水轮发电机组振动故障诊断关键技术与维护

涂洪波

摘要：水轮发电机组运行中的振动故障比较常见，如果不及时发现和处理则容易加剧零部件磨损并损坏设备等。文章对水轮发电机组运行中常见的振动类型及其原因进行分析，总结针对此类振动故障常用的几种故障诊断技术方法，提出了预防和处理此类振动问题的有效维护策略，以供参考。

关键词：水轮发电机组;振动故障

1、引言

水轮发电机组作为水电站中的关键部分，其运行中由于转子处于长时间的旋转状态，容易与其他部件发生摩擦而产生振动问题，如果此振动问题比较剧烈，则会加剧磨损问题，造成零件松动以及更为严重的危害。比如可能会出现裂纹的扩大而导致断裂损坏，或者紧固件松动而加剧损坏速度、缩短使用寿命，还坑会加剧转动部件的磨损，甚至会在尾水管中引发涡流而产生一定的脉动压力，造成水系统振荡而造成尾水管壁的裂缝以及损坏尾水设施等问题。为此，要分析和总结引发水轮发电机组振动的原因，合理应用振动故障诊断技术准确和及时诊断振动故障原因和位置，通过相应的处理和维护措施来排除故障并降低故障发生概率。

2、水轮发电机组的振动的原因

2.1机械振动及其原因

此发电机组中的机械振动问题，如果发生在法兰位置，主要是由于此位置的大轴存在连接无效或者固件松动、大轴稳定性不足等原因，这就容易引发大轴的折断问题，导致振动故障的出现。如果此振动问题出现在发电机组的转动部分，则通常是由于此位置的部分零件松动脱落或者出现质量不平衡的问题、弯曲问题等。还坑会由于发电机组中的固件和转动部件之间出现摩擦问题，以及出现轴承瓦之间的间隙过大、轴承推力头松动、推力轴瓦失去平衡等原因而引发振动。此类振动最大的特点就是振动频率为转频的倍数，而且其中的不平衡力则通常为径向水平方向的不平衡力。

2.2电磁振动及其原因

此类振动主要有转频振动以及极频振动两种形式，前者的引发原因通常为出现了转子绕组短路的原因，或者是在定子和转子之间的气隙不够均衡，或者是出现了磁极的次序错误等问题，这就会导致磁路不够对称，并造成磁拉力不够平衡。后者则主要是出现了铁芯松动的原因，其振动频率通常为100Hz。

2.3水力振动及其原因

此类振动主要由于水力因素引起的，其特点就是会随着水力的增加其摆度也不断增加，而且随着振源的改变也会改变振频。如果是由于汽蚀愿意你引发的振动，则会表现出高频振频的特点，而水边的厚度、叶片出水边的相对流速等都会对卡门旋涡的振频产生影响。此类振动通常会发生在卡门涡轮、尾水管、压力管道、水封间隙等问题，或者是由于导叶、蜗壳以及转轮水流不够均衡而引发振动问题。

3、水轮发电机组振动故障诊断关键技术

3.1模糊神经网络诊断技术

所谓的模糊神经网络就是结合模糊理论与神经网络而成的方法，通过此神经网络技术以及模糊逻辑理论的应用，相互补充和弥补缺陷而形成模糊神经网络，可以最大化发挥二者的优势，在各个领域中广泛应用。比如在发电机组振动故障诊断中的应用，主要是通过多种模糊神经网络模型的构建，并应用相对应的学习算法开展故障诊断与分析工作。

3.2专家系统故障诊断技术

所谓的专家系统就是集合了本行业中具有较高专业知识水平以及丰富经验人群的专业分析，结合行业中的优秀案例，总结发电机组运行中的常见振动故障及其相关知识而构建的智能化计算机程序系统。通过此系统的应用，可以对比实际出现的故障现象与专家系统数据库中的相关资料，并会出最合理的建议。尤其针对引发振动原因比较复杂的振动故障，由于其无法应用上述神经网络的诊断方法进行模型的构建，这就可以通过本领域中专家级专业知识和工作经验进行故障判断，通过人工智能技术的应用来分析和推力故障现象，判断故障引发原因。在上述过程中，是以人的思维方式来智能模拟故障诊断过程，其在发电机组故障诊断中的典型应用就是在产生式规则的系统中，通过规则的方式来体现专家知识以及诊断经验，构建包含上述知识和经验的专家数据库。然后通过传感器等采集振动故障表现并检测收集其运行参数，将这些信息与数据库中的信息进行匹配，快速判断故障类型并给胡最合理的故障检修处理策略。

3.3故障树诊断技术

此种方法就是依据故障引发原因、按照树枝状的方式对原因进行细化。在此故障树的顶端则是最容易出现的故障状态，也是导致顶事件的直接原因，然后通過逻辑符号来表现事件和原因之间的逻辑关系，从顶事件开始向下进行细化分解，直到最终无法分解，则形成了故障树。通过此种诊断方法有助于寻找机组运行中的薄弱环节并加以改进和控制，其在机组振动故障的诊断中应用，表现出直观、形象以及快速的优点。对于此种方法中所应用的数据库也可以进行动态更新，通过选择规则的搜寻通道开展诊断推理来提升诊断效率。但是应用此种诊断方法无法对不可预知的故障进行诊断，而且要确保故障树信息的正确性与完整性。

4、水轮发电机组振动故障的维护

由于水轮机在某些负荷条件下会在尾水管中产生低频涡带现象，也就是在非设计工况条件下会引发尾水管位置的水压脉动现象，如果此涡带比较大，还可以在尾水管中按照固定的频率转动，以及在受到低频压力时产生水流脉动问题，进而会引发尾水管壁、导水机构以及转轮、蜗壳、压力管道等位置的振动。针对此问题，不仅要优化水利设计，尽量控制机组在允许工况范围内运行，为了避免出现水流流动和旋转的改变现行，则要加长尾水管的锥段、扩大尾水管的锥角、增加阻水栅和隔板、严格控制涡带偏心距等。此外还可以通过对涡带区补气的方式来预防此类振动问题。

针对卡门涡列引发的振动问题，可以通过减小转轮叶片厚度的方式来提升卡门涡列的频率，避免出现共振问题。并且将支撑设置在叶片之间来调整和该表其自振频率。还可以在设计阶段预测涡列频率以及导叶的固有频率，尽量错开二者频率。

针对水力因素引发的振动问题，可以在设计阶段优化水轮发电机组的水力，重点做好对上冠位置线型的设计以及叶片头部叶型的设计。还要优化水头设计，通过最优水头的应用来防止出现高水头叶道涡的出现，也可以通过在顶盖表面设置补气孔进行补气的方式来消除机组振动，而且在机组运行中尽量避开叶道涡的发生区。

针对水力失衡引发的振动问题，不仅要在加工和安装阶段控制好加工和安装误差，尽量控制流道与叶片的形状和尺寸相似。重点要控制零部件的加工与安全精度，最大化避免轴承的磨损以及转子挠度问题。

5、结语

水轮发电机组在运行中，容易由于低频涡带、卡门涡列、水力不平衡等因素而引发机组振动异常的故障，此故障会导致振动加剧而出现零部件松动，以及影响机组正常运行等问题。基于引发不同类型振动故障的相应原因，不仅要合理应用先进诊断技术开展故障诊断，更重要的是在设计以及加工、安装以及运行维护阶段做好维护工作，预防振动故障的发生，确保水轮发电机组的稳定与安全运行。

参考文献：

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（乌江水电开发有限责任公司构皮滩发电厂，贵州 遵义 564400）