配重技術(shù)用于解決水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的實(shí)踐

曾 勇，張 紅，曹鐵山，江 雨

（三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443000）

0 引言

某水電站發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式為：立軸半傘式三部導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)，其中，下導(dǎo)軸承在推力軸承之上，下導(dǎo)與推力采用推導(dǎo)聯(lián)合軸承，轉(zhuǎn)子為無(wú)軸結(jié)構(gòu)，上端軸與下端軸直接與轉(zhuǎn)子中心體相連。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速75 r/min，額定工作水頭為80.6 m。

該電站8號(hào)發(fā)電機(jī)在汛期80 m水頭下運(yùn)行時(shí)，下導(dǎo)軸承擺度持續(xù)一級(jí)報(bào)警（報(bào)警值350 μm），達(dá)400多μm，偶爾達(dá)二級(jí)報(bào)警（報(bào)警值500 μm）。在蓄水升水位過程中，8號(hào)發(fā)電機(jī)下導(dǎo)擺度也未見好轉(zhuǎn)。該振動(dòng)不僅產(chǎn)生較大的噪聲，而且會(huì)加速8號(hào)發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的疲勞破壞，降低機(jī)組的壽命。

1 配重前的變負(fù)荷、變勵(lì)磁、變轉(zhuǎn)速動(dòng)平衡試驗(yàn)

為找到8號(hào)發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承擺度過大的原因，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了變負(fù)荷、變勵(lì)磁、變轉(zhuǎn)速的動(dòng)平衡試驗(yàn)和振動(dòng)源分析，以判斷機(jī)組是否存在水力不平衡、電磁不平衡或機(jī)械不平衡現(xiàn)象，然后決定是否進(jìn)行配重處理。

配重前進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下頁(yè)表1和表2，表中數(shù)據(jù)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在變負(fù)荷試驗(yàn)中，三部軸承的擺度，以及機(jī)架振動(dòng)均變化不大：上導(dǎo)X向和Y向擺度均在200～250μm左右，下導(dǎo)X向和Y向擺度均在400～450 μm左右，水導(dǎo)X向和Y向擺度均在30～50 μm左右；而上下機(jī)架與頂蓋的垂直和水平振動(dòng)也基本不變。

在變負(fù)荷過程中，水輪機(jī)導(dǎo)葉開度變化引起過流部件水流變化，振動(dòng)擺度轉(zhuǎn)頻成分的變化主要是由于水力不平衡引起，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明機(jī)組負(fù)荷對(duì)振動(dòng)擺度值影響不明顯，說明機(jī)組無(wú)明顯水力不平衡。

（2）在變勵(lì)磁試驗(yàn)中，三部軸承的擺度，以及機(jī)架振動(dòng)也都變化不大：上導(dǎo)X向和Y向擺度各在100 μm、130 μm 左右，下導(dǎo) X 向和 Y 向擺度各在300 μm、200 μm 左右，水導(dǎo) X 向和 Y 向擺度各在50 μm、20 μm 左右；而上下機(jī)架與頂蓋的垂直和水平振動(dòng)也基本不變。

在變勵(lì)磁過程中，機(jī)組勵(lì)磁和機(jī)端電壓變化引起發(fā)電機(jī)電磁拉力變化，振動(dòng)擺度轉(zhuǎn)頻成分的變化是由于磁拉力不平衡引起。而試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明機(jī)組勵(lì)磁變化對(duì)振動(dòng)擺度值影響不明顯，說明機(jī)組也沒有明顯磁拉力不平衡現(xiàn)象。

（3）在變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在空轉(zhuǎn)（無(wú)勵(lì)磁、無(wú)負(fù)荷）的工況下，大軸擺度和機(jī)架等部位的振動(dòng)就較大，而且振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速增加而增大。在轉(zhuǎn)速?gòu)?00% Ne→56% Ne時(shí)：下導(dǎo)Y向擺度轉(zhuǎn)頻幅值從185 μm→60 μm，上機(jī)架水平振動(dòng)的轉(zhuǎn)頻幅值從12.9 μm→4.35 μm，頂蓋垂直振動(dòng)的轉(zhuǎn)頻幅值從16.83 μm→4.98 μm，均與轉(zhuǎn)速的平方成正比。同時(shí)在擺度頻譜圖（未附）中基本以機(jī)械不平衡引起的一倍頻（1.25 Hz）為主。這些現(xiàn)象都滿足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡造成的振動(dòng)擺度超標(biāo)的特征。

（4）試驗(yàn)結(jié)論：綜上8號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是造成機(jī)組振動(dòng)的主要原因，可以通過配重來(lái)消除機(jī)械不平衡，降低振動(dòng)，特別是對(duì)下導(dǎo)軸承擺度會(huì)有明顯改善。

表1 配重前動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)獲得的三部軸承擺度數(shù)據(jù)（單位：μm）

表2 配重前動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)獲得的機(jī)架振動(dòng)數(shù)據(jù)（單位：μm）

2 配重處理

該電站采用TN8000振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視。機(jī)組的三部軸承處，在+X和+Y方向安裝有一體化電渦流傳感器，測(cè)量大軸擺度及鍵相信號(hào)；在上下機(jī)架、頂蓋等處的水平和垂直方向，都安裝有低頻速度傳感器，測(cè)量上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋、定子等振動(dòng)。

在TN8000系統(tǒng)中，利用鍵相片及配套的鍵相傳感器來(lái)測(cè)量相位，用以描述某一特定時(shí)刻機(jī)組轉(zhuǎn)子的位置。該電站是在機(jī)組水車室水導(dǎo)軸承或者滑環(huán)室上導(dǎo)軸承處的大軸上焊接一個(gè)鍵相鐵片，再用一個(gè)電渦流傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)鍵相片裝設(shè)高度處的大軸，這樣，當(dāng)傳感器探頭探到鍵相片時(shí)，前置器輸出一正脈沖，即可知道當(dāng)前轉(zhuǎn)子所處的位置。在兩個(gè)脈沖之間即為一轉(zhuǎn)，因而鍵相也用于TN8000系統(tǒng)測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速。

鍵相器及相角測(cè)量原理見下頁(yè)圖1，在時(shí)間t0時(shí)刻，鍵相器傳感器探頭正好對(duì)準(zhǔn)軸上的鍵相片，在這一瞬時(shí)產(chǎn)生一正脈沖，當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)過φ角，由質(zhì)量不平衡引起的“重點(diǎn)”處于測(cè)振傳感器探頭之下，軸距離探頭最近，這相當(dāng)于振動(dòng)信號(hào)中正峰值那一點(diǎn)即A點(diǎn)。由圖1可以知道，從鍵相信號(hào)到第一個(gè)正峰高點(diǎn)A之間的角度即φ角，φ角加上測(cè)振探頭與鍵相器探頭之間的夾角即是“重點(diǎn)”與軸上鍵相片之間的夾角，由此用鍵相片為參考點(diǎn)找到不平衡質(zhì)量的位置。

TN8000中已考慮傳感器安裝位置，一倍頻相位即指轉(zhuǎn)頻下振動(dòng)最大點(diǎn)與鍵相片之間的夾角。為了平衡該方向的質(zhì)量不平衡，則需要在對(duì)應(yīng)反方向增加配重塊予以抵消，因此實(shí)際的配重角度為所測(cè)相位減去 180°。

找到不平衡點(diǎn)的相位后，再根據(jù)對(duì)應(yīng)所測(cè)的振擺幅值，利用與振擺有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算得到試重塊的質(zhì)量：

圖1 鍵相器原理及相角測(cè)量

其中P-試重塊重量（kg），V-機(jī)組配重前最大振幅峰峰值（μm），M- 轉(zhuǎn)子重量（kg），R- 配重半徑（cm），n- 額定轉(zhuǎn)速（r/min），0.45為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.1 試配重的位置和重量

在進(jìn)行變負(fù)荷、變勵(lì)磁、變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)之后，進(jìn)行了試配重。根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，工況最差的下導(dǎo)Y向擺度值為計(jì)算依據(jù)。可以看出，質(zhì)量不平衡引起的轉(zhuǎn)頻分量擺度值在425 μm左右，相位出現(xiàn)在325°附近。利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到試重塊的重量為：

其中：VGS機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量1 827×103kg，配重塊焊在磁軛處的支臂上，即配重半徑為轉(zhuǎn)子半徑889.5 cm。

振幅最大值相位離鍵相片角度為325°，配重塊應(yīng)在與之相反的位置以抵消轉(zhuǎn)子不平衡力對(duì)轉(zhuǎn)子的負(fù)面影響，即配重角度應(yīng)為 325°-180°=145°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試配重70 kg，配重位置選在以鍵相片為基準(zhǔn)俯視逆時(shí)針145°，該處磁極背面的轉(zhuǎn)子支臂上。

試配重后，8號(hào)發(fā)電機(jī)開機(jī)空載和帶負(fù)荷運(yùn)行，檢查配重的效果，數(shù)據(jù)見表3。

表3 第一次配重后空載、帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)三部軸承擺度（單位：μm）

通過對(duì)比表3和表1的數(shù)據(jù)可以看出，除水導(dǎo)軸承擺度略有升高外（但也未達(dá)到一二級(jí)報(bào)警值280/400 μm），其他各部軸承振動(dòng)擺度情況均有改善，特別是上導(dǎo)和下導(dǎo)軸承擺度，相對(duì)于配重前對(duì)應(yīng)工況有明顯改善，下導(dǎo)X、Y向轉(zhuǎn)頻擺度，均下降了100 μm左右，上導(dǎo)X、Y向轉(zhuǎn)頻擺度，也下降了50～100 μm左右。說明試重正確，對(duì)抵消不平衡力起到了效果。同時(shí)，對(duì)比配重前后轉(zhuǎn)頻幅值對(duì)應(yīng)的相位基本沒變，說明試配重的位置選擇是正確的，配重前的不平衡重點(diǎn)、配重點(diǎn)以及軸心共線，沒有引起不平衡重點(diǎn)的偏移。

2.2 正式配重的位置和重量

實(shí)際數(shù)據(jù)證明試配重選擇的位置和重量是正確、合理的。70 kg的試重塊讓下導(dǎo)軸承擺度下降了100 μm左右，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在相同位置繼續(xù)配重140 kg可以預(yù)期讓下導(dǎo)軸承擺度再下降200 μm左右。隨后在和第一次同樣的位置，再次配重140 kg，并將配重塊滿焊，經(jīng)探傷檢查合格。

正式配重后，8號(hào)發(fā)電機(jī)開機(jī)空載和帶負(fù)荷運(yùn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見下頁(yè)表4。

通過對(duì)比表3和表4數(shù)據(jù)可以看到正式配重后，下導(dǎo)X、Y向轉(zhuǎn)頻擺度，再次下降了150 μm左右，上導(dǎo)X、Y向轉(zhuǎn)頻擺度，再下降了100 μm左右，比預(yù)期值稍小一點(diǎn)，但同樣取得理想效果。配重前后8號(hào)發(fā)電機(jī)下導(dǎo)和上導(dǎo)軸承擺度變化情況見圖2和圖3。

圖2 配重前后8號(hào)發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承擺度變化情況

表4 正式配重后空載、帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)三部軸承擺度（單位：μm）

圖3 配重前后8號(hào)發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承擺度變化情況

3 結(jié)論

8號(hào)發(fā)電機(jī)經(jīng)過兩次配重后，下導(dǎo)X、Y向轉(zhuǎn)頻擺度，下降了250 μm左右，上導(dǎo)X、Y向轉(zhuǎn)頻擺度，下降了200 μm左右，發(fā)電機(jī)動(dòng)平衡情況明顯改善，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，配重效果顯著。