水電機(jī)組振動(dòng)測試分析

張 俊

（澧縣鴻基水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司 常德市 415500）

水力發(fā)電是將水能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能的復(fù)雜過程，它涉及到水力、機(jī)械、電氣三方面內(nèi)容。因此，水力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)產(chǎn)生的原因也可以相應(yīng)地分為水力因素、機(jī)械因素和電磁因素。水力發(fā)電機(jī)組的異常振動(dòng)不僅影響到水電站的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，也是機(jī)組故障診斷的研究熱點(diǎn)，是水電站急需解決的關(guān)鍵性問題之一。

振動(dòng)信號是機(jī)組工作狀態(tài)等信息的載體，對振動(dòng)信號的分析，是故障診斷領(lǐng)域中廣泛采用的一個(gè)方法。本文針對某水電站2 號機(jī)組的異常振動(dòng)，通過測試不同水頭、不同負(fù)荷下機(jī)架振動(dòng)和大軸的擺動(dòng)情況，分析比較其頻譜特性，進(jìn)而確定誘發(fā)該水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的具體原因，為實(shí)際生產(chǎn)提供可行的建議。

1 試驗(yàn)情況

1.1 測點(diǎn)布置

某電站水輪機(jī)型號為：ZZ440-LH-850； 設(shè)計(jì)水頭22 m，額定轉(zhuǎn)速76.9 r/min。其中，2 號機(jī)組相對與其他機(jī)組，在相同條件下運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了振動(dòng)異常現(xiàn)象。為了全面了解該機(jī)組在不同水頭下的最佳運(yùn)行區(qū)域，分析機(jī)組在不同水頭和負(fù)荷下的振動(dòng)情況，確定其振動(dòng)原因，其測點(diǎn)布置如圖1 所示，在頂蓋、推力機(jī)架和定子機(jī)座處各布置一個(gè)徑向振動(dòng)測試點(diǎn)和一個(gè)垂直振動(dòng)測試點(diǎn)，在蝸殼進(jìn)口處和尾水管處各布置一個(gè)壓力測試點(diǎn)；同時(shí)為了測量大軸擺度，在水輪機(jī)導(dǎo)軸承處、發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承以及滑環(huán)處X、Y 方向各布置一個(gè)測點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)測點(diǎn)布置圖

1.2 測試條件

對2 號機(jī)組進(jìn)行6 個(gè)水頭的穩(wěn)定性試驗(yàn)（表1），其負(fù)荷變化范圍：0 MW，10 MW、20 MW、30 MW、40MW、50 MW、60 MW、70 MW、80 MW、90 MW、100 MW。

表1 2#機(jī)組試驗(yàn)水頭

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)、擺度和尾水水壓脈動(dòng)隨負(fù)荷變化情況（圖2）

從4 張擺度幅值隨負(fù)荷變化趨勢圖可以看到一個(gè)共同的特點(diǎn)，水導(dǎo)擺度在（10～20）MW 區(qū)間有一個(gè)峰值，隨后下降，大約在30 MW 時(shí)其幅值最小。在30 MW以后，水導(dǎo)擺度值隨負(fù)荷上升一直到滿負(fù)荷。水導(dǎo)擺度峰值從最小時(shí)的200 μm 上升到滿負(fù)荷時(shí)的450 μm。其它測量部位的擺度幅值僅略有上升。

圖2 水導(dǎo)擺度隨負(fù)荷變化

圖3 顯示頂蓋垂直方向和推力機(jī)架垂直方向在20 MW 一個(gè)峰值，隨后下降，大約在30 MW 時(shí)其幅值最小。在40 MW 以后，各部位的振動(dòng)幅值基本不隨負(fù)荷的變化而改變。

圖3 頂蓋和推力機(jī)架振動(dòng)隨負(fù)荷變化

圖4 為水壓脈動(dòng)隨負(fù)荷的變化趨勢。從圖中可以看到水壓脈動(dòng)的特點(diǎn)為：在設(shè)計(jì)水頭附近，除低負(fù)荷外（30 MW 以下），壓力脈動(dòng)的幅值較小，但變化的趨勢是隨負(fù)荷的增加而上升；在高水頭下，尾水錐管的水壓脈動(dòng)幅值較大，相對壓力脈動(dòng)值在30 MW～額定負(fù)荷區(qū)間達(dá)到15%，隨負(fù)荷增加的趨勢不明顯。

2.2 頻譜分析

圖5 顯示了在試驗(yàn)水頭22.0 m 和27.2 m 下，負(fù)荷10 MW 和20 MW 時(shí)水導(dǎo)擺度的頻譜分析，從圖中可以看到引起機(jī)組水導(dǎo)擺度增加的激振力的頻譜約為0.6 Hz，機(jī)組的轉(zhuǎn)頻為1.28 Hz，即激振頻率為轉(zhuǎn)頻的1/2 左右。

圖6 顯示在試驗(yàn)水頭22.0 m 和27.2 m 下，負(fù)荷100 MW 時(shí)機(jī)組水導(dǎo)擺度的主頻為1.28 Hz，即機(jī)組轉(zhuǎn)頻。而且轉(zhuǎn)頻絕對占優(yōu)，次頻為二倍轉(zhuǎn)頻。

2.3 水頭變化對機(jī)組振動(dòng)、擺度的影響（圖7、圖8）

水導(dǎo)擺度幅值沒有明顯的隨水頭上升而上升的趨勢； 頂蓋徑向振動(dòng)隨水頭的上升反而有所下降；頂蓋徑向振動(dòng)幅值沒有隨水頭增加而加大的趨勢。推力機(jī)架徑向振動(dòng)幅值也沒有隨水頭增加而增加的趨勢。

隨著水頭的上升，振動(dòng)區(qū)與向大負(fù)荷方向移動(dòng)。在毛水頭約為22 m 時(shí)，最大振動(dòng)值發(fā)生在10 MW左右，在毛水頭在25 m 和27 m 左右時(shí)，最大振動(dòng)值發(fā)生在20 MW 左右。

3 結(jié) 論

機(jī)組振動(dòng)隨負(fù)荷變化曲線的特征說明，機(jī)組振動(dòng)、擺度幅值隨負(fù)荷增加而增加，即機(jī)組振動(dòng)、擺度幅值隨流量增大而增加。這個(gè)特征是明顯的水力不平衡特征。

圖4 水壓脈動(dòng)隨負(fù)荷變化

圖5 水導(dǎo)頻譜分析

由頻譜分析可見，推力機(jī)架徑向振動(dòng)的主要頻率為機(jī)組基頻，而頂蓋頻率主要集中在7.7 Hz 附近，7.7 Hz 正好是葉片數(shù)與基頻的乘積。在尾水管中也含有7.7 Hz 的脈動(dòng)頻率，并且隨著負(fù)荷增大，7.7 Hz 頻率的振動(dòng)分量也明顯增加。這說明機(jī)組的激振力主要來源于水力不平衡。2010年大修中，在對輪葉開口的測量發(fā)現(xiàn)： 輪葉6#-1#、1#-2#、2#-3#的開口比輪葉3#-4#、4#-5#、5#-6#開口要大，這也恰好說明了水力不平衡的存在。因此，采用頻譜分析法，通過抽取振動(dòng)信號的特征量來進(jìn)行故障分析，是一種較可靠的方法。

圖6 100MW 時(shí)的頻譜分析

圖7 不同水頭下頂蓋振動(dòng)幅值

圖8 不同水頭下各測點(diǎn)擺度幅值

[1] 劉大愷.水輪機(jī)[M].北京：中國水力電力出版社，1997.

[2] 翟建平.紅巖水電站機(jī)組異常振動(dòng)的處理[J].中國農(nóng)村水利水電，2011，（12）.

[3] 薛延剛，羅興琦，王瀚. 基于小波預(yù)處理的HHT 方法在水輪機(jī)振動(dòng)診斷中的應(yīng)用[J].大電機(jī)技術(shù)，2010，（4）.