振动故障诊断技术及失效分析的研究，具有很大的实际意义，有利于推动设备维护和状态检修工作的正常开展。鉴于此，文章分析了水轮机震动的原因及诊断措施，以供参考。
关键词：水轮机；振动故障；诊断措施
1水轮机振动的原因
1.1机械振动的原因
机械振动最常见原因是转子质量不平衡，其次是机组轴线倾斜，还有就是导轴承缺陷。转子质量不平衡，也就是转子重心偏离旋转轴线一个距离e，使得主轴旋转时转子重心以e为半径绕主轴线旋转，产生附加离心惯性力，这个附加的离心惯性力将迫使主轴产生弯曲变形，这种变形越靠近轴的两端变形越小、越靠近离心力的作用点变形越大，主轴的空间运动形状呈橄榄形，其投影呈弓形，故称这种振动为“弓状回旋”型振动。水轮机和发电机轴线倾斜也会引起振动和摆动。对新安装机组，轴线在安装时要进行测量调整，其摆度值通常都能处理在规定的范围内，因此，轴线倾斜一般不会引起剧烈振动。但在运行一段时间后，由于某些原因使轴线改变，就会引起机组振动。
1.2水力振动
引起水力振动的因素有水力不平衡、尾水管中水流不稳定、涡带及空腔空蚀等。一般说来，水轮机组的振动主要是水力振动引起的。（1）转轮水力不平衡。若进入水轮机转轮的水流失去轴对称，就必然出现不平衡的径向力，这种情况就是水力不平衡，也会造成水轮机振动。造成水力不平衡的因素，通常有蜗壳形状不正确，不能保证轴对称；导叶开度不均匀，引起流入转轮水流不对称和转轮压力分布不均匀；转轮止漏环不均匀，造成压力脉动，产生横向振动；流道有异物堵塞等。（2）尾水管中水压力脉动。水轮机在非最优工况下运行，旋转的转轮出口水流，会在尾水管中形成涡带，造成压力脉动，引起机组振动。经验告诉我们，运行在30%～70%最优负荷的混流式水轮机，其尾水管内的涡带表现为正向螺旋状涡流状态，这样一来，在尾水管内将会产生显著的压力脉动，其脉动频率大致为机组转速频率的1/3～1/5。尾水管压力脉动最大值出现在尾水管直锥段的上半部，此后，这种压力脉动必然沿水流方向逐渐减弱，最终在肘管后消失。尾水管压力脉动值一般小于水头的10%，但超大型水轮机尾水管压力脉动值有时大大超过水头的10%，甚至达20%～30%以上。这种压力脉动必然引起尾水管本身、压力钢管、顶盖和推力轴承等的振动，还会导致机组出力波动，严重的情况下有可能造成引水管道共振和厂房振动。（3）卡门涡列。如果平行流动的水流中放置一个物体，而且这个物体是圆柱体的并顺垂直流向安放的，当水流速度不断提升至雷诺数Re≥3.5×106时，在这个圆柱物体的后面会出现两排平行的、按一定距离交错排列的、方向相反的涡列，我们把这种现象称为卡门涡列。在水轮机转轮叶片、导叶等过流部件的尾部，也有可能出现这种卡门涡列并引起振动。当转轮叶片尾部产生的卡门涡列频率与叶片自振频率接近时，叶片将产生共振，使转轮叶片严重损坏。
2水轮机振动的测量
水轮机振动的问题很复杂，产生原因很多，找出振动产生原因常用的方法有测量法和试验工况分析法两种。（1）测量方法。采用百分表和压力表进行机组振动、摆度及压力脉动的测量是最常用的方法。一般在轴承支架和定子机座处设置振动测点及在各部导轴承处设置摆度测点，在尾水管等处增设必要的压力脉动测点等。计算机监测装置中，采用加速度传感器测量振动，测量摆度采用电涡流传感器，测量压力采用压力变送器，不仅具有幅值显示功能，而且具有波形和频谱分析功能，还可以进行离线或在线监测。（2）试验工况及分析。
水轮发电机组振动、摆度、压力脉动的测量，应分别在空载无励额定转速、变转速、空载变励磁电流、空载有励额定转速、不同负载、调相等工况下进行。通过空载无励额定转速工况，可了解机组轴线与轴承间机械蹩劲力作用的大小；通过空载变励磁电流工况，可了解定子铁芯有无冷态振动；通过空载有、无励额定转速工况，可了解发电机电磁不平衡力作用的大小；通过不同负载工况，可全面了解机组运行的稳定性；通过变转速工况，可了解发电机转子重量不平衡力作用的大小；通过调相工况，可了解机组无水力作用因素下的运行情况。总之，水电机组振动、摆度、压力脉动的测量，应在各种不同工况下进行，并通过比较分析，区分各种不平衡力作用的大小，从而查找引起振动的原因，及时处理，保证机组的稳定运行。
3水轮机振动故障诊断
3.1建立故障诊断专家系统
振动故障诊断的“专家系统”是指在计算机控制的振动在线监测、特征分析和振动专家经验的基础上，应用人工智能方法实现振动故障的一种自动诊断系统。它通常是水轮机振动在线监测和故障诊断系统的一个组成部分振动。（1）若在水导轴承处的振动比其他部位更明显时，可能是蜗壳、导叶及转轮中的水力不平衡所引起的振动。（2）若因转轮叶片出水连线型差异、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。因此，根据振动部位的不同，也可在一定程度上判断振动故障原因。当水轮机发生振动故障时，总会在某个部位产生较大的振动，即振动部位反映与振动故障有着一定的对应关系。
3.2建立水轮机状态监测检修系统
对于水轮机来说振动引起的各种故障或事故成为其检修的主要原因。状态监测是对水轮机运行状况和现存性能指标以及安全程度，失效分析的综合描述。它是对水轮机整体或主要部件的各种性能指标定量或定性的反映，通过先进的监测分析工具和方法，对水轮机的运行状况进行监测、记录与分析，采用在线或离线故障诊断系统，对机组现存状态作出科学评估、趋势预测和失效分析。水轮机状态监测检修工作主要由五个环节组成:水轮机→状态监测→诊断分析并判断决策→检修管理→检修评估，并形成有机的闭环系统。对水轮机运行状态进行实时监测，然后对机组进行故障诊断和综合状态评估，从而判定是否需要维修、何时维修、维修部件和部位，并给出状态检修建议，为检修计划、失效与否提供依据。
4水轮机振动的消除
经查明振源和振动原因后，根据不同的情况采用不同的措施消除或减缓振动。常用的方法主要有以下几个方面。（1）补气。轴心孔和尾水管补气，是目前最常用的方法，若下游水位超过设计尾水位，且吸出高度Hs≤－5m时，宜采用压缩空气补气或射流补气。（2）尾水管直锥段加装同心圆导流栅。（3）尾水管壁加装三角形阻水筋或稳流片。（4）调整止漏环间隙，对于高水头混流式机组，有时需割除下梳齿来消除水力自激振动。（5）改变叶型和在叶片间加支撑，可以改变叶片自振频率，消除或减弱转轮叶片卡门涡列振动。（6）调整轴线或调整轴瓦间隙等。
结语
综上所述，水轮机组运行过程中防止因振动产生的事故十分重要。电厂方面需要了解水轮机振动的原因、水轮机振动的防护措施、水轮机振动的处理方法，在维护检查工作中全面加强设备的动态管理，在运行过程中正确分析查找水轮机振动的原因，找出解决方法进行处理，才能确保水轮发电机组安全稳定运行。
参考文献
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[2]鑫凡.大型水轮发电机定子铁损现场试验方法[J].电工技术，2014（07）：44-46.