第二章 水輪機(jī)組的主要故障及特點(diǎn)2010511

1、第二章 水輪發(fā)電機(jī)組的主要故障及特點(diǎn)第二章 水電機(jī)組的主要故障及特點(diǎn)效率、空蝕和穩(wěn)定性是描述水輪機(jī)以及整個(gè)機(jī)組的三大指標(biāo)。效率是描述機(jī)組對(duì)能量轉(zhuǎn)化的比例，空蝕性能則是影響機(jī)組使用壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素，穩(wěn)定性則描述機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)。水輪機(jī)的工作介質(zhì)是水，水流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性就決定了機(jī)組運(yùn)行的復(fù)雜性，因此機(jī)組運(yùn)行中的故障也表現(xiàn)出復(fù)雜多樣性。按照發(fā)生故障的次數(shù)、頻率以及種類(lèi)，可將機(jī)組的故障大致分為：振動(dòng)、空化和空蝕、溫度、機(jī)械以及電氣故障等。按照故障發(fā)生部位，可分為發(fā)電機(jī)故障、水輪機(jī)的空化和空蝕、軸承故障以及振動(dòng)故障。2.1發(fā)電機(jī)故障水輪發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，多數(shù)采用立式結(jié)構(gòu)。立式結(jié)構(gòu)的水電機(jī)

2、組主要由定子、轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、下機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承等部件組成。發(fā)電機(jī)的定子由機(jī)座、鐵芯和線圈等部件組成。轉(zhuǎn)子主要由主軸、輪轂、轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等部件組成。發(fā)電機(jī)的部件處于強(qiáng)電流和強(qiáng)電磁場(chǎng)下，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障頻率最高的是定子和轉(zhuǎn)子。2.1.1發(fā)電機(jī)定子故障發(fā)電機(jī)的主要故障主要集中于定子上，多數(shù)是由于主絕緣和匝間絕緣引起的。發(fā)電機(jī)定子故障主要是由于定子線圈接頭結(jié)構(gòu)不良，定子鐵芯松動(dòng)，端部和槽部固定結(jié)構(gòu)不合理，通風(fēng)不好，機(jī)械磨損，內(nèi)部游離放電和銅線斷股等原因造成的。2.1.1.1主絕緣擊穿因絕緣結(jié)構(gòu)及其局部缺陷，而發(fā)生絕緣擊穿事故的情況不少。其主要原因是絕緣層內(nèi)含有硬質(zhì)顆粒凸出而頂破絕緣，

3、加上浸膠不透，絕緣分層，或絕緣材料本身的缺陷，特別是槽口拐彎區(qū)域，因運(yùn)行條件比較惡劣，電流比較集中，遭受交變應(yīng)力大，機(jī)組運(yùn)行一定時(shí)間后，缺陷暴露，產(chǎn)生擊穿短路或接地事故。另外，發(fā)電機(jī)槽內(nèi)或槽口遺留有金屬異物，特別是導(dǎo)磁性金屬，在交變磁場(chǎng)的作用下，不斷振動(dòng)，將絕緣擊穿，使絕緣不能承受正常運(yùn)行電壓而被擊穿，甚至發(fā)生相間短路事故。絕緣老化也是發(fā)電機(jī)定子的一個(gè)主要故障，主要表現(xiàn)在機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)絕緣擊穿、接地和預(yù)防試驗(yàn)中，絕緣達(dá)不到最低試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。內(nèi)游離損壞最嚴(yán)重的部位是線棒棱邊，其受損程度約為寬面絕緣游離損傷深度的45倍。絕緣擊穿事故和試驗(yàn)中的絕緣擊穿大多發(fā)生在棱邊。2.1.1.2股線短路股線短

4、路的線棒均處于高工作電位，因此，股線短路是氣隙內(nèi)游離的結(jié)果。短路的線棒絕大多數(shù)位于前槽，多發(fā)生于上下槽口附近，短路的股線由幾股到十幾股，即由股間短路到排間短路。槽部股線短路后，在不同排導(dǎo)線之間形成的電壓作用下，由短路點(diǎn)經(jīng)導(dǎo)線與導(dǎo)線鼻部形成閉合回路，產(chǎn)生回流，使短路點(diǎn)附近發(fā)熱，導(dǎo)致該處絕緣過(guò)熱、燒焦或損壞。局部短路的溫升又會(huì)導(dǎo)致相鄰股線的繼續(xù)短路和溫升增高。這又導(dǎo)致絕緣的老熱化。2.1.1.3定子機(jī)械故障定子線棒接頭的開(kāi)焊引起線圈著火，是發(fā)電機(jī)最嚴(yán)重事故之一。開(kāi)焊引起的線圈起火事故需要更換大量的線棒，且線棒需表面局部處理。定子線棒接頭開(kāi)焊原因很復(fù)雜，主要是由接頭結(jié)構(gòu)不良，造成接頭質(zhì)量不好。線棒尺

5、寸不規(guī)整，上下層的線棒接頭不易，并頭套子過(guò)松，內(nèi)部銅楔過(guò)薄。開(kāi)焊的形成過(guò)程為：開(kāi)始時(shí)，接頭過(guò)熱使焊錫熔化，。上部接頭焊錫流走后，銅線過(guò)熱氧化，導(dǎo)線截面逐步變細(xì)變質(zhì)而發(fā)生開(kāi)焊。下部接頭由于銅線泡在熔化的錫中，銅導(dǎo)線與錫形成銅錫合金，導(dǎo)線迅速變細(xì)或熔斷而發(fā)生開(kāi)焊。造成定子繞組股導(dǎo)線水路堵塞的原因，可能是由于線棒的載流體局部溫升、蒸餾水質(zhì)量差、定子繞組和冷卻系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)及工藝上的缺陷。水路堵塞可能會(huì)引起導(dǎo)線散熱不良，使定子繞組絕緣產(chǎn)生局部過(guò)熱。繞組的絕緣性質(zhì)和機(jī)械性能惡化。過(guò)熱會(huì)破壞繞組的股導(dǎo)線間的粘合，引起導(dǎo)線振動(dòng)，線棒外包絕緣層產(chǎn)生磨損，這又導(dǎo)致絕緣被擊穿。定子的冷卻一般采用空冷，空氣冷卻器有時(shí)會(huì)

6、出現(xiàn)漏水，漏出的水到定子繞組表面，從而使絕緣受潮，降低絕緣電阻，引起絕緣泄漏電流增大，加快了定子繞組表面部分及其支架構(gòu)件沿泄漏電流途徑的炭化，引起個(gè)別線棒絕緣擊穿。由于加工制造時(shí)，定子繞組線棒存在負(fù)公差，線棒和槽壁之間出現(xiàn)間隙，因此有可能出現(xiàn)因間隙擊穿而發(fā)生局部放電。2.1.1.4定子繞組接地故障發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行后，噪聲很大，而且伴有一種深沉的嘯叫聲，這有可能是由于電機(jī)繞組接地出現(xiàn)故障引起的。2.1.2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子事故主要是接地和匝間短路。引起轉(zhuǎn)子接地和匝間短路的原因很多，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的水電機(jī)組，轉(zhuǎn)子溫度高，加上機(jī)械振動(dòng)力的作用，易使銅線暴露，造成接地或匝間短路5。轉(zhuǎn)子滑環(huán)和刷

7、握的絕緣擊穿，其主要原因是由于結(jié)構(gòu)上的缺陷或電刷裝置上的污垢、油污和灰塵，使絕緣遭受腐蝕、老化，絕緣電阻降低后造成。電刷冒火花和轉(zhuǎn)子滑環(huán)燃燒，有可能是由于電刷型號(hào)、壓力和間隙選擇不當(dāng)，滑環(huán)和電刷表面不平，或者是由于轉(zhuǎn)軸和滑環(huán)擺動(dòng)引起。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子本身由若干零部件組成，依靠螺栓和鍵等聯(lián)接件連成整體。當(dāng)聯(lián)接件出現(xiàn)強(qiáng)度不夠時(shí)，可能使轉(zhuǎn)子的某些零部件產(chǎn)生有害變形，嚴(yán)重時(shí)，這種高速產(chǎn)生的離心力會(huì)使整個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子解體，這些從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子飛出的零部件或金屬殘骸又繼續(xù)損壞發(fā)電機(jī)定子或廠房其他設(shè)備。2.1.3溫度故障 溫度故障也是發(fā)電機(jī)的一個(gè)主要故障。發(fā)電機(jī)的熱源是發(fā)電機(jī)損耗集中的部位，發(fā)電機(jī)

8、的損耗分為四類(lèi)：1） 機(jī)械損耗，冷卻介質(zhì)流動(dòng)所需的通風(fēng)損耗。2） 電損耗，定轉(zhuǎn)子的電損耗。3） 磁損耗（磁滯損耗），鐵芯內(nèi)的主磁通所產(chǎn)生的渦流損耗。4） 附加損耗，鐵芯內(nèi)的附加損耗以及繞組內(nèi)的附加損耗。附加損耗造成的因素有磁通的高磁諧波，磁通擠入槽內(nèi)以及磁通在端部的泄露，由于端部的泄露，致使鐵芯端部的幾個(gè)迭片組以及端部的其它部件產(chǎn)生渦流造成局部溫升過(guò)高。其它造成定子繞組和定子鐵芯溫度升高的因素有：1） 定子鐵芯硅鋼片間的絕緣損壞，2） 定子繞組端部接觸電阻增大，3） 冷卻系統(tǒng)不正常工作，a） 冷卻介質(zhì)入口溫度高于規(guī)定值，b） 冷卻介質(zhì)通風(fēng)道或其它過(guò)濾器堵塞，c） 發(fā)電機(jī)本體通風(fēng)孔堵塞，d） 冷

9、卻系統(tǒng)發(fā)生故障，冷卻效率降低。4） 發(fā)電機(jī)電流高于額定電流，5） 發(fā)電機(jī)的電壓高于最高允許值且較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，6） 發(fā)電機(jī)定子絕緣損壞，7） 測(cè)溫儀表或溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障。冷卻系統(tǒng)對(duì)于降低機(jī)組的溫度時(shí)很重要的，對(duì)于空冷的水電機(jī)組應(yīng)該要求冷卻系統(tǒng)：冷卻水進(jìn)出口溫差應(yīng)在520的范圍，冷卻介質(zhì)進(jìn)出口的溫差應(yīng)在2035，冷卻介質(zhì)入口溫度和冷卻器進(jìn)水溫差應(yīng)在515。對(duì)于溫度故障，不同的故障原因?qū)?yīng)著不同的故障特征，或者說(shuō)不同的故障表現(xiàn)模式的發(fā)生原因也不同。冷卻介質(zhì)進(jìn)出口溫差不大，但定子繞組和定子鐵芯溫度較高，出現(xiàn)這種故障的原因可能有：冷熱風(fēng)路短路，冷熱風(fēng)道之間隔熱性不好，冷卻系統(tǒng)的冷卻效果不好等。如果發(fā)

10、生冷卻介質(zhì)進(jìn)出口溫差較大，但發(fā)電機(jī)各部溫度較高這類(lèi)故障，那么可能是因?yàn)橥L(fēng)道發(fā)生堵塞，風(fēng)阻增加，造成冷卻風(fēng)量不足。當(dāng)出現(xiàn)冷卻器進(jìn)出水的溫差小，發(fā)電機(jī)各部溫度高，冷卻介質(zhì)入口溫度與冷卻器進(jìn)水溫差大時(shí)，可能因?yàn)槔鋮s器積污或冷卻效率降低等。冷卻器進(jìn)出水的溫差大，發(fā)電機(jī)的溫度較高，冷卻介質(zhì)入口溫度和冷卻器進(jìn)水溫差大，有可能冷卻器得通水管道出現(xiàn)堵塞、冷卻水不夠量等。2.2水輪機(jī)的空化和空蝕2.2.1空化空蝕機(jī)理空蝕作為水輪機(jī)破壞的主要形式之一，極大的威脅著水輪機(jī)組的安全?？瘴g現(xiàn)象是水流在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中因壓力下降而產(chǎn)生的一種特殊現(xiàn)象?？栈窃谝后w中形成空穴是液相流體的連續(xù)性遭到破壞，它發(fā)生在壓力下降到某一

11、臨屆值的流動(dòng)區(qū)域中。當(dāng)這些空穴進(jìn)入壓力較低的區(qū)域時(shí)，空穴中的液體蒸汽以及從溶液中析出的氣體，就開(kāi)始發(fā)育成長(zhǎng)為較大的氣泡，這些氣泡到壓力高于臨界值的區(qū)域就潰滅，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為空化?？栈丝昭ǖ某跎?、發(fā)育成長(zhǎng)到潰滅的整個(gè)過(guò)程。按照空化發(fā)生的條件和其主要的物理特性將空化劃分為：1） 游移空化2） 固定空化3） 漩渦空化4） 振動(dòng)空化空化初生是空穴在局部壓力降至臨近液體蒸汽壓力的瞬間形成。液體中含有的氣泡破壞了液體的連續(xù)性，氣泡在液體中保持穩(wěn)定需要滿(mǎn)足： （2-1）式中 氣泡內(nèi)的壓力液體內(nèi)的壓力 表面張力系數(shù)R 氣泡半徑空化的產(chǎn)生基于液體中存在著大量的不溶性氣體及蒸汽所組成的氣核，隨著液體壓力的降低

12、，從液體中的氣核開(kāi)始形成氣泡，當(dāng)繼續(xù)降壓時(shí)，氣泡由初生不斷長(zhǎng)大。當(dāng)升壓時(shí)，氣泡則不斷縮小而潰滅，這是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它不僅與氣泡本身的參數(shù)有關(guān)，而且受到液體的粘滯性、表面張力、可壓縮性和慣性等物理性質(zhì)的影響，同時(shí)還與氣體的擴(kuò)散、溶解等有一定的聯(lián)系?？张轁绲臅r(shí)間與空泡初始半徑、液體的密度和液體的壓力有關(guān)?？张菰酱?，潰滅時(shí)間越長(zhǎng)；液體內(nèi)的壓力越大，空泡潰滅的時(shí)間越短。當(dāng)水流通過(guò)水輪機(jī)過(guò)流部件時(shí)，由于繞流葉片局部脫流、水流急劇拐彎等原因，在相應(yīng)部位都會(huì)引起流速增大而使壓力降低。如果壓力降低到該溫度下的氣化壓力時(shí)，一方面由于水的汽化產(chǎn)生水蒸氣的汽泡，另一方面水中溶解的一部分空氣也會(huì)隨著壓力降低被

13、釋放出來(lái)，這樣就形成了水蒸氣和空氣混合的膨脹氣泡。水輪機(jī)的空蝕，就是氣泡在形成和壓縮過(guò)程中，由于發(fā)生巨大的微觀水錘壓力，重復(fù)對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件表面產(chǎn)生侵蝕破壞作用的現(xiàn)象?？瘴g機(jī)理是個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，空蝕很可能是多種因素綜合作用的結(jié)果。事實(shí)表明，任何固定材料，在任何液體的一定動(dòng)力條件作用下，都能引起空蝕破壞?？张轁绲臋C(jī)械作用是空蝕的主要原因，但是對(duì)于破壞過(guò)程卻有幾種不同的看法，一種最廣泛的解釋是：破壞基本上是由于從小空泡潰滅中心輻射出來(lái)的沖擊壓力而產(chǎn)生的，考慮在固體邊界附近有一孤立的潰滅氣泡，其潰滅壓力沖擊波從氣泡中心傳到邊界上，使邊壁形成一個(gè)球面凹形蝕坑，可以根據(jù)蝕坑的直徑和深度計(jì)算出形成凹形

14、坑的功，從而可以分析出單位空泡潰滅時(shí)的沖擊強(qiáng)度、初始空泡的直徑和潰滅中心的位置等。還有人認(rèn)為空蝕是由微型射流所造成的。當(dāng)空泡潰滅時(shí)發(fā)生變形，這些變形隨壓力梯度及靠近邊界面而增大，這種變形促成了流速很大的微型射流體，射流在潰滅結(jié)束前的瞬間穿透空泡內(nèi)部，當(dāng)潰滅離邊界很近，這種射流射向固體邊界造成空蝕。其它還有熱力學(xué)說(shuō)和電化說(shuō)來(lái)解釋空蝕現(xiàn)象。熱力學(xué)論認(rèn)為當(dāng)空泡高速受壓后，汽相高速凝結(jié)從而放出大量熱，這些熱量足以使金屬融合造成損壞。電化作用論認(rèn)為空泡潰滅時(shí)對(duì)固體邊界的沖擊造成：一是沖擊點(diǎn)溫度升高與鄰近的非沖擊點(diǎn)形成熱電偶產(chǎn)生電流；二是在沖擊點(diǎn)處其金屬材料局部受力迫使金屬格變位，而周?chē)木w阻止變位，從

15、而產(chǎn)生電流，起到電解作用使固體材料破壞?？瘴g機(jī)理是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，除了上述的因素外，它還與化學(xué)腐蝕、泥沙磨損等相互促進(jìn)，加快材料破壞的速度。根據(jù)試驗(yàn)觀察，空蝕在固體邊界上不是均勻分布的，而是集中于某些位置上。當(dāng)形成第一個(gè)蝕坑時(shí)，在一定條件下，它發(fā)展速度要比別更大，蝕坑越來(lái)越大，也越來(lái)越深，最后導(dǎo)致材料破碎。對(duì)于多種類(lèi)型的水力機(jī)械空化區(qū)的觀察和試驗(yàn)，空化經(jīng)常在繞流體表面的低壓區(qū)或流向急變部位出現(xiàn)，最大空蝕區(qū)位于平均空穴長(zhǎng)度的下游端。根據(jù)空蝕的位置和條件，水輪機(jī)空蝕可分為翼型空蝕、間隙空蝕、局部空蝕和空腔空蝕。翼型空化和空蝕是反擊式水輪機(jī)的主要空化和空蝕形態(tài)，其空蝕區(qū)位于葉片的不同部位，這與轉(zhuǎn)輪

16、型號(hào)和運(yùn)行工況有關(guān)。一般空蝕區(qū)分布在葉片背面下部偏向出水邊部位?；炝魇剿啓C(jī)翼型空化和空蝕區(qū)主要位于下環(huán)處及下環(huán)內(nèi)表面。間隙空化和空蝕是當(dāng)水流通過(guò)狹小通道或間歇時(shí)引起局部流速升高，壓力下降到一定程度時(shí)所發(fā)生的一種空化和空蝕形態(tài)。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)以間隙空化和空蝕最為突出，發(fā)生在葉片外緣與轉(zhuǎn)輪之間以及葉片根部與輪轂之間的間隙附近區(qū)域。局部空化和空蝕主要是由于鑄造和加工缺陷形成表面不完整、砂眼、氣孔等引起的局部流態(tài)突然變化而造成的?？涨豢栈欠磽羰剿啓C(jī)所特有的一種漩渦空化，表現(xiàn)最突出的是混流式水輪機(jī)?？涨豢栈纬稍蚴且?yàn)榉窃O(shè)計(jì)供況下，反擊式水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪出口水流存在一定的圓周速度分量，產(chǎn)生渦帶，渦

17、帶中心形成很大的負(fù)壓，渦帶的旋轉(zhuǎn)頻率為機(jī)組轉(zhuǎn)頻的分?jǐn)?shù)，渦帶造成機(jī)組振動(dòng)和噪音，在尾水管進(jìn)口段邊壁處引起空蝕。2.2.2空化空蝕對(duì)水電機(jī)組的影響為了評(píng)價(jià)水輪機(jī)空蝕破壞程度，通常采用空蝕指數(shù)K來(lái)評(píng)價(jià)?？瘴g指數(shù)K表示轉(zhuǎn)輪葉片單位面積、單位時(shí)間上的平均空蝕深度，即： (2-2)式中 K水輪機(jī)的空蝕指數(shù)； V空蝕體積，×； T運(yùn)行時(shí)間，h; F葉片背面總面積，。對(duì)于空蝕指數(shù)國(guó)家將它分為五個(gè)等級(jí)，如表2-1所示。表2-1 空蝕等級(jí)表空蝕等級(jí)空蝕指數(shù)（10-4/h）空蝕速度（/年）空蝕程度空蝕等級(jí)空蝕指數(shù)（10-4/h）空蝕速度（/年）空蝕程度1< 0.0577< 0.05輕微40.5

18、771.150.51.0嚴(yán)重20.05770.1150.050.1中等5 1.15 1.0極嚴(yán)重30.1150.5770.10.5較嚴(yán)重水輪機(jī)的空蝕破壞程度與運(yùn)行條件有著密切的關(guān)系，其中明顯條件有運(yùn)行時(shí)間、水輪機(jī)的吸出高度、機(jī)組尺寸以及運(yùn)行工況等。一般認(rèn)為葉片空蝕深度是運(yùn)行時(shí)間的冪函數(shù)，即： (2-3)式中 葉片最大空蝕深度； k空蝕深度的比例系數(shù)； T運(yùn)行時(shí)間； n指數(shù)（1.62.0）。降低吸出高度可以大大減輕空蝕強(qiáng)度，甚至可以避免翼型空蝕的發(fā)生。對(duì)同一輪系的水輪機(jī)在相似工況下，其空蝕強(qiáng)度與轉(zhuǎn)輪的標(biāo)稱(chēng)直徑的平方成正比，與水輪機(jī)的應(yīng)用水頭的平方成正比，與所用材料的抗蝕能力成反比。對(duì)于翼型空化和

19、空蝕影響因素很多，如翼型本身的參數(shù)、組成轉(zhuǎn)輪翼柵的參數(shù)等。理論計(jì)算表明，空化系數(shù)明顯地受翼型厚度及最大厚度位置的影響，翼型越厚，空化系數(shù)越大。葉片的工藝和材料對(duì)空化空蝕的影響也很大，葉片表面的粗糙度和波浪度不夠標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，葉片處水邊厚薄不均等均會(huì)導(dǎo)致葉片的空化空蝕加劇。堅(jiān)硬的材料具有良好的抗蝕性能?？瘴g對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件表面的破壞有三種。（1）機(jī)械作用。氣泡在壓縮（破裂）時(shí)要產(chǎn)生很大的微觀水錘沖擊力，從而對(duì)金屬表面產(chǎn)生很大的破壞作用。（2）化學(xué)作用。氣泡是金屬材料產(chǎn)生高溫，從而加速金屬的氧化過(guò)程。（3）電化作用。發(fā)生氣蝕時(shí)，局部受熱的地方比四周?chē)臏囟雀?，產(chǎn)生局部溫差，形成熱電偶，引起熱電效應(yīng)，產(chǎn)生

20、電化腐蝕，加快機(jī)械侵蝕作用?？栈涂瘴g對(duì)水輪機(jī)的影響很大。常引起各種破壞現(xiàn)象：造成金屬剝蝕；降低機(jī)組的效率和出力；產(chǎn)生噪聲，當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行在空蝕工況時(shí)，由于空化，將出現(xiàn)20Hz以下可以聽(tīng)到的噪聲和20KHz以上的超聲波，在空蝕的不同階段，噪聲的大小也不一樣；使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。對(duì)于混流式水輪機(jī)的空蝕，一般發(fā)生在導(dǎo)葉開(kāi)度的0.4與0.7之間。這時(shí)，機(jī)組的振動(dòng)加劇，過(guò)流部件中的水壓脈動(dòng)增加，比較明顯的是尾水管中的水壓脈動(dòng)。通過(guò)試驗(yàn)研究表明，尾水管中水壓脈動(dòng)頻率基本滿(mǎn)足： (2-4)2.2.3空化空蝕和磨損的聯(lián)合作用水輪機(jī)遭受泥沙磨損的形態(tài)為：當(dāng)磨損輕微時(shí)，有較集中的沿水流方向的劃痕和麻點(diǎn)；磨損嚴(yán)重時(shí)，表

21、面成波紋狀或溝槽狀痕跡，并常連成一片如魚(yú)鱗狀的磨坑；磨損最嚴(yán)重時(shí)，可使零件穿孔，轉(zhuǎn)輪出水邊呈鋸齒狀溝槽。水輪機(jī)經(jīng)磨損后表現(xiàn)為：效率顯著降低；由于過(guò)流部件表面被磨損后凸凹不平，促進(jìn)了水流的局部擾動(dòng)和空蝕的發(fā)展；轉(zhuǎn)輪的不對(duì)稱(chēng)磨損，加劇了機(jī)組的振動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)磨損后，常造成漏水量增大而無(wú)法正常停機(jī)，并增加調(diào)相時(shí)的功率損失和轉(zhuǎn)輪排水的困難。含沙水流使寄生空氣核子數(shù)增多，因而使空蝕初生提前并使空蝕強(qiáng)度增大。此外，由于含沙水流對(duì)固體邊壁表面凹凸不平，為局部空蝕的形成創(chuàng)造了條件。當(dāng)水中砂粒產(chǎn)生相對(duì)加速度時(shí)，在砂粒的一側(cè)將形成壓力下降區(qū)，有利于空穴的形成，容易促進(jìn)空蝕發(fā)展?？瘴g的發(fā)生，在流場(chǎng)中引起壓力脈動(dòng)，尤

22、其是空泡潰滅時(shí)，在空泡附近流場(chǎng)中引起高壓壓力脈動(dòng)和高速的水力沖擊。這使砂粒獲得了附加速度，使磨蝕量增大?？张轁鐣r(shí)在材料的表面產(chǎn)生了塑性變形，材料表面凹凸不平，加大了砂粒對(duì)固體表面的磨蝕角，使磨損加大。關(guān)于空蝕和磨損聯(lián)合作用的規(guī)律，目前認(rèn)為有兩點(diǎn)：一是在空蝕和磨損聯(lián)合作用下，損耗量隨流速的增加而增加；二是金屬耗損量隨含砂濃度增加而增加。在空蝕初生階段或空蝕強(qiáng)度很低時(shí)，材料的耗損主要是由砂粒的磨損造成的，材料損耗量隨含砂量的增加而增加。當(dāng)空蝕進(jìn)一步發(fā)展，且水中含砂量不大，砂粒的磨損作用是因空蝕造成塑性變形變得光滑，從而減弱了空蝕的沖擊作用，使材料的損耗量隨含砂量的增加而減小。當(dāng)空蝕發(fā)展到強(qiáng)烈程度

23、，且水中含砂量不大，磨損不足改變空蝕的破壞形態(tài)，含砂量的增加不能使總的材料損耗量改變。當(dāng)空蝕強(qiáng)度更大時(shí)，空蝕使材料表面呈蜂窩狀，加上磨損作用，蝕坑的材料大塊脫落，總的金屬耗損增大。2.3軸承故障2.3.1推力軸承故障推力軸承是水力發(fā)電機(jī)組重要部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)，直接影響機(jī)組運(yùn)行的可靠性，以及機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前，制造推力軸承軸瓦的合金一般為巴氏合金，這種合金比壓低，一般在3.55MPa之間，運(yùn)行溫度一般不超過(guò)7080。但隨著水電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，推力軸承的負(fù)荷，軸瓦面積和比壓亦不斷增大。這就容易引起軸瓦產(chǎn)生機(jī)械變形和溫度變形、軸瓦磨損等。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在水力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械故障中，有

24、60%出自推力軸承5。 2.3.1.1軸承鏡板故障 （1）鏡板鏡面光潔度降低引起推力軸承鏡板鏡面光潔度降低的主要原因有：硬質(zhì)微粒進(jìn)入油槽中和潤(rùn)滑油中滲入水，機(jī)組壽命和啟動(dòng)停機(jī)次數(shù)所決定的自然老化等。推力軸承鏡板鏡面光潔度降低會(huì)引起推力軸瓦溫度升高，瓦面摩擦系數(shù)增加，造成機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)困難。這類(lèi)軸承故障的特點(diǎn)是機(jī)組在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)可以從推力軸承中聽(tīng)到扎扎聲響。合金面上出現(xiàn)連點(diǎn)之后，隨著出現(xiàn)連續(xù)的磨損帶，磨損帶隨著機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)次數(shù)的增加而增大，磨損嚴(yán)重時(shí)就會(huì)使推力軸瓦的鎢金熔化，造成推力軸瓦故障。 （2）鏡板鏡面宏觀不平度增高 鏡板鏡面出現(xiàn)宏觀不平度的主要原因有：結(jié)構(gòu)上存在缺陷，載荷作用下在推力頭

25、筋板之間的底部產(chǎn)生撓曲，鏡板產(chǎn)生變形，推力頭產(chǎn)生變形，此外還有在運(yùn)行過(guò)程中，安裝時(shí)或安裝前所出現(xiàn)的鏡板殘余變形；以及裝在鏡板與推力頭之間的墊板損壞。 鏡板宏觀不平度的特征是：機(jī)組運(yùn)行時(shí)引起推力軸承鏡板鏡面的跳動(dòng)和推力瓦上應(yīng)力的脈動(dòng)的頻率通常是轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)(該倍數(shù)決定于凸出部分的數(shù)目，即鏡面上的波頂數(shù)目)，支持機(jī)構(gòu)(荷重機(jī)架或布置在水輪機(jī)頂蓋上的支持圓錐體)產(chǎn)生垂直振動(dòng)，其頻率為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)。 2.3.1.2推力瓦載荷分布不均勻以及軸瓦密封故障由于機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，推力軸承的各塊瓦上載荷分布并不是很均勻，它們之間存在一定的不平衡，由于載荷的不均勻，使得個(gè)別瓦塊過(guò)載。軸瓦溫度過(guò)高，機(jī)組常常限制出力

26、運(yùn)行。從機(jī)組長(zhǎng)期觀察記錄，認(rèn)為其原因主要有：機(jī)組底柱剛度不夠，安裝時(shí)主軸中心校正存在一定誤差，從而造成機(jī)組振動(dòng)過(guò)大，使推力瓦受力不均勻，瓦面出現(xiàn)裂紋、破碎以及最后因局部溫升過(guò)高而停機(jī)(還存在軸承支柱型式和冷卻方式等問(wèn)題)。推力軸瓦上載荷不均勻的特征是瓦溫分散。液壓支柱式推力軸承彈性油箱失去密封的主要原因：推力軸承的脈動(dòng)值增高和制造缺陷。推力軸承的脈動(dòng)值增高(因鏡板鏡面的不平度、鏡板鏡面與發(fā)電機(jī)軸線不垂直或因作用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的水流波動(dòng)所致)導(dǎo)致油從逆止閥滲漏。同時(shí)使彈性油箱產(chǎn)生裂紋，制造缺陷（油箱壁較薄、金屑切口）也會(huì)引起彈性油箱出現(xiàn)裂紋。這樣使彈性油箱失去密封性，造成推力軸承成為剛性，推力瓦

27、上載荷的不均勻度增大，使過(guò)載瓦的工作條件急劇惡化；同時(shí)造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下沉量過(guò)大，引起主軸端部橡膠密封的損壞及用水潤(rùn)滑的水導(dǎo)軸承的損壞，結(jié)果使大量水跑到水輪機(jī)頂蓋上?；炝魇剿啓C(jī)中，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下沉69mm時(shí)，可能會(huì)使迷宮式密封損壞。彈性油箱失去密封性的主要特征是彈性油箱及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有明顯下降。2.3.1.3推力軸承機(jī)械故障（1）推力頭松動(dòng)推力頭是推力軸承十分重要的零件之一。在設(shè)計(jì)、制造和安裝時(shí)必須保證推力頭具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及沖擊韌性，與軸頸配合后不允許有任何的松動(dòng)產(chǎn)生，但是，由于檢修和運(yùn)行所帶來(lái)的磨損破壞，往往使配合間隙逐漸增大而產(chǎn)生松動(dòng)。造成推力頭松動(dòng)的原因有：用收緊對(duì)稱(chēng)方向上的螺帽拆

28、裝推力頭的傳統(tǒng)人工機(jī)械方法，是加速推力頭磨損的主要因素；軸線處理過(guò)程中的磨損破壞；檢修工藝不當(dāng)所造成的磨損破壞；機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中的磨損。（2）推力軸承托瓦與瓦架凸臺(tái)相碰推力軸承托瓦與瓦架凸臺(tái)相碰產(chǎn)生的原因有：由于支撐結(jié)構(gòu)的變更，如以圓環(huán)墊代替支柱螺絲，而沒(méi)有考慮定位，托瓦可在圓環(huán)墊上錯(cuò)動(dòng)；在安裝時(shí)未按圖紙要求調(diào)整，位置不合要求等。推力軸承托瓦與瓦架凸臺(tái)相碰使瓦失去靈活性，瓦遭受磨損，導(dǎo)致瓦溫急劇上升或燒瓦。 （3）推力瓦變形推力瓦變形(主要包括機(jī)械變形和熱變形)，使瓦中央向上凸起，油膜厚度減薄，瓦溫升高，甚至瓦中央嚴(yán)重擦傷或熔化。推力瓦產(chǎn)生熱變形的原因主要是單塊瓦面積太大或太厚，推力瓦的機(jī)械變形主要

29、是由于瓦的面積大、支撐點(diǎn)小(尤其是支柱螺栓式的軸承)所引起。（4）推力瓦托盤(pán)斷裂 推力瓦托盤(pán)斷裂的原因是：機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行，加上推力頭與鏡板之間的組合螺栓未緊固或組合螺栓雖已緊固，但螺帽與銷(xiāo)釘沒(méi)有鎖緊固定。 2.3.2導(dǎo)軸承故障2.3.2.1導(dǎo)軸承機(jī)械故障（1）軸頸與軸瓦間隙增大水力發(fā)電機(jī)組機(jī)械不平衡或電氣不平衡是間隙增大的主要原因。機(jī)械或電氣不平衡導(dǎo)致作用到導(dǎo)軸瓦上的交變力提高(交變力的頻率為機(jī)組轉(zhuǎn)頻或其倍頻)。交變力使這些元件出現(xiàn)凹坑或裂紋，長(zhǎng)期下去就會(huì)使這些元件遭受破壞。元件遭受破壞后，軸頸與軸瓦之間的間隙擴(kuò)大。另外，軸頸與軸瓦之間的間隙擴(kuò)大，使發(fā)電機(jī)主軸的擺度增大，擺度增大又引

30、起作用于瓦上的交變力增大，交變力增大后，又使支持元件產(chǎn)生更大的損壞，這樣就形成了一個(gè)惡性循環(huán)，使軸承局部破壞或產(chǎn)生干摩擦，導(dǎo)致軸承溫度急劇上升。導(dǎo)軸承的制造缺陷如：支持元件上（支持螺栓頭部、墊板、墊片等）出現(xiàn)凹坑或裂紋，也引起軸頸與軸瓦的間隙增大。（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間隙不均勻發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙不均勻會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承瓦溫升高。產(chǎn)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間隙不均勻的原因有：定、轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生松動(dòng)、安裝缺陷等。2.3.2.2其它故障由于導(dǎo)軸承存在結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致潤(rùn)滑油循環(huán)不良，和通過(guò)軸頸與軸瓦之間的潤(rùn)滑油流量過(guò)大或過(guò)小，導(dǎo)致軸瓦溫度升高。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，有時(shí)在導(dǎo)軸承的軸頸與軸瓦間、推力軸承的鏡板和推力瓦之間有電流

31、通過(guò)，該電流即稱(chēng)為軸承電流(簡(jiǎn)稱(chēng)軸電流)。當(dāng)軸電流通過(guò)摩擦部分時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電弧火花，使瓦溫有明顯上升，并引起摩擦表面燒損，釀成事故5。產(chǎn)生軸電流的原因主要有：?jiǎn)螛O效應(yīng)引起的軸電流；軸電壓引起的軸承電流。 2.4機(jī)組振動(dòng)故障水電機(jī)組的振動(dòng)是水電機(jī)組中最常見(jiàn)、最主要的故障，其直接威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)機(jī)組發(fā)生的故障有80%是由振動(dòng)引起的2，因此認(rèn)識(shí)并把握機(jī)組振動(dòng)故障的特點(diǎn)是機(jī)組在線監(jiān)測(cè)與故障診斷的首要任務(wù)。水電機(jī)組振動(dòng)與其它機(jī)械設(shè)備振動(dòng)相比有十分顯著的特點(diǎn)：一是振動(dòng)故障的漸變性、二是振動(dòng)故障的復(fù)雜性、三是振動(dòng)故障的不規(guī)則性。水電機(jī)組的轉(zhuǎn)速相比其它大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備而言，其轉(zhuǎn)速低。因此，其磨損以及疲

32、勞具有漸變性，其振動(dòng)所引起的故障也具有漸變性。水電機(jī)組是一個(gè)大型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其組成包含水力、機(jī)械以及電氣系統(tǒng)。影響運(yùn)行的因素有機(jī)械、水力以及電氣，故運(yùn)行中出現(xiàn)的振動(dòng)就有可能是由機(jī)械引起，或者是由水力或電氣引起的，也有可能是由這三者互相耦合引起的。振動(dòng)的復(fù)雜多樣性也決定了對(duì)水電機(jī)組的振動(dòng)機(jī)理研究很困難。水電機(jī)組型號(hào)以及容量的設(shè)計(jì)受地理位置、地址狀況以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等多方面的影響，每個(gè)電站的實(shí)際條件不一樣，不同機(jī)組的振動(dòng)就表現(xiàn)出不同的特性。巖灘水電站在1993年12月，1#機(jī)組因振動(dòng)使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠引水鋼板斷裂，甩出2、20的鋼板，撞磨水輪機(jī)頂蓋。1994年1月該廠的2#機(jī)組剛運(yùn)行4個(gè)多月，出現(xiàn)同1#

33、機(jī)組一樣的問(wèn)題。六朗洞水電站1#、2#機(jī)組因發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙不均勻、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件靜不平衡，軸線曲折，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊型線不光滑等原因，機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，造成托油盤(pán)振壞，永磁機(jī)軸振斷。湖南江埡水電站3#機(jī)組下導(dǎo)擺度大，在負(fù)荷工況下，幅值可達(dá)到0.80。貴州東風(fēng)發(fā)電機(jī)廠1#機(jī)甩負(fù)荷時(shí)振動(dòng)、擺度增大，甩負(fù)荷后，如果不停機(jī)，振動(dòng)、擺度就不能恢復(fù)到原來(lái)值。石門(mén)電廠3#機(jī)組，因機(jī)組軸線曲折傾斜，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡，使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。劉家峽電廠在1997年7月，2#機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠引水板因振動(dòng)引起不均勻開(kāi)焊。沈家水電站2#機(jī)組，因水輪機(jī)產(chǎn)生空腔空蝕產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，引起機(jī)組振動(dòng)，機(jī)組只能低

34、負(fù)荷運(yùn)行。影響機(jī)組振動(dòng)的因素主要有機(jī)械、水力以及電磁。機(jī)械方面的原因有：轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡、彎曲、以及部件脫落，機(jī)組對(duì)中不良、法蘭連接不緊或固定件松動(dòng)，固定部件與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的碰磨，導(dǎo)軸承間隙過(guò)大、推力軸承調(diào)整不良等等。水力原因：卡門(mén)渦引起的中高頻壓力脈動(dòng)，葉片進(jìn)口水流沖角過(guò)大引起的中高頻壓力脈動(dòng)，尾水管內(nèi)的漩渦流引起的壓力脈動(dòng)等等。電磁方面：發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間隙不均勻，轉(zhuǎn)子及磁極線圈匝間短路，轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)對(duì)定子幾何中心不對(duì)稱(chēng)等等。2.4.1機(jī)械振動(dòng)水電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)部件和支承結(jié)構(gòu)都是按軸對(duì)稱(chēng)布置，以保證機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定。但是實(shí)際上由于機(jī)械結(jié)構(gòu)存在缺陷，以及安裝不當(dāng)，機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)械缺陷或故障引

35、起的振動(dòng)有共同的特點(diǎn)，其振動(dòng)頻率多為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，不平衡力一般為徑向水平方向。當(dāng)大軸在法蘭連接處對(duì)接不好，大軸有折線，若導(dǎo)軸承影響大軸自由旋轉(zhuǎn)，迫使大軸彎曲，從而引起機(jī)組振動(dòng)。當(dāng)混流式水輪機(jī)出力增加時(shí)，作用在轉(zhuǎn)論上的軸向水壓力增大，使得機(jī)組振動(dòng)有所減弱。旋轉(zhuǎn)部件在安裝運(yùn)行時(shí)都要經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)，靜平衡試驗(yàn)以及動(dòng)平衡試驗(yàn)等。發(fā)電機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)部件，當(dāng)它的質(zhì)量不平衡時(shí)，將產(chǎn)生于大軸垂直的徑向離心力。此離心力與轉(zhuǎn)速平方成正比，振幅與激擾力成正比，即由質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)的振幅和轉(zhuǎn)速的平方成正比。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中由于磨損、空蝕等多種原因使得機(jī)組的質(zhì)量不平衡加重，這進(jìn)一步加劇了振動(dòng)。存在加工誤差以及

36、安裝誤差，使得機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分不同心或轉(zhuǎn)輪上水流不對(duì)稱(chēng)。運(yùn)行中產(chǎn)生的摩擦，使轉(zhuǎn)輪周期性的推向一側(cè)，引起摩擦擾動(dòng)。振動(dòng)頻率一般為轉(zhuǎn)頻或倍頻。2.4.1.1轉(zhuǎn)子不平衡故障不平衡故障是水電機(jī)組最常見(jiàn)的故障，引起這類(lèi)故障的原因有：水電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在制造和安裝時(shí)存在一定的誤差，水輪機(jī)的鑄造材質(zhì)不均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磨損，轉(zhuǎn)子部件松動(dòng)和脫落等。由于造成不平衡故障的原因很多，按照不平衡的發(fā)生過(guò)程可以分為：原始不平衡、漸發(fā)性不平衡以及突發(fā)性不平衡。原始不平衡是由于水電機(jī)組轉(zhuǎn)子存在制造誤差、裝配誤差以及轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻等原因造成，在對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)靜平衡時(shí)，未達(dá)到平衡精度，就投入運(yùn)行。原始不平衡這類(lèi)故

37、障，在投入初期表現(xiàn)明顯，機(jī)組振動(dòng)較大。漸發(fā)性不平衡是由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中不同部位的磨損程度不一樣以及其它原因造成的。表現(xiàn)為這類(lèi)不平衡引起的振動(dòng)的振值隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。突發(fā)性不平衡是一種危險(xiǎn)性很大的故障，是由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分上零部件脫落或水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道上附有異物以及部件松動(dòng)等原因引起的。可能脫落的部件有葉片及平衡質(zhì)量塊；發(fā)生松動(dòng)的部件可能有轉(zhuǎn)子線圈及聯(lián)軸器等。飛脫時(shí)產(chǎn)生的工頻振動(dòng)是突發(fā)性的，振幅迅速增大到一個(gè)固定值，相位也同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)固定的變化。立式水電機(jī)組的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸心有兩個(gè)，一個(gè)是轉(zhuǎn)子本身的軸線，另一個(gè)是軸承的幾何軸心，這就是轉(zhuǎn)子的弓狀回旋。轉(zhuǎn)子作弓狀回旋引起的不平衡力近似為：

38、 (2-5)式中： M轉(zhuǎn)子的質(zhì)量（），轉(zhuǎn)子的角速度(rad/s)，rg 弓狀回旋半徑（m）。從式2-5可以看出，不平衡力與轉(zhuǎn)子質(zhì)量、轉(zhuǎn)速和弓狀回旋半徑有關(guān)，影響不平衡力的因素除此之外，還有軸線的曲折度（軸線與法蘭的不垂直度），軸線與推力鏡板的垂直度，推力軸承的水平，各導(dǎo)軸承的間隙、同心度以及不平行度等因素有關(guān)。如圖2-1所示的水電機(jī)組轉(zhuǎn)子力學(xué)模型包括了質(zhì)量不平衡以及轉(zhuǎn)子的弓狀回旋，水電機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量M，偏心質(zhì)量m，偏心距e，弓狀回旋半徑rg。圖2-1 水電機(jī)組轉(zhuǎn)子力學(xué)簡(jiǎn)化模型由于有偏心質(zhì)量m和偏心距e的存在，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生離心力、離心力矩或者兩者都產(chǎn)生。離心力的大小與偏心質(zhì)量m、偏心距e及

39、旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，離心力F為： (2-5)從式2-5可以看出，離心力F是一個(gè)大小和方向作周期性變化，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則離心力方向變化一次。交變的力會(huì)引起振動(dòng)，這就是不平衡引起振動(dòng)的原因，同時(shí)不平衡引起的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)頻一致。由于轉(zhuǎn)子對(duì)平衡質(zhì)量的響應(yīng)在x，y向的振動(dòng)相位差為90度，因此轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡或偏心引起的振動(dòng)特征是轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為圓。但是由于轉(zhuǎn)軸可能存在不同方向上的剛度差別，尤其是支承剛度各向不同，轉(zhuǎn)子對(duì)平衡質(zhì)量的響應(yīng)在x，y向振動(dòng)的幅值也不相同，因而轉(zhuǎn)子的軸心軌跡可能出現(xiàn)橢圓。水電機(jī)組轉(zhuǎn)子屬于剛性轉(zhuǎn)子，運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，所以振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速增加而增加。物體溫度升高或降低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象

40、。對(duì)于軸這類(lèi)圓斷面的物體，當(dāng)橫斷面上沿圓周的溫度分布不均勻時(shí)，軸將因不均勻膨脹而發(fā)生彎曲。軸的彎曲不但加大了軸的弓狀回旋半徑，使離心力進(jìn)一步增大，而且增加機(jī)組的機(jī)械不平衡和磁不平衡。發(fā)生這類(lèi)情況，大多是因?yàn)檩S發(fā)生偏磨。2.4.1.2轉(zhuǎn)子軸線不對(duì)中故障由于轉(zhuǎn)子之間利用連軸器進(jìn)行聯(lián)接時(shí)存在安裝誤差，或軸承中心線發(fā)生偏斜或偏移，或轉(zhuǎn)子的彎曲、轉(zhuǎn)子與軸承的內(nèi)隙，或承載后轉(zhuǎn)子與軸承的變形等原因，造成轉(zhuǎn)子之間的對(duì)中不良，引起機(jī)組振動(dòng)，甚至出現(xiàn)機(jī)械故障。機(jī)組軸線不對(duì)稱(chēng)時(shí)，除其本身所產(chǎn)生的不平衡力外，還會(huì)引起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的偏靠，增大弓狀回旋半徑，加大由弓狀回旋引起的不平衡力。由于引起軸線不對(duì)中的因素很多，所以軸

41、線不對(duì)中通常表現(xiàn)為三類(lèi)，如圖2-2：(a) 平行不對(duì)中 （b）角度不對(duì)中 (c)綜合不對(duì)中圖2-2 轉(zhuǎn)子軸線不對(duì)中（1）平行不對(duì)中即轉(zhuǎn)子軸線徑向平行移動(dòng)，如圖2-3a所示水輪機(jī)轉(zhuǎn)子為主動(dòng)軸，軸心投影為A，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為從動(dòng)軸，軸心投影為B，聯(lián)軸器軸心為Q。AQ為主動(dòng)軸軸心和聯(lián)軸器軸心的連線，BQ為從動(dòng)軸軸心和聯(lián)軸器軸心的連線，AB長(zhǎng)D，取轉(zhuǎn)角為自變量，則： (2-6)對(duì)自變量求導(dǎo)，得 (2-7)Q點(diǎn)速度為 (2-8) （a）平行不對(duì)中 (b)聯(lián)軸器運(yùn)動(dòng)分析圖2-3轉(zhuǎn)子平行不對(duì)中由于轉(zhuǎn)軸角速度為，Q點(diǎn)繞中心運(yùn)動(dòng)的角速度為 (2-9)從式可以看出，Q點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為轉(zhuǎn)子角速度的兩倍，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)

42、生離心力，激勵(lì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)的頻率為二倍轉(zhuǎn)頻。此外平行不對(duì)中產(chǎn)生的振動(dòng)可能含有大量的諧波分量。（2）角度不對(duì)中此時(shí)兩轉(zhuǎn)子軸心線相互交叉，或稱(chēng)角度位移，如圖2-2b所示，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度不同，設(shè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度為1，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度為2，a為角度偏斜角，為水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，如圖2-4a所示。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度為： (2-10)(a)角度不對(duì)中 （b）轉(zhuǎn)速比變化曲線圖2-4 水電機(jī)組轉(zhuǎn)子角度不對(duì)中從圖2-4b可以看出水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速周期性的變化兩次，其變化范圍為： (2-11)角度不對(duì)中使聯(lián)軸器附加一個(gè)彎矩，彎矩總是力圖減小水輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸線和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸

43、線的偏角，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，彎矩作用方向變化一次，所以角度不對(duì)中的結(jié)果是轉(zhuǎn)子的軸向力增加，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻振動(dòng)。（3）綜合不對(duì)中此時(shí)屬于平行不對(duì)中與角度不對(duì)中綜合作用，兩轉(zhuǎn)子軸心線相互交錯(cuò)位移。在實(shí)際中所遇到的軸線不對(duì)中，屬于單一的平行不對(duì)中或偏角不對(duì)中的情況很少，通常是平行偏角綜合不對(duì)中，即轉(zhuǎn)子軸線既有徑向位移又有偏角位移，振動(dòng)方向存在徑向和橫向兩個(gè)方向。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)有一個(gè)兩倍頻的附加徑向力作用于導(dǎo)軸承上，同時(shí)還有一個(gè)一倍頻附加軸向力作用于止推軸承上。軸線不對(duì)中所表現(xiàn)出來(lái)的主要特征有：a） 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形為畸變的正弦波，b） 軸線振頻以轉(zhuǎn)頻為主，c） 徑向振動(dòng)的轉(zhuǎn)頻以一倍頻和二倍頻分量為

44、主，軸線不對(duì)中越嚴(yán)重，二倍頻分量的比例越大。d） 振動(dòng)對(duì)負(fù)荷變化比較敏感，一般振動(dòng)幅值隨負(fù)荷增加而增大。2.4.1.3油膜渦動(dòng)水力發(fā)電機(jī)組軸承屬于重載低轉(zhuǎn)動(dòng)壓軸承，在某一突然開(kāi)始的轉(zhuǎn)速下，軸承中就會(huì)產(chǎn)生油膜渦動(dòng)。渦動(dòng)是轉(zhuǎn)子軸頸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還圍繞軸頸某一平衡中心做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。水電機(jī)組中油膜渦動(dòng)的角速度接近轉(zhuǎn)速的一半，也稱(chēng)為“半速渦動(dòng)”，其產(chǎn)生的機(jī)理如下。軸頸在軸承中作偏心旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成一個(gè)進(jìn)口斷面大于出口斷面的油契，如果進(jìn)口處的油液流速并不馬上下降，則軸頸從油契間隙大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量，由于液體的不可壓縮性，多余的油將軸頸推向前進(jìn)，形成了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動(dòng)，渦動(dòng)速度即

45、為油契本身的前進(jìn)速度。圖2-5 軸頸半速渦動(dòng)油膜渦動(dòng)速度計(jì)算如下:當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度為時(shí)，由于潤(rùn)滑油具有粘性，所以軸頸表面的油流速度與軸頸線速度相同，均為r，而軸瓦表面處的潤(rùn)滑油流速呈直線分布（見(jiàn)圖2-5三角速度分布）。在油契力的推動(dòng)下轉(zhuǎn)子發(fā)生渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，渦動(dòng)角速度為，假定dt時(shí)間內(nèi)軸頸中心從O1點(diǎn)渦動(dòng)到O點(diǎn)，軸以瞬時(shí)速度e向上運(yùn)動(dòng)，在軸的下部形成的空隙的面積為2re，此面積為潤(rùn)滑油在AA、BB斷面間隙中的流量差。假定軸承兩端的泄油量為dQ，根據(jù)流體力學(xué)的連續(xù)條件可得： (2-12)解式可得 (2-13)當(dāng)軸承兩端泄漏量dQ為零時(shí)，可得 (2-14)因?yàn)闇u動(dòng)速度等于轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速的一半，所以這種油膜

46、渦動(dòng)稱(chēng)之為半速渦動(dòng)。但是實(shí)際中存在：在收斂處入口的油流速度由于受到不斷增大的油壓作用而逐漸減慢，而收斂區(qū)出口的油速在油契壓力作用下有所增大，兩者的相互作用與軸頸旋轉(zhuǎn)時(shí)所引起的直線速度分布相疊加，速度上分布的差別使軸頸渦動(dòng)速度下降；軸承兩端的潤(rùn)滑油泄漏量dQ不為零。這些因素造成油膜渦動(dòng)頻率通常略低于半倍轉(zhuǎn)頻，渦動(dòng)頻率約為： (2-15)隨著工作轉(zhuǎn)速的升高，油膜半速渦動(dòng)頻率也不斷升高，頻譜中半頻諧波的振幅不斷增大，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇。2.4.1.4其它故障（1）推力頭松動(dòng)推力頭松動(dòng)是指推力頭內(nèi)孔和軸頸之間存在間隙，軸和推力頭之間存在可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。推力頭松動(dòng)時(shí)，機(jī)組振動(dòng)和擺度表現(xiàn)為：（a） 機(jī)組運(yùn)

47、行時(shí)的動(dòng)態(tài)軸線的形狀和方位在某一工況下會(huì)突變，在突變發(fā)生的臨界工況下，機(jī)組的振動(dòng)和擺度很不穩(wěn)定。（b） 水輪機(jī)軸的擺度較大，與其相應(yīng)迷宮壓力脈動(dòng)較大。（2）軸瓦間隙過(guò)大軸瓦間隙的大小直接決定轉(zhuǎn)子弓狀回旋半徑與軸擺度的大小。間隙增大后，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速降低，這容易引起機(jī)組共振或機(jī)組自激振動(dòng)。引起軸瓦間隙增大的原因很多，主要有：徑向不平衡力較大，導(dǎo)軸承出現(xiàn)過(guò)載；軸瓦支持件設(shè)計(jì)不合理，如結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、硬度、剛度等，在不平衡力作用下，這些部件出現(xiàn)較大的彈性或永久變形。2.4.2電磁振動(dòng)水電機(jī)組的電磁振動(dòng)可分為極頻振動(dòng)和轉(zhuǎn)頻振動(dòng)。轉(zhuǎn)頻振動(dòng)的頻率為機(jī)組轉(zhuǎn)頻或機(jī)組轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，即： (2-16)產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻振動(dòng)的主要

48、原因有：a） 轉(zhuǎn)子與定子間間隙不勻。b） 轉(zhuǎn)子外圓不圓。c） 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡或有匝間短路。由電磁引起的極頻振動(dòng)其頻率大致為100Hz，這在信號(hào)頻譜圖上就會(huì)有明顯的高頻出現(xiàn)。產(chǎn)生極頻振動(dòng)的原因很多，目前認(rèn)為主要是由以下原因引起的：a） 定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢(shì)，其表現(xiàn)為振幅隨負(fù)載電流增大而增大。b） 定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流產(chǎn)生的磁勢(shì)。由于水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組通常采用集中布置的并聯(lián)方式，當(dāng)支路集中時(shí)，轉(zhuǎn)子的偏心將在支路內(nèi)引起環(huán)流，其產(chǎn)生一系列的不對(duì)稱(chēng)次諧波勢(shì)，與分?jǐn)?shù)槽次諧波類(lèi)似，可以引起定子極頻振動(dòng)。c） 負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢(shì)，當(dāng)定子三相繞組負(fù)載不對(duì)稱(chēng)時(shí)，繞組會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，這又產(chǎn)生相序相反的磁場(chǎng)，與主磁場(chǎng)疊加

49、產(chǎn)生一個(gè)空間次數(shù)為0的磁場(chǎng)，引起定子鐵芯作駐波式的振動(dòng)。d） 定子不圓、機(jī)組合縫不好，這種原因是引起機(jī)組磁振的主要原因。除振動(dòng)外，還伴有較大的噪聲。機(jī)組合縫不好引起的振動(dòng)，在常溫下最強(qiáng)，隨著鐵芯的溫度升高，振動(dòng)和噪聲減小。造成定子鐵芯組和縫松動(dòng)的原因一般為：機(jī)組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，定子鐵芯各部件溫度變化差異引起內(nèi)應(yīng)力的變化，這種變化引起了定子鐵芯組和縫緊度產(chǎn)生不均勻變化，從而造成組和縫的墊片松動(dòng)和損壞。e） 當(dāng)定子繞組三相不平衡時(shí)，也會(huì)引起極頻振動(dòng)。f） 硅鋼片壓合不緊，波浪度較大會(huì)引起較強(qiáng)的噪聲，局部地方會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分因受不平衡力的作用產(chǎn)生振動(dòng)，這些不平衡力主要來(lái)自于：周期性的

50、磁拉力分量；轉(zhuǎn)子和定子間存在不均勻的空氣間隙引起的作用力；轉(zhuǎn)子線圈短路引起的力；發(fā)電機(jī)在不對(duì)稱(chēng)工況下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力。2.4.3水力振動(dòng)在水電機(jī)組的振動(dòng)中，水力振動(dòng)的機(jī)理最為復(fù)雜，而且其對(duì)機(jī)組振動(dòng)起著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)這一部分的研究也是投入最大。水流對(duì)水電機(jī)組過(guò)流部件所產(chǎn)生的擾動(dòng)力作用在各部件上，使其產(chǎn)生交變的機(jī)械應(yīng)力及振動(dòng)，并有可能產(chǎn)生電機(jī)功率擺動(dòng)。當(dāng)激振頻率與機(jī)組固定頻率相同或相近時(shí)，就產(chǎn)生共振，這有可能會(huì)使整個(gè)機(jī)組振動(dòng)過(guò)大而發(fā)生重大事故。水電機(jī)組的水力振動(dòng)是水力機(jī)械相互作用的而產(chǎn)生的。機(jī)組的水力振動(dòng)主要有兩個(gè)方面：一是過(guò)流部件中流速場(chǎng)速度分布不均勻產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，這個(gè)壓力脈動(dòng)是零部件的

51、激振源；二是水流繞流后，脫流漩渦所誘發(fā)的壓力脈動(dòng)。由于水流特性不易掌握，水力振動(dòng)的機(jī)理十分復(fù)雜，許多現(xiàn)象目前不能用理論系統(tǒng)地解釋和計(jì)算，只能依靠試驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)和解釋振動(dòng)現(xiàn)象。試驗(yàn)有真機(jī)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，模型機(jī)組振動(dòng)和真機(jī)振動(dòng)之間的關(guān)系也很復(fù)雜，所以模型振動(dòng)試驗(yàn)只能部分反映真機(jī)的情況，要研究真機(jī)的振動(dòng)現(xiàn)象必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。2.4.3.1 尾水管內(nèi)水流引起的低頻振動(dòng)低頻渦帶是混流式機(jī)組以及軸流定槳式機(jī)組普遍存在的振動(dòng)源。由于各種原因，如進(jìn)口速度不均，葉片正面的脫流等隨機(jī)因素，使得流道內(nèi)的渦環(huán)呈軸不對(duì)稱(chēng)布置，這樣形成了螺旋形漩渦。螺旋形渦帶（渦核）在尾水管中旋轉(zhuǎn)的頻率稱(chēng)為壓力脈動(dòng)的頻率。此脈動(dòng)頻率經(jīng)實(shí)驗(yàn)證

52、實(shí)在尾水管處都一樣，而且與渦帶頻率對(duì)應(yīng)的為單位時(shí)間里水流繞圓管旋轉(zhuǎn)的次數(shù)（旋轉(zhuǎn)頻率）?；炝魇剿啓C(jī)的渦帶頻率為：圖2-6 渦帶頻率計(jì)算示意圖 (2-17)ra,中央流線出口處半徑和安放角。如（圖2-1）n 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速D2 下環(huán)出口處半徑K 理論公式的修正系數(shù)通常水輪機(jī)尾水管內(nèi)振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系表示為： (2-18)式中S為計(jì)算系數(shù)，對(duì)于低負(fù)荷下混流式水輪機(jī)尾水管內(nèi)的低頻壓力脈動(dòng)頻率，S可近似為：a） 雷甘斯的經(jīng)驗(yàn)公式：b） 細(xì)井豐實(shí)驗(yàn)公式：從公式2-7和2-8可知渦帶頻率與轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)輪的幾何尺寸有關(guān)。對(duì)于不同型號(hào)和容量的機(jī)組，其渦帶頻率都不一樣。由于渦帶的波動(dòng)周期長(zhǎng)、波幅大，而且與水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)

53、部件接觸面積大，易引起機(jī)組軸系振動(dòng)。尾水管中的脈動(dòng)壓力，除上述的低頻渦帶外，還有中頻和高頻脈動(dòng)壓力。中頻脈動(dòng)壓力頻率接近機(jī)組的轉(zhuǎn)頻，其易引起機(jī)組振動(dòng)和壓力管道振動(dòng)。多數(shù)試驗(yàn)表明，在強(qiáng)制渦核中心的壓力高于汽化壓力且無(wú)空腔空蝕時(shí)，尾水管中的壓力脈動(dòng)幅值和吸出高度Hs基本無(wú)關(guān)。當(dāng)Hs增大到強(qiáng)制渦核開(kāi)始出現(xiàn)空腔空蝕，壓力脈動(dòng)開(kāi)始急劇增加，使壓力脈動(dòng)幅值達(dá)到最大值。當(dāng)Hs再增大，壓力脈動(dòng)幅值反而減小，這是因?yàn)閺?qiáng)制渦核內(nèi)溶解空氣和游離空氣增多到一定程度時(shí)起了穩(wěn)定和阻尼作用。2.4.3.2葉片與導(dǎo)葉振動(dòng)由于進(jìn)水不均勻，造成漩渦進(jìn)入渦殼，這些分散的小漩渦可能匯集成較大得渦帶進(jìn)入轉(zhuǎn)輪而引起振動(dòng)。振頻為：f葉= Z葉f0 (2-19)式中 f0 轉(zhuǎn)頻Z葉轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)。導(dǎo)葉造成的水流不均勻，會(huì)引起導(dǎo)葉出水邊處邊界層脫流，形成渦帶，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪引起振動(dòng)。對(duì)低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，因水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪十分靠近導(dǎo)葉出水邊，故影響較大，對(duì)于高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，因?qū)~出水邊距轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊距離大，影響較小。導(dǎo)葉頻率為：f導(dǎo)= Z導(dǎo)f0 (2-20)式中 f0 轉(zhuǎn)頻Z導(dǎo)轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉數(shù)由式2-9和式2-