水輪發電機組軸系動力特性及軸線精度檢測方法研究

吳松建（成都天翔環境股份有限公司，四川成都610300）

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水輪發電機組軸系動力特性及軸線精度檢測方法研究

吳松建（成都天翔環境股份有限公司，四川成都610300）

在水輪機組的發展過程中，最為關鍵的問題，就是水輪機組穩定運行的問題，水輪機組的振動模式以及穩定性是業內人士亟需解決的關鍵問題。本文通過對機組動力學模型的建立，簡要的研究了水輪發電機組軸系動力的特性，以及保證機組穩定運行的軸線精度的檢測方法。

水輪發電機組；動力特性；軸線檢測

隨著水電產業的快速發展，水輪發電機作為水電工業中的重要設備，也開始向大功率、大規格、復雜化的方向發展。而機組結構的轉變，使其內部集成程度加深，部件之間的聯系也更為緊密，這無疑給機組的運維管理提出了更高的要求。而機組的震動及穩定性問題一直以來都是業界關注的重點。通過對機組的理論研究來加強機組的實用性，具有巨大的理論以及應用價值。

1　機組軸系建模

1.1計算模型

利用機組軸系橫向振動力學和響應計算方法［1］，建立起水輪發電機組的軸系模型，其主要參數如下：

（1）導軸承：導軸承長度L=0.635m，半徑R=0.67m，半徑間隙C=0.0005m；油膜粘度μ=0.033N·s/m2；油膜剛度系數K=2· 108N/m；阻尼系數C=4·106N·s。

（2）發電機轉子：轉子長度L=1.597m，直徑D=2.52m，磁通密度B=7500Gs。

（3）密封：上止漏環長度0.091m、直徑1.661m，壓差1MPa、間隙0.0007m；下止漏環長度0.105m，直徑1.661m，壓差1.2MPa，間隙0.0007m，上下止漏環結構都為直通式。

1.2瞬態響應計算

在上述模型的基礎上。若假定軸系中各節點沒有質量偏心現象，轉子整體沿x軸初位移為0.01mm，沿y軸初速度為0.52mm/s，軸系中的結點位移情況在線性油膜力模型如圖1所示，在非線性油膜力模型如圖2所示。由圖可知，線性模型計算的震蕩軌跡收斂快，非線性模型計算的震蕩軌跡收斂較慢。造成這種差異的原因在于，線性模型中的油膜力阻尼值以及剛度不變，計算過程一直保持較大的油膜力［2］。但就油膜本質而言，具有非線性特點，因此在計算中仍采用非線性油膜力模型計算。另外在水導軸承位置的震蕩收斂平穩后，其它部位仍處于震蕩狀態，且具一定浮動范圍，這種情況是油膜力與不平衡電磁拉力均勻化的效果，在連接關系的作用下，相應的轉輪位置的震蕩幅度也會降低。

1.3不平衡激勵響應

如果在發電機的轉子或者是水輪機的轉輪質量不均勻的時候，會產生垂直于大軸的徑向離心力，進而引發機組的震動現象發生。在發電機的轉子部位發生質量不均勻時，將會引發結點的不平衡相應瞬態混亂，最終限定與圓形軌跡范圍內，是符合不平衡相應形式的。另外出現轉子質量不均勻，會使法蘭處上方的結點產生的運動軌跡增大，引發轉輪以及下導軸承的震動。在其它條件不變的情況下，適當減小導軸承之間的間隙，能夠有效的降低軸系各部位的位移震動值，但間隙過小，則會導致油膜力供應不足。在油膜粘度加大時，各結點的震動情況將會降低。導軸承長徑比增大時，各結點震動幅值減小，導軸承長徑比減小時，各節點震動幅值增大。在勵磁電流進入發電機轉子后，若機組軸系具有橫向振動情況，加之受電磁場影響，在定子和轉子中產生不平衡電磁拉力，導致轉子橫向震動的幅值增加。因此，為降低不平衡電磁拉力影響產生的震動，需要適當的將定子與轉子之間的半徑間隙加大。

鑒于質量不均勻對機組造成的負面影響，我們必須在機組安裝時嚴格保證軸系的垂直度和同心度，那么對軸線的精度檢測就顯得尤為重要。

圖1　線性模型下機組軸系結點位移情況

圖2　非線性模型下機組軸系結點位移情況

2　立式水輪發電機的軸線精度檢測方法

2.1常規檢測方法

2.1.1盤車法

此種方法是最為傳統的軸線測量方法，利用盤車人為的將機組的轉輪部分轉動，并用位移傳感器或者是千分表等儀器，對相關的測量部位進行擺度值的確定，通過擺渡值對軸線出現擺度情況的原因、方向以及大小進行分析［3］。另外對相關的組合面進行人為刮削，從而糾正軸線與鏡面摩擦面，軸線與法蘭組合面的不垂直問題，將擺度降至規范值內。這種方法既能進行分段逐次的測量，也能夠進行綜合的測量。盤車法主要測量的軸線為主軸線、連軸后的總軸線等。

產生軸線和鏡面摩擦面不垂直的主要原因是：推力頭和鏡板之間的絕緣墊厚薄不勻、主軸與推力頭的底面不垂直。常規機組的軸線擺度規范值見表1。

表1　常規機組軸線擺度值規范

除應用于發電機主軸軸線的測量以外，盤車法還應用于機組總軸線的測量中，測量方法基本與前者相同，但需要在水導軸頸位置增加一對千分表，用來對水導處的擺度進行測量。利用測量出的數據計算出軸線與主軸法蘭結合面不垂直所產生的軸線曲折，了解軸線狀態。在軸線曲折極小而擺度又大的情況時，可以將推力頭底面或者是絕緣墊進行部分刮削，以達到調整的效果，若經過此種處理后擺度值仍不正常，還需對法蘭結合面進行處理。

2.1.2鋼琴線重錘耳機法

將鋼琴線懸掛于大軸的中心點，計算出大軸的垂直度、旋轉中心以及軸擺度，這種方法通常運用于大型的機組軸線測量中，其測量難度較大，但對了解軸線狀態、分析調整軸線十分有用［4］。此種方法所需要用到的工具主要有：鋼琴線、求心器、耳機、內徑千分尺等。利用求心架將求心器固定，用求心器對鋼琴線的位置以及高度進行調整，同時用具有一定重量的重錘繃緊鋼琴線。測量時，將四條專用于垂直測量的環帶，分別布置在水輪機軸以及發電機軸的法蘭內堂口位置，然后在軸心懸掛鋼琴線一根，在軸的360°位置內，用千分尺測量出四條環帶與鋼琴線的距離，從而確定大軸是否垂直［5］。

2.2傳統測量方法的弊端

盡管盤車法以及鋼琴線重錘耳機法在實際的軸線精度檢測工作中得到了廣泛的認可以及應用，但在某些方面仍存有缺陷：

2.2.1效率不高

例如，在利用盤車法進行軸線精度測量時，需要在盤車時準確的停留在之前設置的8個等分測點，且每個測點都需要相關的設置人員對盤車情況進行監視記錄，準確填寫千分表的變化情況。而鋼琴線重錘耳機法則為了更大程度的保證測量值的進度，需要不斷地對鋼琴線進行找正工作，并反復測量。所以利用這兩種方法進行軸線精度測量時，會耗費大量的時間以及精力，檢測效率難以提高。

2.2.2精度值不高

例如鋼琴重錘耳機法主要的測量方式，是人工接觸，而在人工設置的過程中，往往存有一定的誤差，同時，在測量過程中如若某部分零件出現振動情況，都會直接影響到鋼琴線的位置，造成最終測量結果的偏差。而盤車法同樣具有這一問題，由此看來，這兩種傳統方法，雖然應用廣泛，但就精確度而言卻具有極大的不穩定性，測量受外界以及人工方面的影響極大，不利于得到準確的軸線值。

2.3新型測量方法

結合目前大力推廣的新型軸線精度測量方法，直線度測量法，從實際運用方面出發，本文將介紹一種準確率高、操作方便、快捷的新型機組軸線精度檢測方法，為提升機組安裝效率以及安裝質量創建新思路。具體測量方法如下：

（1）準備四根符合抗拉強度標準的鋼琴線或者其它金屬線，要保證其不會彎折，一個重量能夠將鋼琴線或金屬線拉直的重錘，以及四個用作阻尼介質的油盆。

（2）準備一個符合測量需求的CCD位置測量儀器，現在CCD位置測量儀器的精度普遍高于0.01mm，完全能滿足安裝找擺的精度要求。

（3）對推力瓦受力進行調整并利用水平儀將鏡板保持在水平位置。

（4）將推力頭以及下導軸瓦之間的間隙調整在0.02～0.05mm之間，并鎖定下導軸頸，保證其位于軸線中心，能作為軸線基準中心位置使用。

（5）在主軸圓周的x軸以及y軸的四個方位上均勻布置四根懸有重錘的鋼琴線或金屬線，將重錘放入油盆，再將油盆放于頂蓋，確保測量的統一。

（6）測量全過程保證主軸屬于自由狀態。

（7）利用CCD測量儀器對機組的發電機下方、水導軸承、法蘭上方等位置進行四個方向的測量，得出其與主軸面的距離。

（8）最后通過數據處理分析出軸線的垂直度以及擺度大小。

3　結束語

綜上所述，水輪發電機組出現振動情況多數是由于機組本身制造和安裝產生，而內在的機理情況是依據軸系的動力學特性而定的。機組的振動情況以及振動軌跡，僅僅是動力學特性的外在形式。要從根本上保證機組的安全穩定運行，就需要以動力學入手，充分了解其內在信息，繼而進行有針對性的故障診斷和機組安裝。通過不斷的更新改進現有的故障診斷、機組安裝等方面的方法，促進水輪發電機組應用的長足穩定發展。

［1］林祖建，張祥彬，陳國棟，關英波.混流式水輪發電機組軸系動力特性分析［J］.電力與電工，2011，03（02）：118～122.

［2］喬衛東，馬 薇，劉宏昭，李郁俠.基于非線性模型的水輪發電機組軸系耦合動力特性分析［J］.機械強度，2010，03（13）：312～315.

［3］成本良，劉向陽.懸吊式水輪發電機組軸線測量、分析及處理［J］.小水電，2010，06（07）：45～49.

［4］唐策乾.立式水輪發電機組檢修中中軸線找正研究［J］.科技與企業，2014，14（16）：371.

［5］王春旭.水電站水輪發電機組軸線檢查及調整［J］.黑龍江科技信息，2014，24（18）：86～88.

吳松建（1984-），男，漢族，工程師，本科，主要從事機械設備制造工作。

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2095-2066（2016）10-0039-02

2016-3-8