余献富

(国网四川省电力公司技能培训中心,四川成都 610000)

浅析水轮发电机组振动的测量、分析与故障诊断

余献富

(国网四川省电力公司技能培训中心,四川成都 610000)

水轮发电机组的振动是不可避免的,机组的振动从几μm至几百μm不等,只有准确测量振动值、分析振动原因,及时采取相应对策,将振幅限制在允许范围内,才能确保机组安全正常运行。本文介绍了水轮发电机组振动的测量、振动类型及其产生原因,提出水轮发电机组振动判断的基本方法,为处理不同类型振动提供参考。

水轮发电机组振动分析 振动监测 故障诊断

1 水轮发电机组振动的测量

水轮发电机组的振动是不可避免的现象,若能将其振幅限制在允许范围内,就能确保机组安全正常运行。为了能了解水轮发电机组的运行状态是否正常,需要对机组的状态进行监测,这首先就需要用到传感器。传感器是将机械振动的能量转换成电能的机电转换装置。传感器的性能及传感器的选用都直接影响整个测试系统的功能。在水轮发电机组振动测试装置中,常用的传感器有三种类型:非接触式电涡流传感器、惯性式速度传感器、压电式加速度传感器。

传感器的选用应从两方面来考虑,一方面是传感器的性能；另一方面是测试对象的要求,只有这两方面的结合,才能选择出满足测试要求的传感器。

传感器的主要性能指标:灵敏度、频响范围、分辨率、测量范围、相移、传感器的接收形式、环境条件等。

2 机械原因引起的振动及分析

机械故障引起的振动,其频率和转频相同或成整倍数关系。不同原因引起的振动还有自己的特征,机械故障的偶然性和多样性,不像有些水力或电磁振动那样有一定的规律。要识别它们,需要对机组各部分的结构、性能、加工、安装工艺等有一定的了解,同时,实践经验和同类别的电厂情况的积累有助于迅速地识别和排除故障。

2.1 轴线不对中

由于轴承中心线偏斜或偏移、转子的弯曲、转子与轴承的内隙以及承载后转子与轴承的变形等原因都将引起轴线不对中。其影响是:产生不平衡离心力；增大转子弓状回旋半径；引起迷宫中较强的压力脉动,有时还会引起机组的自激振动。有的电厂运行检修经验表明,有些不对中的情况还会产生两倍频的附加径向力和摆度,还会有一个转频的附加轴向力作用在推力轴承上。因此安装或检修过程中,应将轴线摆度控制在规程允许的范围内。

2.2 轴瓦间隙大

其它条件不变时,轴瓦间隙的大小直接决定转子弓状回旋半径,(基本规律是:间隙有多大,摆度幅值就有多大)；降低转动部件的临界转速。

导轴承间隙增大,临界转速将降低如渔子溪由1100r/min到576r/min；葛州坝由276r/min到162r/min。轴瓦间隙增大,大多是在机组运行一段时间后出现的,主要原因:一是径向不平衡力较大,二是轴瓦支持部件的设计不够合理。可通过调整转动部件的静平衡,或改善轴瓦支持部件的设计即可消除。

图1 定子铁心振型示意图

2.3 镜板不平

镜板不平主要是由于加工和安装上的缺陷所造成的,其特征为摆度波形上有明显的2倍频。通过测量,如果发现镜板平整度未达到要求,应重新加工,以消除该影响。

2.4 推力头松动

推力头松动指推力头内孔和轴颈间存在间隙。当推力头松动时,机组振动、摆度的特点为:机组运行时的动态轴线姿态会发生突然变化,机组的振动、摆度忽大忽小,呈不稳定状态。而且,推力头松动也会给机组盘车带来困难。

3 水轮发电机的极频电磁振动及分析

按照振动频率,水轮发电机的电磁振动可分为:磁转频振动和极频振动两类。理论上,极频磁振动的频率是100HZ及其整倍数,实际上主要为100HZ。极频磁振动只在共振时才比较明显。因此,实际工作中要特别注意共振的情况。

3.1 极频振动产生的主要原因

(1)定子分数槽次谐波磁势。它引起的振动频率为100HZ,振幅随负载电流的增大而增大；(2)定子并联支路内环流产生的磁势。定子各相沿圆周分布有很多线圈,它们并联在一起构成支路,把支路再组合起来构成绕组。并联支路有两种布置方式,一种是分布布置,另一种是集中布置。水轮发电机通常采用后一种方式。当支路集中时,转子的偏心将在支内引起环流,它能产生一系列的不对称的次谐波势,与分数槽次谐波类似,它也能引起定子的极频振动,振动频率为100HZ。(3)负序电流引起的反转磁势。当定子三相负载不对称时,绕组会产生负序电流,即相序相反的磁场,它与主磁场叠加产生一个空间次数P=0的磁场,引起定子铁芯作驻波式的振动。(4)机座合缝不好、定子铁心叠片松动。

3.2 振动原因的判断

不同原因引起的振动的特点,主要表现为其振型不同。

测出定子铁芯对应某一振型的固有频率来判断共振,一般试验项目有:

(1)变负荷试验:在同步转速下,逐次改变发电机的负荷,测量100HZ振动随定子电流变化情况,由此确定是否由定子电流次谐波引起。(2)小负荷变速试验:通过变速试验确定铁芯固有频率,通过对共振时振型的测量确定产生共振的力波的次数和谐波的次数。(3)空载:分别在并联支路打开和闭合的情况下进行衡励变速试验。如果两种情况下振动没有差别,表明环流影响较大。在后一种情况下,还可以确定铁芯的共振频率和相应的振型。(4)负序电流变速试验。分别改变负序电流和转速,测出定子铁芯100HZ振动随负序电流的变化和定子铁芯振型(如图1所示)。

4 水轮发电机组的水力振动及分析

水力振动相对于水力工况而言是比较稳定的,由水力所激发的压力脉动的完全相似是十分困难的,而且完全的水力计算目前还无法进行,只能进行一些局部的计算。但是,压力脉动的影响是可以预防的。水轮发电机组的水力振动主要有以下几个方面:

4.1 尾水管涡带

涡带有实心涡带和空腔涡带两种形态,螺旋状涡带将引起压力脉动,注意涡带压力脉动与工况的关系(水头、流量、空化系数),尾水管涡带压力脉动的特点:频率约为转速频率的1/4；出现在以50额定负荷为中心的30～70范围。

涡带压力脉动对机组运行的影响主要在于振动、摆度、功率摆动及其它附加影响。一般采用尾水管补气来减少尾水管的涡带压力脉动,补气效果的关键在于自然补气的补气量。

4.2 类转频压力脉动

所谓类转频,是指其频率接近转速而又不等于转速。其频率范围为(1．01～1．3)fn；(0．7～0．99)fn。它对机组振动的影响主要是机组的垂直振动和全水力系统的强烈压力脉动。一般出现在额定功率25%～75%左右(随水头大小而变化),振动范围很小。

值得注意的是,类转速压力脉动只有在水体共振的情况小才显示其影响,所以,其预防的关键在于进行共振校核。

4.3 迷宫止漏装置中的压力脉动

当迷宫中间隙发生周期性变化时,就会在其间隙中产生压力脉动。迷宫压力脉动一般为转频,并作为总水力不平衡的一部分。

迷宫中压力脉动达到一定程度并且和大轴的摆度方向成一定角度时,就可能引起转动部分的自激振动。迷宫引起的自激振动的情况主要与迷宫的结构和尺寸密切相关。

4.4 卡门涡

卡门涡是水流绕流物体在尾部两侧交替产生的周期性流动分离现象。水轮机中的卡门涡受工况和结构的影响特别强烈。它主要影响在于引起固定导叶、活动导叶、转轮叶片和局部水体的共振。

在进行转轮叶片共振判断分析时,主要观察其是否有强的、频率比较单一的噪音或金属共鸣声。

5 水轮发电机组的振动故障诊断

水轮发电机组振动故障诊断是对采集的数据进行分析,根据征兆进行推理,确定故障的原因、性质和部位以及对策的过程。除了需要熟悉旋转机械原理、结构和运行以及故障机理和特征等方面的知识外,还涉及到传感器、力学、数学、信号处理和人工智能等,因而需从系统论和故障诊断工程的角度进行综合考虑。从故障诊断的全过程来分析旋转机械故障的特征,满足其要求,是旋转机械故障诊断研制的出发点和目标。

对于旋转机械进行故障诊断的过程,就犹如医生对病人的诊断过程,医生通过切脉、量体温、量血压、做X光透视、做超声波等检查,最后经过综合分析,才能确定是什么病。对旋转机械的故障诊断也是如此,通过转速试验、调相试验、负荷试验、励磁试验对机器运转状况进行监测,记录数据,通过数据分析、判断,故障是什么,可能的原因是什么,以及估计机器的运行趋势和提出治理建议。

在旋转机械的实际运行中,经常是一个振因产生几个不同频率的振动成分,或一个振动频率对应多个振因。犹如同一个病因在不同人身上有不同的症状；或同一症状在不同人身上有不同的病因。所以,在判断故障时,不是一件简单的事情,必须进行综合分析才能得出比较准确的判断。

故障诊断不仅要求有较为完整的监测和采集系统,而且要求对转子——支承系统的各类振动问题的一般规律及其表现出的现象有深入的了解。只有两者的结合,才能判断出故障的原因及其在机器上的可能部位。

故障诊断涉及到多方面的因素,要求专业人员对监测系统和被测对象有深入了解。

6 结语

虽然水轮发电机组的振动是不可避免的,只要我们正确分析振动现象,找到引起振动的原因,采取相应的措施,就能将振动控制在允许范围之内,从而保证机组的安全运行。