水輪發電機組動平衡分析與案例處理

李林峰，黃學然，田小波

（1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州省貴陽市 550002；2.華電電力科學研究院有限公司，四川省成都市 610041；3.紅楓水力發電廠，貴州省清鎮市 551400）

0 引言

水輪發電機組結構復雜，誘發振動的原因很多，綜合各種因素我們將主要原因歸納為三個方面：機械不平衡（發電機轉子質量不平衡、機組軸線曲折、導軸承不對中、軸瓦間隙過大、推力軸瓦不平、推力頭卡環配合松動）；電磁不平衡（空氣間隙不均勻、轉子磁極松動、匝間短路、定子鐵心疊片松動、定子繞組固定結構松動、三相負荷不對稱）和水力不平衡（尾水管渦帶、水力不平衡、空蝕、卡門渦）[1]。通過試驗測得水輪發電機關鍵部位的振動幅值和振動頻率特點，分析出引起機組振動超標的主要原因，再針對性的進行處理。一般而言，由于機組在制造、安裝等機械方面的原因，在運行過程中都不可避免地存在著不同程度的振動，這是不可能完全避免和消除的現象。但是只要將機組各部位的振動限制在允許的范圍之內，它對機組本身及其運行并不會造成危害，也就是說可以保證機組穩定運行。然而，當機組的振動超過允許的范圍，或振動的頻率同機組的某固有頻率相同而產生共振時，就會嚴重地影響到機組的安全運行。在新投產的機組或大修后的機組，根據經驗引起機組振動超標的主要原因就是轉子質量失衡，而機組的配重是現場處理水輪發電機組動不平衡的一種有效方法。

1 振動過大危害及振動主要特征

發電機轉子質量不平衡會引起機組某些振動指標過大甚至超標，尤其是上導軸承、下導軸承及上機架振動過大時，容易使機組上機架連接部件松動，使轉動部件與靜止部件之間產生摩擦甚至掃膛而損壞，同時會引起機組零部件變形、松脫、疲勞斷裂等[2]，對機組安全穩定運行造成重大隱患，為了提高機組運行的安全穩定性，須進行動平衡試驗，以降低旋轉部件質量失衡帶來的危害。

發電機轉子不平衡引起機組振動的特征主要表現為以下幾點：①機組大軸擺度和機架水平振動在機組空轉時大于正常值；②振動擺度一倍頻幅值隨轉速增大而增大，且與轉速的平方成直線關系；③振動和擺度的主要頻率為一倍頻[3]。通過機組的穩定性試驗，測出機組在各個工況下的振動擺度數據，分析數據進而判定是否需要做動平衡試驗以減小機組振動，使其運行在一個相對穩定的狀態。

2 動平衡試驗

2.1 首次啟動試驗

對于新投產的機組或大修后首次啟動的機組，第一次啟動機組時應手動緩緩開啟導葉，讓機組慢速轉動一圈，目的是檢查機組的轉動部分與固定部分是否存在碰撞或不正常的摩擦。

2.2 變轉速試驗

機組在25%ne、50%ne、75%ne、100%ne工況下，測定機組各部位的振動、擺度通頻值、轉頻值以及對應相位角度。目的是測量機組機械不平衡的影響情況。

2.3 變勵磁試驗

機組在額定轉速并帶25%Ue、50%Ue、75%Ue、100%Ue工況下，測定機組各部位的振動、擺度通頻值、轉頻值以及對應相位角度。目的是測量機組電磁不平衡的影響情況。

2.4 動平衡試驗

在不同轉速和不同勵磁工況下，根據機組各部位的振動和擺度情況、以及受力的大小和方位，確定最終配重相位，對機組進行配重處理，直到各項指標都達到規程及設計的要求。

通過試驗設備測出機組在不同工況下的三導軸承擺度的最大幅值，及其對應的相位角，此相位角就是超重角（θ），配重角即在超重角的對面（θ±180°），以鍵相片為起點逆時針旋轉（θ±180°）即為機組的超重角，找到了旋轉機械的超重角，再通過綜合平衡法最終確定配重角度。

配重角的確定，是動平衡試驗最重要的環節，在進行了變轉速和變勵磁試驗后，對所測得數據進行分析。若上導軸承、下導軸承和水導軸承為主的轉頻相位角度一致或數值接近，就可以在對應的相位，找到配重角進行配重即可。然而在大多數情況下，三導軸承及機架振動的轉頻相位角度是不一致的，這時就應對各部位所測得的相位進行比較，綜合考慮各部位振動的影響系數，一般而言配重角選擇的原則為：以擺度超標部位的相位為主，同時兼顧其他部位的振動擺度相位，比較確定配重角度，這個配重角度并不需要與某一個部位的相位值相等，即它可以等于某一部位的相位值，也可以不等于某一部位的相位值[4]。

當動平衡試驗配重角度確定之后，要選擇試驗應加的配重塊質量，在確定配重質量之前，要進行試驗配重，比較、估算配重質量。試配質量的選擇要適中，其質量太大，產生的離心力過大，會造成機組振動過于激烈；質量太小了，機組振動的幅值變化不大，影響了試驗的精度。配重的目的除了將機組的振動、擺度值降低到機組可承受范圍或標準范圍內以外，還需看配重后三導軸承的轉頻相位角度是否有較大變化，如果相位角度出現較大變化就不應繼續配重[5]。

試重塊一般可根據額定轉速下機組轉動部件所產生離心力的允許值來確定，由試重塊所產生的離心力，約為其附近軸承上的負載，而該負載約為轉子質量的（0.5～2.5）%，以此來確定試重塊的質量。即：

式中：F——試加荷重產生的離心力，N；

P——試重塊的質量，kg；

g——重力加速度9.8m/s2；

R——試加荷重固定半徑，m；

ω——角速度，1/s；

G——轉子質量，kg。

由式（1）可得到試配質量的經驗公式：

式中：Ne——機組額定轉速，r/min。

對于低轉速機組，式（2）中的系數可取小值；對于高轉速機組，可取大值。

試配完成之后，再次啟動機組，分析在空轉、空載工況下，機組振動、擺度的變化情況，若導軸承的相位角度未發生較大變化且轉頻幅值有所下降，則說明試配角度沒問題，可以在此基礎上繼續增加質量進行配重。再次配重要留有一定的余量，因配重會對機組的軸線產生影響，而軸線的變化會對磁拉力產生影響，一次加得太多、太滿會在軸線發生變化之后產生新的電磁不平衡[6]。

3 實例分析

3.1 機組基本參數

某水電站原裝設3臺25MW立軸混流式水輪發電機組，總裝機容量75MW，年平均發電量3.16億kW·h。后經電站研究論證對機組進行增容改造，改造后共裝設3臺單機容量為29MW的立軸混流水輪發電機組，總裝機容量為87MW，增容改造后的水輪機及發電機由杭州力源發電設備有限公司設計制造，調速器由武漢三聯水電控制設備有限公司設計制造。本次動平衡試驗機組為3號機組，其基本參數詳見表1。

表1 試驗機組基本參數Table 1 Basic parameters of test plant unit

3.2 試驗測點布置

（1）擺度測點。在機組上導、下導、水導軸承座上分別沿+X、+Y方向安裝電渦流位移傳感器，用以監測各導軸承擺度情況。

（2）振動測點。在上機架、下機架、頂蓋水平+X、+Y方向和垂直方向各安裝一個低頻位移傳感器，共9個測點，用以監測各部位振動情況。

（3）鍵相信號。在水導軸承+X方向處，安裝一個電渦流位移傳感器，并在大軸的相應位置黏貼一片1mm厚的鍵相片，鍵相信號位置與水導軸承+X方向傳感器同在一條鉛垂線上，用以測量機組轉速并進行相位分析。

3.3 動平衡試驗

該機組大修后進行了第一次手動開機，操作人員緩慢打開導葉，讓機組慢速轉動超過一圈后，迅速關閉導葉至零開度。經檢查機組所有的轉動部件與固定部件無碰撞聲、無不正常的摩擦聲，機組各部位轉動正常。

隨后，進行了變轉速試驗，隨著轉速的升高，各導軸承擺度值以及各部位振動值逐漸增大，其中上導、下導軸承擺度值變化較大。在100%ne工況時，除上導擺軸承擺度值超出設計規定值外，其余各導軸承處的擺度值都在設計規定值內；機組各部位的振動值均滿足規程規定值，機組在空轉工況運行基本穩定。變轉速試驗中部分測點隨轉速平方變化趨勢見圖1。

圖1 部分測點振擺幅值隨轉速平方變化趨勢Figure 1 Variation Trend of swing amplitude of some measuring points with speed square

機組在空轉工況下，逐步進行了勵磁升壓試驗，在整個勵磁試驗中，隨著勵磁電壓的增加，機組上導、下導軸承擺度值以及上機架水平振動值變化很大，且嚴重超出設計規定和規程規范要求。在100%Ue工況時，機組上導、下導軸承擺度值和上機架水平振動值嚴重超出了設計規定和規程規范要求，根據試驗數據分析得出，機組存在嚴重的磁拉力不平衡現象，所以決定在100%Ue勵磁工況下對機組進行配重處理。

從表2可以看出，三導軸承擺度+X和+Y方向的相位差在90°左右，表明傳感器安裝位置較好。從試驗數據分析，在空轉工況下，上導軸承擺度幅值超出標準規定，從圖1中變轉速試驗看出，上導擺度和上機架振動都與轉速的平方呈線性關系，說明發電機轉子存在質量不平衡。在勵磁升壓過程中，上導軸承、下導軸承擺度幅值不斷增大，且嚴重超出了規程規定的范圍，說明磁拉力嚴重不平衡，導致機組振擺超標。

表2 機組配重前100%額定轉速和100%額定勵磁電壓試驗數據Table 2 Before counterweight of plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

在空轉工況，上導、下導的轉頻相位分別為244°和280°，而空載工況下，上導、下導的轉頻相位分別為74°和70°，角度差別較大，由于機組最終是在有壓狀態下運行，且空載工況下上、下導幅值變化較大，因此配重相位應以100%勵磁電壓相位分析數據為準，但同時會對空轉工況下機組穩定運行帶來不利影響。

經過現場討論和再三權衡，認定配重的目的為改善空載工況下上導、下導的擺度幅值，其相位分別為74°和70°，即機組超重角度。其對應的配重位置應為其對面，大約是254°和250°，最終根據計算與現場實際情況，決定在轉子上端面和下端面250°位置分別加20kg和15kg配重塊，對機組進行配重處理。配重后試驗數據見表3。

表3 機組第一次配重后100%額定轉速和100%額定勵磁電壓試驗數據Table 3 After the first counterweight of the plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

由表3數據可知，在100%勵磁工況下，上導+X向擺度幅值由原來的488μm下降到330μm，下導+X向擺度幅值由原來的642μm下降到338μm，上機架水平+X向振動幅值由原來的113μm下降到57μm，且相位角度變化不大，說明配重效果明顯。在此基礎上，在相同的位置，對發電機轉子上端面和下端面分別增加20kg和8kg配重塊。第二次配重后數據見表4。

表4 機組第二次配重后100%額定轉速和100%額定勵磁電壓試驗數據Table 4 After the second counterweight of the plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

由表4數據可知，第二次配重后，在空載100%勵磁工況下，上導擺度幅值由原來的330μm下降為210μm，下導擺度幅值由原來的338μm下降為150μm，下導擺度幅值下降到設計規定值內，上機架水平振動幅值也降低到標準范圍內。但同時空轉額定轉速工況下，上導、下導擺度幅值變化較大，且呈現上升趨勢，這與之前判斷的效果相同。綜合考慮后，在不影響機組空轉運行的情況下，以保證勵磁工況穩定運行為主要參考依據，經過兩次配重試驗后，機組在空載工況下各部位的振動擺度幅值基本滿足了規程規定要求。機組在帶當前水頭下最大負荷工況，各部位導軸承擺度值和機架振動值均在標準和設計規定范圍內，至此，該機組轉子動平衡試驗結束。

4 結語

動平衡試驗開始前要特別注意傳感器的選擇與安裝，傳感器的使用一定要滿足測量精度要求，且在校驗合格期內，傳感器的布置安裝，同一截面的傳感器盡量互成90°，同一位置的傳感器應盡可能保證在一條鉛垂線上，若由于現場條件因素導致安裝不準確，一定要注意對數據進行修正。在數據采集時，應盡量保證在工況穩定時進行。在進行相位分析時，一定要分清楚主次，綜合考慮，多方兼顧。在選擇配重塊質量時，要按照經驗公式來進行試配，配重塊的質量不宜過大，以免造成角度發生突變。動平衡試驗對水輪發電機組的長期安全穩定運行具有非常重要的作用。