水轮发电机组的转子系统由通过法兰连接的水轮机、励磁机和发电机各转子连成的轴系，上机架的上导轴承（下导）和水导轴承的导向支承，在水流的推动下进行低速运转。转子、联轴器、导轴承、基础、密封等部件的任何缺陷或故障，以及水流压力和电网的扰动，均会不同程度地诱发激振力，产生多种多样的振动形式。作为一种特殊的旋转机械，应从理论研究和实验分析两方面着手研究水轮发电机组振动故障原因与振动征兆参量之间的对应关系，以此建立起故障样本与征兆模糊关系矩阵，为进一步实现机组的实时在线自动诊断打下基础。

01 故障的振动频谱特征

振动信号的处理有时域和频域分析两种基本方法。通过对振动信号进行频谱分析可以获得反映信号特征的三个基本要素：振幅、频率和相位。振幅反映了故障发生的严重程度，频率和相位反映了故障的性质。水轮发电机组的不同故障总是对应着一定的频率成分。运用频谱分析方法，国内外有关专家对遇到的大量实际故障进行分类统计，按照征兆对应的故障发生频率建立了用于故障诊断的征兆频率表。比较有名的是美国的J. S. Sohre在600多次事故分析的基础上，根据经验编制出了旋转机械振动故障分析表和日本的白木万博的“得分法”。这里参考Sohre提供的定量化征兆表并根据白木万博的“得分法”和大量文献资料总结出如下的针对水轮发电机组常见故障频谱特征表（1）。

表1 水轮发电机组机振动故障频谱特征表

注：表中f0为转子工作频率。

02 故障的振动部位判别

振动幅值的大小是反映故障发生严重程度的一种度量。大量的工程实践表明，当发生振动故障时，总会在水轮机组的某个部位检测到超过允许值的振动或摆度。实际的现场技术人员通常也是根据监测点的振动进行故障原因的初步判断。一般例子如下：

1）若在水导轴承处的振动比其他部位更明显时，可能是蜗壳、导叶及转轮中的水力不平衡（该水力不平衡主要来自于蜗壳、导叶中的不均匀流场和导叶开口不均匀，转轮线型、间隙、开口不均匀）所引起的机组振动。

2）若上机架处振动较为明显时，则振动原因多为机组推力轴承（仅对悬式机组）、上导轴承有缺陷（间隙摆度调整不适合）或故障，或机组轴线有曲折、机组中心发生变化，或发电机零部件有缺陷或故障。

3）若因转轮叶片出水边线型差异、叶片尾部形成卡门涡列、尾水管中产生偏心涡带等引起的机组振动，则在压力钢管、尾水管顶板均可测得明显振动，蜗壳中会出现较大水压波动。

因此，根据机组振动部位的不同，也可在一定程度上判断振动故障原因。当水轮发电机组发生振动故障时，总会在机组的某个（或某些）部位产生较大的振动或摆度，即振动部位反映与振动故障有着一定的对应关系。

采用“得分法”对监测振动超标部位作故障主要原因初步判断，再根据振动的特征进一步细化，总结出机组常见故障振动部位特征模糊关系矩阵（表2），作为水轮机组振动故障与振动部位的一种量化征兆表。需要说明的是，本文得到的标准故障模式类故障频谱特征表（表1）和振动部位特征（表2）是具有通用性的一般结论，可以作为水轮发电机组故障诊断的基本依据，但在实际应用中，还需要根据特定机组对这两个表的内容进行适当调整。

表2 水轮发电机组机振动故障幅值特征表