配重技術用于解決水輪發電機組振動超標的實踐

曾 勇，張 紅，曹鐵山，江 雨

（三峽水力發電廠，湖北 宜昌443000）

0 引言

某水電站發電機結構型式為：立軸半傘式三部導軸承結構，其中，下導軸承在推力軸承之上，下導與推力采用推導聯合軸承，轉子為無軸結構，上端軸與下端軸直接與轉子中心體相連。機組額定轉速75 r/min，額定工作水頭為80.6 m。

該電站8號發電機在汛期80 m水頭下運行時，下導軸承擺度持續一級報警（報警值350 μm），達400多μm，偶爾達二級報警（報警值500 μm）。在蓄水升水位過程中，8號發電機下導擺度也未見好轉。該振動不僅產生較大的噪聲，而且會加速8號發電機下導軸承系統結構部件的疲勞破壞，降低機組的壽命。

1 配重前的變負荷、變勵磁、變轉速動平衡試驗

為找到8號發電機下導軸承擺度過大的原因，對機組進行了變負荷、變勵磁、變轉速的動平衡試驗和振動源分析，以判斷機組是否存在水力不平衡、電磁不平衡或機械不平衡現象，然后決定是否進行配重處理。

配重前進行動平衡試驗，試驗數據見下頁表1和表2，表中數據可以得出以下幾點結論：

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

在變負荷過程中，水輪機導葉開度變化引起過流部件水流變化，振動擺度轉頻成分的變化主要是由于水力不平衡引起，而試驗數據表明機組負荷對振動擺度值影響不明顯，說明機組無明顯水力不平衡。

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

在變勵磁過程中，機組勵磁和機端電壓變化引起發電機電磁拉力變化，振動擺度轉頻成分的變化是由于磁拉力不平衡引起。而試驗數據表明機組勵磁變化對振動擺度值影響不明顯，說明機組也沒有明顯磁拉力不平衡現象。

（3）在變轉速試驗的數據可以發現，機組在空轉（無勵磁、無負荷）的工況下，大軸擺度和機架等部位的振動就較大，而且振動幅值隨轉速增加而增大。在轉速從100% Ne→56% Ne時：下導Y向擺度轉頻幅值從185 μm→60 μm，上機架水平振動的轉頻幅值從12.9 μm→4.35 μm，頂蓋垂直振動的轉頻幅值從16.83 μm→4.98 μm，均與轉速的平方成正比。同時在擺度頻譜圖（未附）中基本以機械不平衡引起的一倍頻（1.25 Hz）為主。這些現象都滿足發電機轉子質量不平衡造成的振動擺度超標的特征。

（4）試驗結論：綜上8號發電機轉子質量不平衡是造成機組振動的主要原因，可以通過配重來消除機械不平衡，降低振動，特別是對下導軸承擺度會有明顯改善。

表1 配重前動平衡實驗獲得的三部軸承擺度數據（單位：μm）

表2 配重前動平衡實驗獲得的機架振動數據（單位：μm）

2 配重處理

該電站采用TN8000振擺監測系統來進行機組狀態監視。機組的三部軸承處，在+X和+Y方向安裝有一體化電渦流傳感器，測量大軸擺度及鍵相信號；在上下機架、頂蓋等處的水平和垂直方向，都安裝有低頻速度傳感器，測量上機架、下機架、頂蓋、定子等振動。

在TN8000系統中，利用鍵相片及配套的鍵相傳感器來測量相位，用以描述某一特定時刻機組轉子的位置。該電站是在機組水車室水導軸承或者滑環室上導軸承處的大軸上焊接一個鍵相鐵片，再用一個電渦流傳感器探頭對準鍵相片裝設高度處的大軸，這樣，當傳感器探頭探到鍵相片時，前置器輸出一正脈沖，即可知道當前轉子所處的位置。在兩個脈沖之間即為一轉，因而鍵相也用于TN8000系統測量機組轉速。

鍵相器及相角測量原理見下頁圖1，在時間t0時刻，鍵相器傳感器探頭正好對準軸上的鍵相片，在這一瞬時產生一正脈沖，當順時針轉過φ角，由質量不平衡引起的“重點”處于測振傳感器探頭之下，軸距離探頭最近，這相當于振動信號中正峰值那一點即A點。由圖1可以知道，從鍵相信號到第一個正峰高點A之間的角度即φ角，φ角加上測振探頭與鍵相器探頭之間的夾角即是“重點”與軸上鍵相片之間的夾角，由此用鍵相片為參考點找到不平衡質量的位置。

TN8000中已考慮傳感器安裝位置，一倍頻相位即指轉頻下振動最大點與鍵相片之間的夾角。為了平衡該方向的質量不平衡，則需要在對應反方向增加配重塊予以抵消，因此實際的配重角度為所測相位減去 180°。

找到不平衡點的相位后，再根據對應所測的振擺幅值，利用與振擺有關的經驗公式，可以計算得到試重塊的質量：

圖1 鍵相器原理及相角測量

其中P-試重塊重量（kg），V-機組配重前最大振幅峰峰值（μm），M- 轉子重量（kg），R- 配重半徑（cm），n- 額定轉速（r/min），0.45為經驗系數。

2.1 試配重的位置和重量

在進行變負荷、變勵磁、變轉速試驗之后，進行了試配重。根據表1試驗數據，選取帶負荷運行時，工況最差的下導Y向擺度值為計算依據。可以看出，質量不平衡引起的轉頻分量擺度值在425 μm左右，相位出現在325°附近。利用經驗公式計算得到試重塊的重量為：

其中：VGS機組轉子質量1 827×103kg，配重塊焊在磁軛處的支臂上，即配重半徑為轉子半徑889.5 cm。

振幅最大值相位離鍵相片角度為325°，配重塊應在與之相反的位置以抵消轉子不平衡力對轉子的負面影響，即配重角度應為 325°-180°=145°。根據現場實際情況，試配重70 kg，配重位置選在以鍵相片為基準俯視逆時針145°，該處磁極背面的轉子支臂上。

試配重后，8號發電機開機空載和帶負荷運行，檢查配重的效果，數據見表3。

表3 第一次配重后空載、帶負荷運行時三部軸承擺度（單位：μm）

通過對比表3和表1的數據可以看出，除水導軸承擺度略有升高外（但也未達到一二級報警值280/400 μm），其他各部軸承振動擺度情況均有改善，特別是上導和下導軸承擺度，相對于配重前對應工況有明顯改善，下導X、Y向轉頻擺度，均下降了100 μm左右，上導X、Y向轉頻擺度，也下降了50～100 μm左右。說明試重正確，對抵消不平衡力起到了效果。同時，對比配重前后轉頻幅值對應的相位基本沒變，說明試配重的位置選擇是正確的，配重前的不平衡重點、配重點以及軸心共線，沒有引起不平衡重點的偏移。

2.2 正式配重的位置和重量

實際數據證明試配重選擇的位置和重量是正確、合理的。70 kg的試重塊讓下導軸承擺度下降了100 μm左右，根據經驗，在相同位置繼續配重140 kg可以預期讓下導軸承擺度再下降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，經探傷檢查合格。

正式配重后，8號發電機開機空載和帶負荷運行，試驗數據見下頁表4。

通過對比表3和表4數據可以看到正式配重后，下導X、Y向轉頻擺度，再次下降了150 μm左右，上導X、Y向轉頻擺度，再下降了100 μm左右，比預期值稍小一點，但同樣取得理想效果。配重前后8號發電機下導和上導軸承擺度變化情況見圖2和圖3。

圖2 配重前后8號發電機下導軸承擺度變化情況

表4 正式配重后空載、帶負荷運行時三部軸承擺度（單位：μm）

圖3 配重前后8號發電機上導軸承擺度變化情況

3 結論

8號發電機經過兩次配重后，下導X、Y向轉頻擺度，下降了250 μm左右，上導X、Y向轉頻擺度，下降了200 μm左右，發電機動平衡情況明顯改善，機組運行穩定，配重效果顯著。