3 试验过程及结果分析
变转速试验在20%～100%相对转速下进行，变励磁试验在20%～100%励磁电压下进行，变负荷试验则从15%负荷开始，至100%额定负荷下完成。相应测点振动、摆度及压力脉动试验结果峰峰值均采用97%置信度。
3.1 摆度测试结果及分析
摆度测试结果（图1～图3和表2）显示，上导、下导摆度值随转速变化不大，幅值也较小；水导摆度值从40%转速开始，随转速升高迅速增大，且至100%转速时，达到最大值（约670μm）。上导、下导、水导摆度值随转速平方变化均呈非线性，且随励磁电流也基本保持不变，表明机组并不存在明显的机械不平衡力和电磁不平衡力。不同负荷下的水导摆度水平均明显高于上导和下导，其中水导+X向摆度在80MW工况附近时达到最大值，接近700μm。随后在80～160MW区间，摆度幅值呈下降趋势，在160～200MW区间，水导摆度再次出现上扬。
图1 摆度混频峰峰值与相对转速的关系曲线
图2 摆度混频峰峰值与励磁电流的关系曲线
表2 不同负荷下的摆度混频峰峰值
图3 摆度混频峰峰值与负荷的关系曲线
频率分析显示，水导摆度在除81.84MW以外的工况时，主频均为转频；在81.84MW工况时，主频为涡频2.56Hz（约为转频的30%，转频为8.33Hz），但其频谱中包含明显的转频成分。可见，2号机组的水导摆度主要是受转动部件影响，在涡带工况区，水导摆度在水力因素及转动因素的双重影响下，达到最大值。81.84MW工况水导+X摆度频谱局部图如图4所示。
图4 81.84MW工况水导+X摆度频谱局部图
根据“《旋转机械转轴径向振动的测量和评定 第5部分：水力发电厂和泵站机组》（GB/T 11348.5—2008/ISO 7919—5：2005）”的规定，对转速500r/min的机组，水导摆度的区间划分为：A区（0～142.9μm）、B区（142.9～235.4μm）、C区（235.4～470.0μm）、D区（470.0μm以上）。从表2可见，2号机组在整个负荷区间，水导+X向摆度峰峰值均位于D区，水导-Y向摆度峰峰值位于C、D两区，即2号机组需考虑具体的设计和运行条件，判断机组是否允许长期连续运行。（A区—新交付使用的机器的振动通常应在此区域内；B区—通常认为振动在此区域内的机器可以无限制地长期运行；C区—通常认为振动在此区域内的机器不宜长期持续运行，一般来说，在有适当机会采取补救措施之前，机器在这种状态下可以运行有限的一段时间；D区—通常认为在此区域内的振动已经非常严重，足以导致机器损坏）
3.2 振动测试结果及分析
图5 部分振动测点随转速变化趋势
图6 部分振动测点随负荷变化趋势
表3 额定转速下的顶盖、推力下支架、水导瓦架下部振动混频峰峰值
振动测试结果（图5、图6和表3）显示，各测点振动幅值在80%～100%转速段都出现迅速上升的情况，至100%转速时达到最大值。推力下支架Z向、顶盖Z向及水导瓦架振动幅值相对较大。其中，水导瓦架下部-Y和上部+X向测点振动幅值峰峰值均接近传感器量程。变励磁电流试验中，除个别测点，绝大部分测点振动幅值随励磁电流基本没有变化或变化很小。
不同负荷工况下的振动测试结果显示，除水导瓦架的部分测点及在部分工况下，2号机组振动情况良好。根据“《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第5部分：水力发电厂和泵站机组》（GB/T 6075.5—2002/ISO 10816—5：2000）”的规定，对转速500r/min的机组，水导轴承座振动的区间划分为：A区（0～1.6mm/s）、B区（1.6～2.5mm/s）、C区（2.5～4.0mm/s）、D区（4.0mm/s以上）（各区定义同摆度）。表4显示，除水导瓦架下部-Y向测点在空载和26.37MW负荷工况外，其余各测试结果均处于A～B区间，通常认为机组可以无限制地长期运行。顶盖Z向振动和推力下支架Z向振动也较大，顶盖Z向在满负荷工况振动RMS值达到5.04mm/s、推力下支架Z向振动RMS值基本在4mm/s以上，目前尚无相关标准进行评判，但需要对此振动情况予以关注。另外，在变负荷试验过程中，水导瓦架上部+X测点在全负荷范围内以及下部-Y测点在空载和26.37MW工况下测量值仍然接近传感器满量程，推测可能是机组接近额定转速工况时水导瓦架振动较大，传感器接近量程或超量程后，振动未及时复位造成测量异常（在水导瓦架振动随负荷变化趋势中未采用上部+X数值）。
表4 不同负荷下的水导瓦架下部、顶盖、推力下支架振动RMS值
通过频谱分析发现，在各典型负荷工况下，顶盖Z向振动主频为116.66Hz，即2倍叶片过流频率，次频中包含转频、叶片过流频率及其倍频，甚至包含更高阶叶片过流频率成分。水导瓦架随负荷工况变化，主频虽有所变化，但其频率成分中始终含有明显的叶片过流频率及其倍频，且随着负荷增大，主频逐渐变为2倍的叶片过流频率。推力下支架Z向振动的主频为8～9倍转频，其频率成分中也含有转频、转频倍频、叶片过流频率及其倍频等，其中转频及其倍频所占比例较高。
3.3 压力脉动测试结果及分析
压力脉动测试结果（图7和图8）显示，大部分测点压力脉动均在80%～100%转速段急剧上升至最大值，其中，转轮与泄流环间、无叶区以及转轮与顶盖间外侧测点压力脉动在60%转速时出现一个小的峰值。各测点压力脉动随励磁电流变化均不大。转轮与泄流环间测点压力脉动峰峰值相对最大，最大值出现在26.37MW工况。随着负荷进一步增大，压力脉动混频峰峰值逐渐减小并趋于平缓。蜗壳进口、无叶区以及转轮与顶盖间外侧测点幅值随负荷变化规律也如此。转轮与顶盖间内侧测点在140MW左右出现极值，尾水管进口和尾水肘管出口处的压力脉动混频峰峰值则在81.84MW负荷工况下（涡带工况）出现极值。
图7 压力脉动混频峰峰值与转速的关系曲线
图8 压力脉动混频峰峰值与负荷的关系曲线
频谱分析显示，转轮与泄流环间测点压力脉动在小负荷工况时，主频与2倍的转频相近；当机组处于涡带工况时，压力脉动主要受尾水管涡带的影响，主频为涡带频率。在各工况下，该压力脉动频率中均含有叶片过流频率及其2倍频，且占有主要地位，相对幅值也较大，在额定负荷工况时，2倍的叶片过流频率非常明显。