李林峰，黃學(xué)然，田小波

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州省貴陽(yáng)市 550002；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，四川省成都市 610041；3.紅楓水力發(fā)電廠，貴州省清鎮(zhèn)市 551400）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誘發(fā)振動(dòng)的原因很多，綜合各種因素我們將主要原因歸納為三個(gè)方面：機(jī)械不平衡（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線曲折、導(dǎo)軸承不對(duì)中、軸瓦間隙過(guò)大、推力軸瓦不平、推力頭卡環(huán)配合松動(dòng)）；電磁不平衡（空氣間隙不均勻、轉(zhuǎn)子磁極松動(dòng)、匝間短路、定子鐵心疊片松動(dòng)、定子繞組固定結(jié)構(gòu)松動(dòng)、三相負(fù)荷不對(duì)稱）和水力不平衡（尾水管渦帶、水力不平衡、空蝕、卡門渦）[1]。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部位的振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率特點(diǎn)，分析出引起機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的主要原因，再針對(duì)性的進(jìn)行處理。一般而言，由于機(jī)組在制造、安裝等機(jī)械方面的原因，在運(yùn)行過(guò)程中都不可避免地存在著不同程度的振動(dòng)，這是不可能完全避免和消除的現(xiàn)象。但是只要將機(jī)組各部位的振動(dòng)限制在允許的范圍之內(nèi)，它對(duì)機(jī)組本身及其運(yùn)行并不會(huì)造成危害，也就是說(shuō)可以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。然而，當(dāng)機(jī)組的振動(dòng)超過(guò)允許的范圍，或振動(dòng)的頻率同機(jī)組的某固有頻率相同而產(chǎn)生共振時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重地影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。在新投產(chǎn)的機(jī)組或大修后的機(jī)組，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)引起機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的主要原因就是轉(zhuǎn)子質(zhì)量失衡，而機(jī)組的配重是現(xiàn)場(chǎng)處理水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)不平衡的一種有效方法。

1 振動(dòng)過(guò)大危害及振動(dòng)主要特征

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡會(huì)引起機(jī)組某些振動(dòng)指標(biāo)過(guò)大甚至超標(biāo)，尤其是上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承及上機(jī)架振動(dòng)過(guò)大時(shí)，容易使機(jī)組上機(jī)架連接部件松動(dòng)，使轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞，同時(shí)會(huì)引起機(jī)組零部件變形、松脫、疲勞斷裂等[2]，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成重大隱患，為了提高機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，須進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，以降低旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量失衡帶來(lái)的危害。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起機(jī)組振動(dòng)的特征主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：①機(jī)組大軸擺度和機(jī)架水平振動(dòng)在機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)大于正常值；②振動(dòng)擺度一倍頻幅值隨轉(zhuǎn)速增大而增大，且與轉(zhuǎn)速的平方成直線關(guān)系；③振動(dòng)和擺度的主要頻率為一倍頻[3]。通過(guò)機(jī)組的穩(wěn)定性試驗(yàn)，測(cè)出機(jī)組在各個(gè)工況下的振動(dòng)擺度數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)進(jìn)而判定是否需要做動(dòng)平衡試驗(yàn)以減小機(jī)組振動(dòng)，使其運(yùn)行在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2 動(dòng)平衡試驗(yàn)

2.1 首次啟動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)于新投產(chǎn)的機(jī)組或大修后首次啟動(dòng)的機(jī)組，第一次啟動(dòng)機(jī)組時(shí)應(yīng)手動(dòng)緩緩開(kāi)啟導(dǎo)葉，讓機(jī)組慢速轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，目的是檢查機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分是否存在碰撞或不正常的摩擦。

2.2 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

機(jī)組在25%ne、50%ne、75%ne、100%ne工況下，測(cè)定機(jī)組各部位的振動(dòng)、擺度通頻值、轉(zhuǎn)頻值以及對(duì)應(yīng)相位角度。目的是測(cè)量機(jī)組機(jī)械不平衡的影響情況。

2.3 變勵(lì)磁試驗(yàn)

機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速并帶25%Ue、50%Ue、75%Ue、100%Ue工況下，測(cè)定機(jī)組各部位的振動(dòng)、擺度通頻值、轉(zhuǎn)頻值以及對(duì)應(yīng)相位角度。目的是測(cè)量機(jī)組電磁不平衡的影響情況。

2.4 動(dòng)平衡試驗(yàn)

在不同轉(zhuǎn)速和不同勵(lì)磁工況下，根據(jù)機(jī)組各部位的振動(dòng)和擺度情況、以及受力的大小和方位，確定最終配重相位，對(duì)機(jī)組進(jìn)行配重處理，直到各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到規(guī)程及設(shè)計(jì)的要求。

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備測(cè)出機(jī)組在不同工況下的三導(dǎo)軸承擺度的最大幅值，及其對(duì)應(yīng)的相位角，此相位角就是超重角（θ），配重角即在超重角的對(duì)面（θ±180°），以鍵相片為起點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（θ±180°）即為機(jī)組的超重角，找到了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的超重角，再通過(guò)綜合平衡法最終確定配重角度。

配重角的確定，是動(dòng)平衡試驗(yàn)最重要的環(huán)節(jié)，在進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速和變勵(lì)磁試驗(yàn)后，對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。若上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承為主的轉(zhuǎn)頻相位角度一致或數(shù)值接近，就可以在對(duì)應(yīng)的相位，找到配重角進(jìn)行配重即可。然而在大多數(shù)情況下，三導(dǎo)軸承及機(jī)架振動(dòng)的轉(zhuǎn)頻相位角度是不一致的，這時(shí)就應(yīng)對(duì)各部位所測(cè)得的相位進(jìn)行比較，綜合考慮各部位振動(dòng)的影響系數(shù)，一般而言配重角選擇的原則為：以擺度超標(biāo)部位的相位為主，同時(shí)兼顧其他部位的振動(dòng)擺度相位，比較確定配重角度，這個(gè)配重角度并不需要與某一個(gè)部位的相位值相等，即它可以等于某一部位的相位值，也可以不等于某一部位的相位值[4]。

當(dāng)動(dòng)平衡試驗(yàn)配重角度確定之后，要選擇試驗(yàn)應(yīng)加的配重塊質(zhì)量，在確定配重質(zhì)量之前，要進(jìn)行試驗(yàn)配重，比較、估算配重質(zhì)量。試配質(zhì)量的選擇要適中，其質(zhì)量太大，產(chǎn)生的離心力過(guò)大，會(huì)造成機(jī)組振動(dòng)過(guò)于激烈；質(zhì)量太小了，機(jī)組振動(dòng)的幅值變化不大，影響了試驗(yàn)的精度。配重的目的除了將機(jī)組的振動(dòng)、擺度值降低到機(jī)組可承受范圍或標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)以外，還需看配重后三導(dǎo)軸承的轉(zhuǎn)頻相位角度是否有較大變化，如果相位角度出現(xiàn)較大變化就不應(yīng)繼續(xù)配重[5]。

試重塊一般可根據(jù)額定轉(zhuǎn)速下機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件所產(chǎn)生離心力的允許值來(lái)確定，由試重塊所產(chǎn)生的離心力，約為其附近軸承上的負(fù)載，而該負(fù)載約為轉(zhuǎn)子質(zhì)量的（0.5～2.5）%，以此來(lái)確定試重塊的質(zhì)量。即：

式中：F——試加荷重產(chǎn)生的離心力，N；

P——試重塊的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度9.8m/s2；

R——試加荷重固定半徑，m；

ω——角速度，1/s；

G——轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg。

由式（1）可得到試配質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Ne——機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)于低轉(zhuǎn)速機(jī)組，式（2）中的系數(shù)可取小值；對(duì)于高轉(zhuǎn)速機(jī)組，可取大值。

試配完成之后，再次啟動(dòng)機(jī)組，分析在空轉(zhuǎn)、空載工況下，機(jī)組振動(dòng)、擺度的變化情況，若導(dǎo)軸承的相位角度未發(fā)生較大變化且轉(zhuǎn)頻幅值有所下降，則說(shuō)明試配角度沒(méi)問(wèn)題，可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加質(zhì)量進(jìn)行配重。再次配重要留有一定的余量，因配重會(huì)對(duì)機(jī)組的軸線產(chǎn)生影響，而軸線的變化會(huì)對(duì)磁拉力產(chǎn)生影響，一次加得太多、太滿會(huì)在軸線發(fā)生變化之后產(chǎn)生新的電磁不平衡[6]。

3 實(shí)例分析

3.1 機(jī)組基本參數(shù)

某水電站原裝設(shè)3臺(tái)25MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量75MW，年平均發(fā)電量3.16億kW·h。后經(jīng)電站研究論證對(duì)機(jī)組進(jìn)行增容改造，改造后共裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)容量為29MW的立軸混流水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為87MW，增容改造后的水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)由杭州力源發(fā)電設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造，調(diào)速器由武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造。本次動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)組為3號(hào)機(jī)組，其基本參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)機(jī)組基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of test plant unit

3.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

（1）擺度測(cè)點(diǎn)。在機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)軸承座上分別沿+X、+Y方向安裝電渦流位移傳感器，用以監(jiān)測(cè)各導(dǎo)軸承擺度情況。

（2）振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。在上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋水平+X、+Y方向和垂直方向各安裝一個(gè)低頻位移傳感器，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)各部位振動(dòng)情況。

（3）鍵相信號(hào)。在水導(dǎo)軸承+X方向處，安裝一個(gè)電渦流位移傳感器，并在大軸的相應(yīng)位置黏貼一片1mm厚的鍵相片，鍵相信號(hào)位置與水導(dǎo)軸承+X方向傳感器同在一條鉛垂線上，用以測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速并進(jìn)行相位分析。

3.3 動(dòng)平衡試驗(yàn)

該機(jī)組大修后進(jìn)行了第一次手動(dòng)開(kāi)機(jī)，操作人員緩慢打開(kāi)導(dǎo)葉，讓機(jī)組慢速轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)一圈后，迅速關(guān)閉導(dǎo)葉至零開(kāi)度。經(jīng)檢查機(jī)組所有的轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件無(wú)碰撞聲、無(wú)不正常的摩擦聲，機(jī)組各部位轉(zhuǎn)動(dòng)正常。

隨后，進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，各導(dǎo)軸承擺度值以及各部位振動(dòng)值逐漸增大，其中上導(dǎo)、下導(dǎo)軸承擺度值變化較大。在100%ne工況時(shí)，除上導(dǎo)擺軸承擺度值超出設(shè)計(jì)規(guī)定值外，其余各導(dǎo)軸承處的擺度值都在設(shè)計(jì)規(guī)定值內(nèi)；機(jī)組各部位的振動(dòng)值均滿足規(guī)程規(guī)定值，機(jī)組在空轉(zhuǎn)工況運(yùn)行基本穩(wěn)定。變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)中部分測(cè)點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速平方變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 部分測(cè)點(diǎn)振擺幅值隨轉(zhuǎn)速平方變化趨勢(shì)Figure 1 Variation Trend of swing amplitude of some measuring points with speed square

機(jī)組在空轉(zhuǎn)工況下，逐步進(jìn)行了勵(lì)磁升壓試驗(yàn)，在整個(gè)勵(lì)磁試驗(yàn)中，隨著勵(lì)磁電壓的增加，機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)軸承擺度值以及上機(jī)架水平振動(dòng)值變化很大，且嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)規(guī)定和規(guī)程規(guī)范要求。在100%Ue工況時(shí)，機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)軸承擺度值和上機(jī)架水平振動(dòng)值嚴(yán)重超出了設(shè)計(jì)規(guī)定和規(guī)程規(guī)范要求，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，機(jī)組存在嚴(yán)重的磁拉力不平衡現(xiàn)象，所以決定在100%Ue勵(lì)磁工況下對(duì)機(jī)組進(jìn)行配重處理。

從表2可以看出，三導(dǎo)軸承擺度+X和+Y方向的相位差在90°左右，表明傳感器安裝位置較好。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在空轉(zhuǎn)工況下，上導(dǎo)軸承擺度幅值超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從圖1中變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)看出，上導(dǎo)擺度和上機(jī)架振動(dòng)都與轉(zhuǎn)速的平方呈線性關(guān)系，說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡。在勵(lì)磁升壓過(guò)程中，上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承擺度幅值不斷增大，且嚴(yán)重超出了規(guī)程規(guī)定的范圍，說(shuō)明磁拉力嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致機(jī)組振擺超標(biāo)。

表2 機(jī)組配重前100%額定轉(zhuǎn)速和100%額定勵(lì)磁電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Before counterweight of plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

在空轉(zhuǎn)工況，上導(dǎo)、下導(dǎo)的轉(zhuǎn)頻相位分別為244°和280°，而空載工況下，上導(dǎo)、下導(dǎo)的轉(zhuǎn)頻相位分別為74°和70°，角度差別較大，由于機(jī)組最終是在有壓狀態(tài)下運(yùn)行，且空載工況下上、下導(dǎo)幅值變化較大，因此配重相位應(yīng)以100%勵(lì)磁電壓相位分析數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，但同時(shí)會(huì)對(duì)空轉(zhuǎn)工況下機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)討論和再三權(quán)衡，認(rèn)定配重的目的為改善空載工況下上導(dǎo)、下導(dǎo)的擺度幅值，其相位分別為74°和70°，即機(jī)組超重角度。其對(duì)應(yīng)的配重位置應(yīng)為其對(duì)面，大約是254°和250°，最終根據(jù)計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定在轉(zhuǎn)子上端面和下端面250°位置分別加20kg和15kg配重塊，對(duì)機(jī)組進(jìn)行配重處理。配重后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 機(jī)組第一次配重后100%額定轉(zhuǎn)速和100%額定勵(lì)磁電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 After the first counterweight of the plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

由表3數(shù)據(jù)可知，在100%勵(lì)磁工況下，上導(dǎo)+X向擺度幅值由原來(lái)的488μm下降到330μm，下導(dǎo)+X向擺度幅值由原來(lái)的642μm下降到338μm，上機(jī)架水平+X向振動(dòng)幅值由原來(lái)的113μm下降到57μm，且相位角度變化不大，說(shuō)明配重效果明顯。在此基礎(chǔ)上，在相同的位置，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上端面和下端面分別增加20kg和8kg配重塊。第二次配重后數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 機(jī)組第二次配重后100%額定轉(zhuǎn)速和100%額定勵(lì)磁電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 After the second counterweight of the plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

由表4數(shù)據(jù)可知，第二次配重后，在空載100%勵(lì)磁工況下，上導(dǎo)擺度幅值由原來(lái)的330μm下降為210μm，下導(dǎo)擺度幅值由原來(lái)的338μm下降為150μm，下導(dǎo)擺度幅值下降到設(shè)計(jì)規(guī)定值內(nèi)，上機(jī)架水平振動(dòng)幅值也降低到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。但同時(shí)空轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)速工況下，上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度幅值變化較大，且呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與之前判斷的效果相同。綜合考慮后，在不影響機(jī)組空轉(zhuǎn)運(yùn)行的情況下，以保證勵(lì)磁工況穩(wěn)定運(yùn)行為主要參考依據(jù)，經(jīng)過(guò)兩次配重試驗(yàn)后，機(jī)組在空載工況下各部位的振動(dòng)擺度幅值基本滿足了規(guī)程規(guī)定要求。機(jī)組在帶當(dāng)前水頭下最大負(fù)荷工況，各部位導(dǎo)軸承擺度值和機(jī)架振動(dòng)值均在標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)定范圍內(nèi)，至此，該機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)平衡試驗(yàn)開(kāi)始前要特別注意傳感器的選擇與安裝，傳感器的使用一定要滿足測(cè)量精度要求，且在校驗(yàn)合格期內(nèi)，傳感器的布置安裝，同一截面的傳感器盡量互成90°，同一位置的傳感器應(yīng)盡可能保證在一條鉛垂線上，若由于現(xiàn)場(chǎng)條件因素導(dǎo)致安裝不準(zhǔn)確，一定要注意對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)盡量保證在工況穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。在進(jìn)行相位分析時(shí)，一定要分清楚主次，綜合考慮，多方兼顧。在選擇配重塊質(zhì)量時(shí)，要按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行試配，配重塊的質(zhì)量不宜過(guò)大，以免造成角度發(fā)生突變。動(dòng)平衡試驗(yàn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的作用。