絕對相位法在高轉速逆時針旋轉的水輪發電機動不平衡問題分析

朱輝輝，張永剛

（云南電力技術有限責任公司，云南 昆明 650051）

0 前言

某水電站首臺機組的單機容量為32.5 MW，發電機型號為SF32.5-12/3900，水輪機型式為CJA1581-L-185/(4×15.4)，機組額定轉速為500 r/min，機組的安裝方式為上導軸承支架固定在基坑基礎上的懸式機組。在機組首次啟動后的空轉工況時推力軸承上機架水平振動為73 μm，已超出規范DL/T507-2014《水輪發電機組啟動試驗規程》和董毓新教授編寫的《水輪發電機組振動》對于推力軸承上機架水平振動允許值不超過50 μm的要求[1]。

新機投產試驗往往存在工期緊張的現象，所以現場需要一種能夠在短時間內解決機組上機架水平振動偏大的問題。通過現場對此類問題的數次分析摸索出基礎絕對相位法，該方法可以一次性有效解決了推力軸承上機架水平振動偏大的問題，為電廠的提前發電能夠爭取到寶貴的時間。

1 實踐總結出基礎絕對相位法

為分析判斷并消除推力軸承上機架水平振動超標的原因，確保機組的安全運行，主要進行變轉速試驗，所以首先進行變轉速試驗。試驗分別在機組50%額定轉速、100%額定轉速下進行機組振動、擺度測試，針對振擺數據規律進行分析并給出解決推力軸承上機架水平振動超標的方法。試驗中用5個振動傳感器分別測量上機架X向水平/垂直振動、下機架X向水平/垂直振動、頂蓋X向水平[2]；同時用3個電渦流位移傳感器測量上導X向擺度、下導X/Y向擺度。機組手動開機后在50%額定轉速、100%額定轉速時的上機架水平振動原始數據見表1。

表1 故障處理前數據對比

從表一50%額定轉速和100%額定轉速兩個工況下的上機架水平振動測試數據可以看出，隨著機組轉速倍數增加，上機架水平振動值也呈現出倍數增加的現象，并且上機架水平振動值增加的趨勢與機組轉速的平方有明顯的線性關系，即上機架水平振動值由50%額定轉速的14 μm增加到100%額定轉速的73 μm，兩個工況下的上機架水平振動值接近5倍的關系，與機組2倍轉速的平方基本吻合，且上機架水平振動幅值主要頻率成分為轉頻如圖1，基本符合機組動不平衡的特征，表明機組轉動部分存在動不平衡的問題。同時監測發現其它部位的振動、擺度數據均在規程要求范圍以內，故其余部位的振擺數據不再一一列舉。

圖1 上機架水平振動數據FFT頻譜波形

在水輪發電機組推力軸承上機架水平振動超標的問題分析中，通過升速試驗，并對試驗數據進行FFT分析（見圖1）很容易確定問題的原因在于旋轉部件的動不平衡。而失重角（配重位置）在試驗工期緊張的條件下需要固定的方法一次性找準，給現場的技術解決帶來了不小的考驗，本次現場試驗結合個人十余臺機組配重過程的總結，發現基礎絕對相位法在實踐中有良好的應用作用。

2 大地絕對相位法

在這里引入實踐中常用的兩個概念：第一為振源，即引起一切問題源頭的激勵；第二為受體，即承受一切激勵所引起的受體對象。在現實中，我們經常會遇到激勵和受體這樣的對接關系，比如我們經常遇到給自己的汽車開展動平衡測試，這個工作與我們的水輪機組配重有這同工異曲之處。行駛在路上的汽車便為振源（激勵），汽車上的乘客可以等同認為是受體，因為車體的振動都是由駕車人員承受，在解決駕車人員的切身舒服感問題上，往往需要給汽車開展動平衡測試方能解決本質問題，而為汽車解決動平衡問題根源的設備是固定在我們熟悉的牢固的基礎之上。同樣的道理，在高轉速旋轉的水輪發電機組的部件中，轉子就是我認為的振源（激勵），而推力軸承上（下）機架是我所認為的受體，大地就是我們熟悉的牢固的基礎。

通過對振源和受體的大眾化比擬，可以明確引導出機組推力軸承上機架水平振動數值超標的本質原因是轉子的質量不平衡現象引起的。可以認為只要解決轉子（激勵）的質量不平衡問題，就可以順利解決推力軸承上機架（受體）[3]水平振動問題。因為固定部件推力軸承上機架（受體）安裝在大地基礎上，而推力軸承上機架又對轉子（激勵）起到良好的約束效果。我們終究把問題簡單化，把固定部件推力軸承上機架（受體）和轉子（激勵）作為一個參考整體，并同時以大地基礎為參考系，大地基礎和整個機組為一對合理的參照體系。

現場解決動不平衡問題以參考大地基礎為參考系，是解決該問題最重要的一步。

大地絕對相位法的具體實施方法分三步走：第一步，以大地為絕對固定參考，測量相對固定的推力軸承上機架水平振動幅值，取得上機架水平振動的正玄波形，見圖2的黑色正弦波形；第二步，在旋轉部件上做出突出標記物體，并用電渦流傳感器取得該標記物體在機組旋轉過程中形成的鍵相信號波形，見圖2的紅色曲線；第三步，讀取圖2的黑色正弦波形和圖2的紅色曲線峰峰值之間的時間差Δt除以機組旋轉固定周期T,利用失重角度計算公式Δt/T*360°，通過前兩步的大地絕對相位法，可準確算出失重角位置。

圖2 上機架水平振動與鍵相信號時域圖

3 大地絕對相位法的應用

水力機組現場動平衡一般根據上機架和下機架的振動情況[4-5]選擇在發電機轉子上下端面進行配重，加重位置在此由大地相位法確定。此次現場動平衡是根據上機架水平振動相對大地的失重角進行配重，加重位置也是由上機架水平振動幅值相位法確定。

試加重塊的計算公式為：

計算公式：

其中：P－試加重量（kg）

G－轉子重量（kg）

n－機組轉速（rpm）

r－試加重半徑（m）

由公式計算可知：

根據表一數據和大地基礎相位法分析并結合現場實際情況，在轉子上端面沿鍵相位置順時針旋轉約63°位置加重13.2 kg。加配重后再次手動開機至空轉，機組機組上機架水平振動情況如表2所示。

表2 配重后上機架水平振動數據

某水電廠1號機組經過大地相位法在轉子上端面沿鍵相位置順時針旋轉約63°位置加重13.2 kg后，上機架水平振動由73 μm下降至22 μm；同時觀測上機架水平振動失重角已發生110°的變化，通過配重已使得旋轉部件的失重角度發生變化，即再次配重可能會引起反方向效果，所以本次配重到此結束。最終通過大地基礎相位法有效解決了上機架水平振動超標的問題，如圖3。

圖3 基礎絕對相位法解決問題前后對比

4 結束語

通過測試數據準確分析確認上機架水平振動偏大的原因，針對性的提出大地相位法來尋找失重角的方法進行配重試驗，一次性有效解決了推力軸承上機架水平振動偏大的問題，也為電廠的發電爭取了寶貴的時間，為以后處理水輪發電機組推力軸承上（下）機架水平偏大的問題提供了一個很好的參考意義。