水力机组振动原因与分析方法探讨
【摘要】振动是水力机组工作不稳定性的基本表现形式，水力机组振动原因大致从机械、水力、电气三方面因素来研究。研究机组的振动特征，利用振动测量技术手段，分析水力机组振动产生原因，才能制定具体减振措施，保证机组安全稳定运行。
【关键词】水力机组 振动 原因 分析方法
【正文】水力机组的振动，都属于有阻尼受迫振动，按其形式可分为受迫振动和自激振动。受迫振动是由于干扰力引起的，而干扰力的存在与否跟振动无关，即使振动停止，干扰力也仍然存在。自激振动中维持振动的干扰力是由物体运动本身产生或所控制的，当运动停止，干扰力也就消失。对振动情况进行测量分析，找出振动的具体原因，以便对症下药，具体解决。
1、水力机组振动的原因
根据干扰力的不同形式机组振动可分为机械振动、水力振动及电磁振动。
1.1机械因素引起的振动
机械振动的干扰力源来自机组的机械部分，主要有以下几个方面：
（1）转子的弓状回旋和共振
当转子失衡时，由于离心力作用，将使转子产生弓状回旋，当转动角速度很小时绕度也小，随着转动角速度的升高，绕度也相应增大，当转动角速度接近临界转速时，绕度剧烈增大产生共振。
（2）机组转子的振摆
转子的振摆主要在推力轴承处产生，其产生的原因是机组转子总轴向力P不通过推力轴承中心，使推力轴承产生不均衡变形，在轴旋转时，就发生转子的振摆。而导轴承有一定间隙，转轴就在这范围内振摆。当大轴中心找正不正确，轴线有折弯，导轴承与转子不同心，以及水轮机偏离设计工况产生脉动水推力时，转子的振摆更为严重。
（3）转轴抖动
在运行中，使机组发生故障的一种干摩擦情况，就是所谓转轴“抖动”，这种情况是由于导轴承间隙过大而润滑又不足所引起的。
综上所述，产生机械振动的主要原因有：
（1）机组转动部分的动不平衡或静不平衡；
（2）机组轴线由于折弯而产生的倾斜；
（3）由于找正不正确，轴被轴承夹紧；
（4）在迷宫环中发生碰擦；
（5）导轴承总间隙大于允许值，轴瓦以过大的间隙安装在轴承体中；
（6）橡胶轴承的橡胶轴承瓦弹性变形过大；
（7）机组转速接近临界转速；等等。
1.2、水力因素引起的振动
（1）卡门涡列
当流体流过一个圆柱形物体时，在物体后面就会沿着两条相互平行的直线产生一系列相隔一定距离得单涡，从总体来看，这一系列单涡就叫卡门涡列。卡门涡列的振动频率为：
f=(0.18～0.20)w/d
式中f—卡门涡列的振动频率；
w—转轮出口水流相对速度（cm/s）；
d—叶片出水边厚度（cm）。
（2）狭缝射流
在轴流式水轮机中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在轮叶外缘和转轮室壁之间的狭窄缝隙中，形成一股射流，速度很高，而压力非常低。形成周期性的压力波动，从而产生振动。这种振动频率为：f=zn/60。式中z为转轮叶片数，n为机组转速（r/min）。
（3）水力不平衡
如果在转轮范围内，水流失去轴对称，就会产生一个不平衡的横向力作用在转轮上。经常遇到的是过流轮廓不对称，它会引起水流失去轴对称。例如：由于转轮加工质量不好，叶片开口和导水叶开度不一致，引起水流的不对称；转轮上冠、下环的偏心和摆度，引起迷宫环间隙的不对称等等。
（4）非最优协联关系
转叶式水轮机中协联关系不正确，一方面引起调速系统持续震荡过程，另一方面，水流情况的恶化，在水轮机顶盖和发电机承重机架上会引起纵向振动。
（5）非设计工况下运行时的水力不稳定
非设计工况包括低水头、低负荷、高水头、超负荷以及空载工况。非设计工况下运行时，空腔气蚀和游动涡带及水流震荡都将引起机组振动。
1.3、电磁因素引起的振动
引起振动的电磁方面原因主要是转子绕组短路，空气间隙不均匀和磁极的次序错误也会引起振动。这些原因造成磁路不对称，因而造成磁拉力的不平衡，引起转子振动。
2、水力机组振动的分析方法
2.1、振动的测试
振动测试主要包括下述基本内容：
（1）振动量的测量：振动点在选定点上的位移，速度和加速度的大小，振动的时间历程、频率、相位和频谱等；
（2）系统特性参数的测试：系统的刚度、阻尼、固有频率、振型以及动态特性等；
（3）机械、结构或部件的动力强度试验。
在机组运行时的振动测量，主要是进行振动点的位移测量，若分析产生振动的原因，则需分别进行上述情况振动量的现场测量。
一般测量方法，按其振动的转换方式可分为电测法，光测法和机
械测法。机械测法和电测法在机组振动的测量中应用较多。
（1）机械测振法
机械测振仪主要用于测量振动的位移和频率，适用于低频振动，大多数具有笔式记录装置，以便记录振动的时间历程，通过跟时间讯号比较，测量振动频率。
（2）电气测振法
电测法测振系统主要由传感器、显示器——示波器、记录仪器等组成，传感器输出量和输入量的瞬时值之间保持一定的比例关系，经测振仪处理(放大、积分或微分等)后，将讯号输入到测量仪器，从而将振动量的时间历程和频率域显示记录下来。
2.2、根据振幅和频率特点判断产生振动的原因
某一振动因素，一定会引起某种规律的振动，可以用函数X = A cos ｗt来表征。振动的振幅和频率特性跟引起振动的原因有关，所以可以根据振动的振幅和频率特点来判断产生振动的原因。例如：
（1）由于质量不平衡，或者中心找正有问题所引起的振动，其频率等于机组的转速频率，而振幅跟转速的平方成正比，振动方向为横向。
（2）由于空腔汽蚀引起的振动，其振幅值在某些负荷区变得很大，而在另一些负荷区变得很小，且其频率较低，随工况改变，振动方向以纵向振动为主。
（3）当机组在一定转速时振动很大，而机组离开这一转速，振幅急剧减小，这种振动是机组转速和临界转速相近或相等时产生共振引起的。
（4）由于转子绕组短路或转子不圆引起的振动，其振幅值随励磁电流的增加而增加，去掉励磁时，振动消失，其频率与转速频率相同。
这一方法的实质就是寻找机组的振动规律（振幅、频率）与机组运行参数（转速、负荷、励磁电流等）间的关系。机组的振动不可能为单一原因引起，也不可能是一个简谐运动。只有把机组复杂振动分解成一些简谐振动，再分析各简谐振动产生的原因，方可找出复杂振动的主要原因和次要原因。
2.3、用逐次淘汰法寻找振动的原因
当不能直接找出振动的原因时，可采用下列方法进行试验。
（1）首先使导叶关闭，机组转为调相运行，如果这时振动值减小很多，则干扰力源主要就是水轮机的水力部分；如果振动值没有什么变化，则干扰力源主要是机组的机械部分和电磁部分。
（2）拆开主轴的法兰联接，脱开水轮子转子，使发电机单独以同步电动机方式运行。如果此时振动消失，干扰力必定是机组的水轮机部分。若振动的振幅变化不大，其频率基本不变，则振动产生的原因就是发电机的问题了。然后采用变转速和变励磁的试验等，就可以分清是发电机的机械问题还是电磁问题。
【结语】总之，振动是影响水力发电机组正常运行，危害机组寿命的主要故障。及时进行振动的测量和分析，进行水利机组振动诊断，采取有效减振措施，使机组振动值限制在允许的范围内，对保证机组供电质量和安全经济运行十分重要。
作者简介：
易守卫(1971)，男，机械工程师，汉族，主要从事机电设备安装调试工作。
张志红(1969)，女，电气工程师，汉族，主要从事电气调整试验及继电保护工作。
