轉子配重一次加準法處理機組振擺偏大問題探討

熊威，萬元，譚振國，黃波

(1.五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南常德415000；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

轉子配重一次加準法處理機組振擺偏大問題探討

Discussion on solving vibration problem by rotor counterweight

熊威1，萬元1，譚振國1，黃波2

(1.五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南常德415000；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

水輪發電機組轉子質量不平衡造成機組振動的解決方法通常采用單轉子平衡法與影響系統法，本文重點介紹了如何使用轉子配重一次加準法解決五強溪電廠5號機組轉子動不平衡引起的上導、上機架振擺偏大的問題。

轉子；動平衡試驗；配重；滯后角；擺度；振動

水輪發電機組由于在制造、安裝等方面存在誤差，在運行中會產生不平衡力偶，導致機組振動擺度增大，對機組安全穩定運行產生不良影響。水輪發電機組的振動很多是由于轉子質量不平衡造成的，長期以來，多是采用單轉子平衡法與影響系統法來處理軸系不平衡的問題，這些方法過程較為復雜，處理過程需啟停機次數較多，已不適應目前對機組的要求〔1〕。隨著電網穩定安全運行要求的不斷提高，如何在現場采取轉子配重一次加準法解決轉子振擺偏大的問題，已日益引起工程技術人員的關注。五強溪電廠針對5號機組擺度數據偏大并超標這一情況，專門成立了技術攻關小組，在研究水電機組振擺影響因素基礎上，利用機組穩定性在線監測系統，自主設計并實施了5號機組變負荷、變勵磁、變負荷等試驗，并采用關聯趨勢分析、頻譜分析、軸心軌跡分析、瀑布圖分析等多種方法，對試驗結果數據進行了分析最終得出了轉子動不平衡是導致5號機組擺度數據偏大主要原因這一結論，從而為機組實施正確的運行、維護、檢修手段提供重要的依據。最終決定對轉子進行配重處理。

1 工程概況

為確保5號機組的穩定運行，消除存在的轉子動不平衡影響，優化機組的運行狀態，于2015年5號機組A級檢修中，采用轉子配重一次加準法，成功的解決了5號機組上導擺度、上機架振動偏大的問題。

1.1 水輪發電機基本參數 (見表1)

表1 水輪發電組基本參數

1.2 測點布置

根據相關技術標準和規程規范要求，在5號機組上布置振動、電渦流 (大軸擺度、轉速及相位)傳感器，用在線振動擺度測試分析儀記錄試驗工況下各測點數據，分析機組的穩定性運行狀態，判斷存在的轉子動不平衡的方位角，通過配重消除動不平衡對機組穩定運行的影響。測點布置見表2。

表2 測點布置

2 轉子配重一次加準法

2.1 轉子一次加準法步驟

首先測出機組機架振動值和大軸擺度值，根據實測振動和擺度信號確認轉子原有不平衡質量點的相位，然后在對稱位置加配重塊，使配重產生的離心力抵消原有不平衡力，從而減小振動、擺度。

2.2 不平衡質量相位的確定

動平衡試驗的關鍵是不平衡質量相位的確定，通過確定機器轉子上高點的位置，就可能確定機器的平衡狀態和機器轉子上殘留的非平衡質量的位置。機器轉子平衡狀態的改變也將引起高點的變化，這種變化可以通過相位變化顯示出來。文中采用的是直接通過機架水平振動信號和鍵相點信號進行相位判斷。根據振動信號時域波形圖的高點超前或滯后鍵相點的相位，來確定不平衡質量的相位。由于振動系統內阻尼的存在，時域波形的高點并不代表轉子上不平衡質量所處的實際位置，位移總是滯后于不平衡力一個角度，該角度稱為滯后角，知道滯后角后便可準確計算出不平衡質量相位。準確測量相位角，根據速度傳感器與鍵相塊實際裝設的情況求出實際相位角，依據振型和轉速合理的選擇滯后角是成功實施轉子配重一次加準法的關鍵。

2.3 配重角度的計算

根據不平衡質量相位推算配重角度θ(以鍵相塊所在位置為零位)

式中 β為時域波形圖的高點超前或滯后鍵相點的相位；a為機械滯后角；b為儀器滯后角，由于該滯后角較小，可以忽略；c為速度傳感器與鍵相塊的夾角，可按實際裝設的方位計算。

由于β可以實際計算出，機械滯后角a的計算成為計算配重角度的關鍵〔2〕。

在單自由度有阻尼強迫振動中，滯后角可寫為:

式中 ω為強迫振動中擾動力的角頻率；ω1為振動系統的固有頻率；稱為阻尼系數；c為阻力系數，m為質量。

根據上式可畫出如圖1所示的相頻特性。

圖1 單自由度系統相頻特性

在多自由系統中，一階臨界轉速之前，滯后角可取30°～50°，水輪發電機組轉子為連續多彈性體，是多度自由系統，可按動平衡時的轉速進行選擇。根據GB/T7894—2001《水輪發電機基本技術條件》4.3.11:水輪發電機與水輪機組裝完畢后，機組轉動部分的第一階臨界轉速應不小于最大飛逸轉速的120%。動平衡試驗一般是在水輪發電機組額定轉速下進行，遠小于第一階臨界轉速，滯后角可選取30°～50°。

2.4 配重塊重量的確定

在進行配重時，配重塊重量的選擇非常關鍵，配重塊過重易過量，配重塊過輕又達不到預期效果。一般常用的配重塊質量的計算公式〔3〕:

式中 m為配重塊重量 (kg)；G為轉子裝配重量(kg)；n為機組額定轉速 (r/min)；R為配重半徑(m)。

3 配重過程

3.1 確定上機架振動時域波形圖的高點超前或滯

后鍵相點的相位

通過圖2上機架振動分析上機架X向水平振動的測點與鍵相塊的時域波形圖，可以看出上機架水平測點的信號高點超前鍵相塊約90°。

圖2 上機架X向水平振動的測點與鍵相塊的時域波形圖

3.2 配重角度的計算

配重角度

式中 超前相位β=90°；機械滯后角a選取40°；設備滯后角b忽略不計為0。

由于鍵相塊、速度傳感器均也安裝在+X方向，所以c=0。

于是得出配重角θ=90-40-0-0-180=-130°。

3.3 配重位置的確定

配重塊一般焊接在轉子支臂上，五強溪電廠轉子共有22根支臂，以+X方向上的轉子支臂為1號支臂，對22個轉子支臂進行逐一編號，如圖3。

圖3 轉子支臂編號示意圖

由上計算可得出，配重塊與+X方向的夾角為-130°，即以+X方向為起點，逆時針旋轉130°。轉子相連支臂間夾角為用總夾角除以相連支臂夾角即為轉子支臂間隔數:8，通過上述計算，最終選擇在轉子#9支臂上加配重塊。

3.4 配重塊的重量確定

配重塊重量

五強溪電廠5號機組轉子重量為950 000 kg，配重塊安裝半徑為7 m，額定轉速68.18 r/min。

4 配重結果分析

4.1 數據分析

五強溪電廠最終選擇在轉子9號支臂上焊接了4塊配重塊，配重塊總重為97.6 kg，配重前后機組空載、空轉時，上導 X向、Y向擺度，上機架X，Y向水平振動對比數據見表3。

表3 配重前后振動數據對比 (非汛期) μm

由表3可知配重后，空轉狀態下:上導X向擺度通頻幅值減小6 μm；上導Y向擺度通頻幅值減小52 μm；上機架X向水平振動通頻幅值減小29 μm；上機架Y向水平振動通頻幅值減小34 μm。空載狀態下:上導X向擺度通頻幅值減小2 μm；上導Y向擺度通頻幅值減小67 μm；上機架X向水平振動通頻幅值減小28 μm；上機架Y向水平振動通頻幅值減小26 μm。

4.2 頻譜分析

五強溪電廠額定轉速為68.18 r/min，轉頻為1.137 Hz。從表4數據分析可知 (如圖4所示):

配重前后上導擺度、上機架振動主頻幅值分量對應的頻率均接近于機組轉頻。經過配重后，上導擺度轉頻幅值降低23 μm，降低23%；上機架轉頻幅值下降7 μm，降低47%。轉頻分量大幅降低，說明由轉動部件質量不平衡引起的振擺有所削弱。

表4 配重前后上導擺度、上機架振動主頻幅值對比

圖4 配重前后上導擺度、上機架振動頻譜圖對比分析

為了進一步驗證配重的效果，我們選取兩組配重前后機組在主汛期相同工況的數據進行分析，見表5。

由表5可知，在主汛期，5號機轉子經過配重處理后，相同工況下，上導擺度、上機架振動通頻幅值與轉頻幅值均大幅降低，說明轉子配重處理效果良好，達到了預期目標。

5 結語

在轉子配重試驗中如何簡化配重工藝，又能夠快速地、準確地找到配重方位，已日益成為工程技術人員說重點研究關注的方向。轉子配重一次加準法縮短了動平衡試驗的時間，提高了配重的準確性，為機組安全穩定運行及創造經濟效益提供了條件。五強溪電廠利用轉子配重一次加準法，成功解決了5號機組上導擺度、上機架振動偏大的問題，經過轉子配重后，機組上導擺度、上機架振動均得到大幅降低，機組各項振擺數據均在標準范圍之內，達到了轉子配重的預期效果。

表5 配重前后上導擺度、上機架振動主頻、轉頻幅值對比 (主汛期)μm

〔1〕施維新.軸系平衡一次加準法的研究及應用 〔J〕.中國電力，2005，38(3):47-53.

〔2〕吳宗祥.淺析轉子動平衡一次加準法與滯后角的選擇 〔J〕.工程與技術，2012(3):37-38.

〔3〕丁永勝.大型水輪發電機組動平衡 〔J〕.云南電力技術，2010，38(1):29-40.

TM301.42

B

1008-0198(2016)04-0047-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.012

熊威(1989)，男，助理工程師，主要從事水電廠機電設備維護管理工作。

萬元(1981)，男，博士，博士后，高級工程師，長期從事水電廠生產過程自動化研究工作。

譚振國(1978)，男，工程師，長期從事水電廠機電設備維護及技術管理工作。

黃波(1985)，男，工程師，主要從事水電廠水機試驗及振動研究。

2015-12-03