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摘要：随着水轮发电机组单机容量和结构尺寸的增大趋势，要重点关注和分析水轮发电机的振动机理，进行水轮发电机组主要部件的振动特性分析，并将振动分析应用于水轮发电机振动问题的故障诊断，提高水轮发电机组运行的稳定可靠性，减轻和规避振动故障对水轮发电机组的危害性影响。
关键词：水轮发电机；振动；分析；故障诊断；处理
水轮发电机组由发电机和水轮机构成，其转动部件通过轴承、机架和钢筋混凝土结构进行支撑，在水力、机械、电磁等方面因素的耦合关联作用下，形成极其复杂的水轮发电机组振动问题，如：水轮发电机组零件紧固部分松动或脱落而引发转动部件不平衡的机组振动现象；零件和焊缝应力疲劳区内部裂纹或断裂的问题；大轴剧烈摆动导致轴瓦温度升高而出现烧瓦的现象等，尤其以激振源频率与机组部件固有频率相近而诱发的共振危害最为突出。为此，要加强水轮发电机的振动分析，进行水轮发电机组的振动故障治理。
一、水轮发电机组部件模态分析
首先要研究水轮发电机组主要部件的自振特性，进行水轮发电机组主要部件的模态分析，计算获悉主要部件固有频率和对应的振型，优化水轮发电机组振动的故障诊断和分析，避免水轮发电机组因共振而引发的剧烈振动。
1、发电机上机架模态分析
机架是水轮发电机的重要结构件，采用中心体和支臂的钢板焊接结构，支臂主要设计为工字梁结构，当中心体外端尺寸在4m以内时采用中心体与支臂焊为一体的结构；当机架支臂外端尺寸在4m以外时采用可拆卸的臂架方法。根据不同的支臂型式，水轮发电机机架有不同的类型，即：辐射型、井字型、桥型。
以某水电站机组的上机架为例进行振动特性分析，采用添加约束方程的方法进行参数化分析，并运用APDL语言编制自动生成网格程序，避免建模过程中的大量重复工作，便于水轮发电机上机架的振动特性分析。通过对上机架的模态计算和分析，获悉上机架前20阶的固有频率，发现相邻两阶固有频率值相对接近，而后几阶的固有频率值变幅偏大，这主要是上机架的轴对称结构所导致的。通过上机架前10阶振型图可知，一阶振型图中的轴承体绕轴中心线转动16个支臂，以轴承体外端固定点作为支点作同向摆动；三阶振型图中的12个支臂作对称弯扭组合振动，对称面的四个支臂大体一致，轴承体有些许摆动；五阶振型图中的轴承体向下刚体平动，各支臂以外端为支点进行摆动；六阶振型图中的轴承体大体固定，部分支臂作弯扭振动；七、八阶振型图中的相对四4个支臂和轴承体大体固定，其余支臂作弯曲扭转运动；九阶振型图中的所有支臂作弯曲扭转运动，轴承体大体固定。
2、水轮机及发电机主轴模态分析
水轮机发电机组大多为整段空心轴，主轴包括有法兰、锥形壳、筒形壳等，通过主轴前10阶的模态振型图分析可知，一、二阶的振型为弯曲振动且弯曲变形方向相反；四、五阶的振型为扭转振动且弯曲变形方向均朝左；六、七阶的振型表现为扭转振动且扭转方向相反；九、十阶的振型表现为弯曲+扭转的组合型振动，变形突出且相对复杂。由此可见，当阶数增加时，水轮机及发电机主轴的振动变形组合相应增加，变得复杂化。
3、水轮机转轮及叶片模态分析
水轮机的转轮是关键核心部件，将水能直接转换为旋转的机械能，主要包括有轮叶、上冠、下环、泄水锥等，由于混流式水轮机转轮结构复杂，因而可以采用solidl86单元进行离散分析，通过转轮的10阶振型图分析可知，一阶振型中的转轮叶片沿下环圆周方向振动，下环处的振动变形明显，转轮有扭转变形的趋势；二、三阶的转轮整体向右摆动且有一定程度的弯曲变形；四、五阶的转轮呈现出整体弯曲的振动状态；六、七阶表现为扭转振动，下环和叶片的扭转状态明显且呈三角形扭曲态；八、九、十阶表现出摆动和扭转的不同特点，叶片存在弯曲变形且呈三角形扭转态。
叶片是转轮结构是最关键的部件，也极易在运行中因振动而出现裂纹，因叶片组合为圆周对称结构，仅对单个叶片进行模态分析，通过叶片振型图分析可知：一、二阶振型图中的叶片出水边呈弯曲振动特性；四、五阶振型图中的叶片出水边呈扭转和弯曲态，由此可见，叶片的出水边变形尤其突出。
4、激振源对水轮发电机组的稳定性影响
通过对激振源常见频率的计算和比对分析，如：卡门涡流频率、转频、极频、推力轴承不平衡频率、尾水管涡带频率，可知水电机组的自振特性及不同湃振源对机组各主要部件的影响程度，发现转频跟尾水管涡带为低频故障，推力轴承不平衡和卡门涡流为中频故障，极频为高频故障，分析得出如下结论：（1）卡门涡流不会产生整体共振，却会引发单个转轮叶片的共振，引发叶片出水边的强烈振动，导致叶片内部出现裂纹。（2）水电机组的轴系共振几率极小，尾水管涡带的频率也极其微小，难以产生水电机组主要部件的共振现象。（3）上机架会因共振而产生水平方向的激烈振动，出现水平方向振幅过大的情况。
二、水轮发电机组振动故障诊断及处理分析
水轮发电机组的振动现象难以避免，在进行水轮发电机组的振动分析前提下，还要进行水轮发电机组振动故障诊断和处理分析，提高水轮发电机组的稳定性，确保水轮发电机组安全可靠运行。水轮发电机组振动故障体现出多耦合、非线性、征兆耦联性的特点，主要振动故障机理包括以下几种：
1、水力因素引发的振动故障。主要是指来自于水轮机水力部分形成的压力，其产生振动的水力因素有：（1）尾水管涡流振动。尾水管处形成的涡流会使尾水管内的压力下降，导致水压出现脉动。（2）卡门涡流振动。卡门涡流的负压侧会形成相对规则的涡流，产生振动现象。对此可以采用对叶片进行修型或增加支撑装置的方式，以达到避开共振频率的效果。（3）空化诱发振动。在水轮发电机组部分负荷工况条件下，当水轮机空化且在转轮过流面产生空蚀时，会引发水轮机的振动现象，对此可以采用补气、对叶片进行修型的方式加以解决。（4）其他水力因素。当有异物堵塞进水口拦污栅时，会导致断流而出现脉动现象。
2、机械因素引发的振动故障。当机组转动部分质量不平衡时，会产生明显振动现象。对此可以采用实验的方式，找到不平衡方位并进行配重。当机组轴线不正时，会产生一定的偏心力矩，导致机组出现脉动或自激振动。当轴承存在缺陷时，也会引发机组的横向振动。
3、电磁因素引发的振动故障。当水轮发电机的转子绕组短路、空气间隙不均匀，则会引发振动故障，并当励磁电流增大时，振动也相应增大。对于磁拉力不平衡而引发的振动现象，可以采用调整定子与转子的气隙方法，通过动平衡进行调整。对于定子铁芯松动而引发的振动现象，可以在铁芯缝合间隙嵌入树脂合成衬片的方式加以解决。并当机组在长时间运行的状态下，其垫片会变薄而引发轴向振动，对此可以进行垫片和紧固铁芯的重新安装。
另外，为了更加准确地进行水轮发电机组的振动分析和故障处理，可以开发和应用智能化故障诊断系统，进行各主要模块的集成化应用和展示。
三、小结
综上所述，要重点关注水轮发电机组的振动问题，考虑其复杂性、非线性和多耦合性，进行水轮发电机的各部件模态分析，探讨水轮发电机组的振动特性，以更好地指导水轮发电机组的正常运行，避免机组出现剧烈振动，提高水轮发电机组运行稳定可靠性。后续还要深入探讨水轮发电机组的振动特性，引入智能化的诊断方法，搭建完善的基于专家系统的振动故障诊断系统，更好地提高振动故障的诊断精度。
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