機械缺陷導致的機組不平衡振動分析

姜明利，佘建軍

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.玉溪市水利電力勘測設計院，云南 玉溪 653100）

1 前言

水電站水輪發電機組機械缺陷，會導致機組不平衡振動發生變化，機組發電機轉子不圓，也是一種機械缺陷，機組發電機轉子不圓造成機組旋轉部件質量偏心而產生機械不平衡力；同時造成發電機氣隙間隙不均勻而產生電磁不平衡力，從而導致機組運行產生不平衡振動。

文章以某水電站水輪發電機組發電機轉子不圓的機械缺陷引起機組不平衡振動情況進行分析。

2 基本情況

電站共裝有4 臺單機容量為300 MW 的立式混流式水輪發電機組，首臺機組于1998 年12 月投產發電，3 號機組于1999 年12 月發電，投產后1 號、2號、4 號機組運行正常，3 號機組多年運行過程中存在振動和擺度偏大的問題。

3 號機組投產后，于2000 年9 月進行了常規大修，由于機組振動、擺度偏大，大修期間請主機廠家進行了配重（當時配重380 kg），配重后振動、擺度情況有一定改善，但部分工況還存定偏大超標。

2006 年5 月，針對3 號機組振動和擺度變大問題，電廠進行了試驗配重，配重量243 kg，方位與2000 年配重方位相差30°左右，配重后振動、擺度情況有較大的改善。

2013 年12 月，針對3 號機組振動、擺度增大問題，對機組進行了再次的配重，配重量為145 kg，方位與2006 年配重方位相差180°。

2014 年12 月，3 號機組大修，重新進行了配重，同時對轉子圓度進行了調整檢查。本次大修后，機組振動不平衡情況有所改善，至今運行情況良好。

3 問題思考

（1）3 號機組，自1999 年12 月投產發電，先后于2000 年9 月、2006 年5 月、2013 年12 月 進 行 了3次配重，配重的質量和方位每次都有不同。

（2）每次配重后，機組的振動和擺渡情況都有所好轉，能滿足機組穩定運行的要求，振動和擺度基本在合理的運行范圍，機組的運行情況相對都比較理想，但是，隨著時間的推移和機組的運行，3 號機組的振動和擺度在逐漸的增大，出現振動和擺度超標問題。

（3）機組的振動和擺度，為什么會隨著時間而逐漸增大：2000 年配重后，振動和擺度情況良好，運行到2006 年，機組的振動擺度明顯增大，出現超標。2006 年5 月配重后，機組振動和擺度達到合格標準，到2013 年又出現超標這樣的問題。

（4）配重為什么會發生變化，三次配重的方位變化，特別是2006 年和2013 年12 月的兩次配重的方位相差180°？同時，配重的重量相對偏大，這種變化是有那種原因引起的，是什么樣的不平衡力導致的，這種變化為什么是一種緩慢的變化？電站共裝有4 臺相同的機組，為什么只有3 號機組出現這樣的問題？

4 數據分析

4.1 盤車數據分析

根據電站提供的資料，對1999 年機組初期安裝的盤車數據、2006 年機組擴大性大修拆機前的盤車數據和拆機回裝后的盤車數據、以及2014 年11 月機組擴大性大修拆機前的盤車數據等機組安裝和檢修過程中的部分盤車數據進行整理分析認為：

（1）機組的歷次盤車數據都能很好的反映軸線的情況，盤車數據基本滿足標準和機組穩定運行的要求，機組軸線情況良好。

（2）根據電站在線振擺監測系統和幾次的離線振擺檢測試驗數據分析，機組的軸線運行軌跡良好，軸線的運行姿態良好。

（3）機組三導軸承的運行中心沒有問題，能滿足機組運行穩定的要求。

4.2 配重試驗數據分析

根據配重前的變轉速和變勵磁試驗數據分析以及多次試配重情況，發現機組的振動和擺度受機組勵磁變化影響較大，決定機組最終配重在100%勵磁情況下進行，同時對機組進行變負荷試驗，以觀察機組振動和擺度的變化情況。

分析配重前后變轉速，變勵磁試驗數據（圖1～圖5）：

（1）配重前變轉速試驗數據可以看出，上導和下導擺度隨機組轉速變化不大，但機組上機架和定子外殼水平振動隨機組轉速的升高而增大。

（2）配重前變勵磁試驗數據可以看出，機組上下導及水導擺度受勵磁變化影響不大，但機組的上機架和定子外殼水平振動較沒加勵磁之前有明顯的增大，同時隨著勵磁的變化而變化，說明機組的振動和機組勵磁變化有很大的關系。

（3）配重后變轉速試驗數據可以看出，比較配重前，機組的上下導擺度略有增大，機組的上機架和定子外殼的振動有所減少，但總的變化不大。

（4）配重后變勵磁試驗數據可以看出，比較配重前，機組上導擺度有所增加，下導擺度隨勵磁變化先增加后降低，機組上機架和定子外殼振動明顯降低，說明配重后機組振動情況有明顯好轉。

通過配重前后試驗數據分析，可以看到，機組振動和勵磁有直接的關系，說明機組存在不平衡磁拉力。

圖1 配重前后擺度隨轉速變化對比圖

圖2 配重前后振動隨轉速變化對比圖

圖3 配重前后擺度隨勵磁變化對比圖

圖4 配重前后振動隨勵磁變化對比圖

圖5 配重后擺度及振動隨負荷變化曲線圖

4.3 轉子圓度檢查數據分析

對比1999 年新裝機時轉子圓度檢查數據和2006 年12 月大修拆機前后的轉子圓度檢查數據，可以看出，1999 年初裝時和2006 年12 月大修拆機前的轉子圓度檢查數據有很大的差別。

1999 年初裝時的轉子圓度基本情況良好，但是，2006 年12 月份大修拆機前的檢查數據顯示，轉子最大最小半徑差約1.7～2.09 mm（8 號磁極位置），且半徑分布形式，出現一面偏小，另一面偏大的現象。

2006 年12 月，3 號機組的大修記錄，對轉子圓度進行了調整，利用專用吊具拆卸、并重新掛裝磁極，通過調整磁極背后T 型槽內墊條的厚度，從而改變轉子圓度。調整后，轉子最大最小半徑差0.6 mm，轉子最大中心偏差約0.15 mm，且轉子半徑分布形式較好，未出現一面偏小，另一面偏大的現象。

2014年12月，3號機組轉子圓度測量數據顯示，3 號機組的轉子圓度較2006 年大修后的圓度測量數據又有很大的變化，轉子圓度再次出現一面偏大，一面偏小的現象，9～20 號磁極處轉子圓度明顯凸出偏大，轉子圓度最大最小偏差：上部1.79 mm，中部2.05 mm，下部2.84 mm（13 號磁極位置）。

1999 年12 月機組投運到2006 年12 月大修拆機，機組的轉子圓度發生這么大的變化，說明轉子的磁極或者磁軛發生了變化，可能出現了松動或者變形。這將引起轉動部分的質量不平衡和磁拉力的不平衡，從而引起機組振動和擺度的增大。

對比2006 年12 月機組大修和2014 年12 月機組大修，兩次拆機測量的轉子圓度數據，轉子圓度呈現相同的變化現象：出現一邊偏大，一邊偏小的情況，而且方位很接近，2006 年12 月偏大的部為在4～15 號磁極處，2014 年12 月圓度偏大位置在9～20號磁極處，轉子中心明顯發生偏移。

圖6 轉子圓度對比分析圖

4.4 轉子磁軛圓度檢查數據分析

對1999 年機組初裝時的測量數據，2006 年12月機組大修的測量數據，2014 年12 月機組大修測量數據進行對比分析。

數據顯示，1999 年初裝時轉子圓度情況相對較好；2006 年大修時，數據偏少，但也呈現出一邊大一邊小的現象，磁極16 號位置相對最大（最大最小差1.2 mm）；2014 年12 月的磁軛測量數據，比較明顯，10～20 號磁極處明顯偏大（16 號磁極最大最小差上部1.6 mm，中部1.54 mm，下部2.39 mm）。

2006 年12 月的大修，對磁軛基本沒有處理，根據大修記錄，磁軛的處理方案為：鑒于磁軛外圓的現狀，請在安裝時注意高點的打磨工作。也就是說，2006 年12 月的大修，基本上沒有對磁軛進行處理。

2014 年12 月的數據顯示：磁軛上中下3 個斷面的直徑并不一致，變形量也不同，呈上大下小的錐形，同時還存在一定的傾斜。

圖7 轉子磁軛圓度對比分析

4.5 轉子圓度與磁軛圓度情況對比

將2014 年轉子圓度和磁軛圓度的測量數據進行對比分析，可以發現，磁軛圓度和轉子圓度的軌跡基本相同，偏大偏小的方位基本一致。說明，轉子整體圓度的變化和磁軛的變化之間有一定的關系，但具體的變形量還是有一些差別。

圖8 轉子圓度與磁軛圓度對比分析

4.6 數據分析結論

將轉子圓度、磁軛圓度圖進行對比，2006 年5月的配重位置在轉子圓度和磁軛圓度的偏小方位，2013 年12 月的配重位置在轉子圓度和磁軛圓度偏大的方位。

根據這個現象推斷，2000 年機組配重后，機組轉動部分的質量、磁拉力處在平衡的位置，機組運行平穩，隨著機組的運行，轉子磁極和磁軛發生相對的運動和變形，由此產生了新的質量不平衡和磁拉力不平衡，造成機組的振動和擺度增大，不平衡力增加的方位就在轉子和磁軛相對位置凸出的方位，也就是在10～20 磁極號的方位，2006 年5 月的配重，正好也就處在了10～20 號磁極對應的反方向位置（32～34 號磁極的位置）。

2006 年12 月3 號機組進行大修，大修期間，沒有對磁軛進行處理，只是在磁極的掛裝的時候，調整了磁極的T 型鍵，對松動的拉桿螺栓進行了調整，保證了轉子外圓的相對圓度，從根本上并沒有改變轉動部分的質量和磁拉力的變化。

2006 年12 月大修后至2013 年12 月期間，機組運行過程中造成轉子的磁軛和磁極產生新的松動和變形，產生新的質量不平衡和磁拉力不平衡。

2014 年轉子磁軛圓度，呈上大下小的錐形，同時，還有一定的傾斜現象。磁軛圓度的變化應該是造成2013 年12 月配重的原因。

根據以上的數據和現象分析，造成3 號機組振動變化的原因，應該就是轉子磁軛和磁極的變形以及松動造成的，機組大修處理的重點也是處理磁極和磁軛，分析磁極和磁軛變形和松動的原因，并進行磁極和磁軛的調整和處理。

2014 年的機組大修，針對機組振動問題，對轉子進行了調整檢查，通過調整間隙、磁極拉桿螺栓拉緊等措施，盡量減少轉子的不圓度，同時在機組帶100%勵磁情況下進行了配重，本次大修后，機組振動情況有所改善，至今運行情況良好。

5 結束語

通過對該電站3 號機組振動數據的分析及多次機組檢修處理情況來看，造成機組振動及振動隨時間變化的根本原因是不平衡磁拉力，該不平衡磁拉力的產生是由于機組轉子磁軛的不圓以及磁極松動導致的轉子不圓等機械缺陷造成的，說明機組在設計、制造、安裝等環節還存在問題，在以后機組的運行和檢修過程中需要引起注意和重視。