高速同步電機臨界轉速下振動問題的維修

吳 勛

（西部管道烏魯木齊應急搶險中心，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

在西氣東輸三線一座天然氣壓氣站，一臺額定功率20 MW、額定電壓10 000 V 的無刷勵磁變頻調速同步電機，額定轉速4800 r/min，啟停機過程中會經過2 個臨界轉速，分別為在1630 r/min 左右和2935 r/min 左右。在維修中更換電機驅動端滑動軸承后對電機空載運行測試，出現停機過程中降速通過二階臨界轉速時振動測點②觸發高高報警緊急停機，而啟機過程無此問題。這時電機處于非正常狀態。轉子基本結構如圖1 所示，振動傳感器安裝方式如圖2 所示，測點②的電渦流振動傳感器X 的振動值正常，Y 的振動趨勢如圖3 所示。

圖1 轉子結構

圖2 振動傳感器安裝

圖3 Y 方向振動趨勢

1 檢查安裝偏差

該同步電機和勵磁機通過剛性聯軸器連接，采用3 個水平剖分型滑動軸承支撐，軸承兩側有迷宮型潤滑油封，安裝要求的測量指標主要有4 項，現場檢查和測量結果如表1 所示。

表1 現場安裝情況檢查

軸水平狀態的變化反映了更換的①處軸承與原軸承厚度存在偏差。由于電機轉子在線圈部位有重量集中，軸線產生撓曲，但撓曲很微小，可以按照線性估算如下：兩處水平度需要調整0.12 mm/m，兩處滑動軸承支撐距離為4 m，①處支撐需要降低（0.12/2）×4=0.24 mm。現場從軸承座底部減去0.20 mm 墊片后，重新測量軸水平，差值為-0.05 mm；同時測量抬升高度為1.66 mm，考慮①處降低后對③處軸承座抬升高度的影響，在③處軸承座底部增加0.05 mm 墊片。從安裝角度完成調整后，啟動電機運行，但降速通過二階臨界轉速時振動值仍然高高報警觸發聯鎖保護。

2 對異常振動問題的轉子動力學分析

觸發聯鎖保護的測點②Y 方向振動監測的圖譜如圖4 所示。從圖4 中可以看到，停機過程中轉速降低至第二階臨界轉速附近時，振動值遠大于升速過程相同轉速下的振動值。

圖4 測點②Y 方向振動伯德圖

查閱文獻，在一臺50 MW 的發電機停機過程中也出現過降速通過二階臨界轉速（3600 r/min）時振動顯著增大的現象。通過轉子動力學分析，與汽輪機連接的懸臂端占有超過78%的二階振型動能，具有“balance pit”型振動形態的特征；經過平衡，消除這個現象。振動傳感器監測的伯德圖如圖5 所示。

圖5 文獻中發電機升速和降速振動傳感器伯德圖

同步電機和勵磁機的伯德圖與參考文獻中有差異，主要表現在振幅僅在臨界轉速處急劇增大，且降速通過二階臨界轉速時振動通頻值（direct）與基頻（1X）幾乎完全重合，振動幅值主要來源于基頻；電機驅動端半聯軸器的懸臂距離支撐點較近，懸臂現象并不十分顯著。

3 現場對轉子平衡狀態的修正

對于單根轉子，結構和支撐剛度、阻尼等條件確定后，會有自身的臨界轉速ncr1、ncr2、……；對于軸系，單根轉子的臨界轉速會發生遷移，表現出新的臨界轉速Ncr1、Ncr2……。從啟停機過程振幅與轉速的變化關系來看，測點①在ncr1振幅有峰值，測點②和③在ncr2有峰值、且相位變化基本一致，測點②、③反映了勵磁機轉子的臨界轉速，而測點①反映了電機轉子的臨界轉速。軸系表現出的二階臨界轉速實際上是勵磁機的一階臨界轉速。

按照臨界轉速下振幅與激振力的相位關系，以及參考文獻中對于撓性轉子激振力超前最大振幅100°～130°和平衡槽加重時試加重相位=振幅最大值相位-240°的經驗做法，在測點勵磁機驅動端的旋轉整流盤上安裝試驗重量15 g∠24°、15 g∠36°（由于旋轉整流盤上平衡孔沿圓周均布30 個，相鄰兩個間隔12°），試驗重量安裝前后的振動變化見表2。

表2 增加試重后最大振幅附近振動值變化

對勵磁機一階振型的平衡計算采用振型圓法，運用CAD 可以方便地繪制矢量、擬合圓，減少矢量計算和矩陣計算的工作量。基于CAD 繪制的振型圓如圖6 所示。

圖6 基于CAD 繪制的振型圓

圖中角度φ從圖6b）中確定，試驗重量的相位已知，與相位方向垂直即為臨界轉速方向，φ為ncr與鄰近轉速n0在圓上的圓心角，如n0超前ncr，在初始振型圓上n0的方向滯后角度φ得到該階振型臨界轉速方向，進而確定激振力和實際加重的相位。

加重量計算公式與影響系數法類似，但模與相位角分別確定。實際加重W=（O′A/O′C）×w=（219.05/111.43）×29.8=58.6 g；角度33°；在24°處加重30.6 g，在36°處加重28.1 g。電機降速過二階臨界轉速的振動值降為76 μm，額定轉速的振動值為18 μm，共振放大系數為76/18=4.2，符合共振放大系數3～5 的要求。同時可以看出，試驗重量安裝后，極坐標圖中最大振幅的相位變化不大，說明試驗重量的位置選擇是正確的，計算后也得到證實。

4 對振型圓法應用的回顧

設Z 方向沿轉軸、M 為質量、C 為外部阻尼、K 為剛度、Q 為不平衡復向量，從形如下式的轉子運動微分方程：

從微分方程可以推導出，當轉子接近某一臨界轉速時，得到形如以下方程的解：

該方程為圓方程，轉速在i 階臨界轉速附近，相位也會發生較大變化（通常躍變約90°）幅相特性曲線可以擬合為圓。對于軸系，受其他階次振型的干擾等影響，超前最大振幅對應相位90°并非該階振型真實激振力的方向。

振型圓法基本思路為：從幅相曲線擬合某一臨界轉速附近振幅矢量，得到該階臨界轉速引起的振型圓，設直徑為，加試驗重量w∠α 后，得到新的幅相曲線，同樣擬合找出該階臨界轉速引起的振型圓圖形；兩個圖上對應轉速的矢量差即為試驗重量引起的變化。

式（2）中，a1、b1和Cis均∝Ω/ωr，其中Ω 在Ωcr±δΩ 范圍內。在試驗重量添加前后式（2）可寫作：

5 結束語

設圖6b）中某一轉速對應的圓心角為γ，圖6a）中對應的圓心角為α，由計算可知，α-γ=arccos［M1/（2M2）］。臨界轉速與鄰近轉速對應的圓心角相等。

擬合振型圓的轉速應與臨界轉速接近，不同的轉速間隔選擇，擬合的振型圓直徑和試驗重量引起變化的圓略有偏差，但試驗配重偏差一般不超過15%，相位偏差不超過10°，同樣可以獲得較好的平衡效果。畫出試驗重量安裝前后的振型圓后，也可以利用振型圓諧分量法的計算結果，試驗重量引起的影響因子為幅相曲線上原點O 與兩個振型圓上最大振幅點連線的截距矢量；對于一階振型對稱加重

對一次高壓同步電機軸系出現二階振動高高報警聯鎖保護問題的維修處理，發現安裝的偏差的影響并不顯著，主要由滑動軸承的阻尼和剛度等特性變化引起，并應用振型圓法對轉子平衡狀態進行修正，消除了異常振動的問題；并論述了振型圓法的原理，在運行轉速在臨界轉速以上的撓性轉子中可以應用。