水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)試期間振動(dòng)問題分析及處理

盧雙龍，張才穩(wěn)，彭天波

（湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，武漢430077）

前言

水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)和擺度是水電站設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)中的重大課題，它作為新機(jī)安裝或者機(jī)組大修后運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行方面具有舉足輕重的地位[1]。因此，在實(shí)踐中解決水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問題，在提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和延長機(jī)組使用壽命方面將具有十分重要的意義。

某水電站1號(hào)機(jī)組為立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組在調(diào)試期間出現(xiàn)了不同程度的振動(dòng)問題，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)該機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，找出了機(jī)組振動(dòng)故障原因，制定了故障治理方案，方案實(shí)施后徹底消除了該機(jī)組振動(dòng)故障。本文的分析思路和診斷方法可為同類機(jī)組振動(dòng)故障治理提供參考。

1 機(jī)組首次起動(dòng)振動(dòng)數(shù)據(jù)

在首次起動(dòng)過程中，在200 r/min之前振動(dòng)情況較好，但在200 r/min之后下導(dǎo)擺度隨轉(zhuǎn)速升高而直線爬升。表1給出了定速初期各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，在定速初期，上導(dǎo)擺度和水導(dǎo)擺度均不大，振動(dòng)情況較好；下導(dǎo)擺度較大，已超過該機(jī)組擺度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 150μm。另外，在定速過程中，各導(dǎo)軸承擺度均出現(xiàn)了一定程度的爬升，其中下導(dǎo)擺度變化最大，由定速初期的240μm逐漸爬升至370μm以上，并有繼續(xù)爬升的趨勢，這也不利于機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，該機(jī)組還存在水導(dǎo)擺度通頻幅值和工頻幅值之間差值較大的振動(dòng)異?，F(xiàn)象。

表1 原始擺度數(shù)據(jù)（通頻/工頻：μm/μm°∠）

2 振動(dòng)原因分析

水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的原因主要有機(jī)械因素、電磁因素和水力因素三個(gè)方面[2]。由于該機(jī)組振動(dòng)問題出現(xiàn)在空載運(yùn)行工況下，可以初步排除電磁因素和水力因素引起機(jī)組振動(dòng)的可能。因此，本文主要從機(jī)械方面來分析導(dǎo)致該機(jī)組振動(dòng)故障的原因。

2.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

頻譜分析表明，上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度以工頻分量為主，其他頻率分量較小，說明機(jī)組發(fā)生了普通強(qiáng)迫振動(dòng)，可以排除發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承失穩(wěn)或軸瓦緊力不足等因素的影響；機(jī)組安裝資料表明各部件參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可以排除因安裝因素引起機(jī)組振動(dòng)的可能。

在排除上述因素后，認(rèn)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是導(dǎo)致定速初期下導(dǎo)擺度超標(biāo)的主要原因。這是因?yàn)椋摍C(jī)組各導(dǎo)軸承擺度工頻幅值隨轉(zhuǎn)速升高而逐漸增大，各導(dǎo)軸承X向和Y向基頻相位相差約90°，說明軸系存在一定的質(zhì)量不平衡。由于下導(dǎo)擺度工頻分量較大，上導(dǎo)擺度和水導(dǎo)擺度工頻分量較小，說明不平衡位置主要位于發(fā)電機(jī)側(cè)，且位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下部。因此，對(duì)于定速初期下導(dǎo)擺度超標(biāo)問題，現(xiàn)場可以通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施動(dòng)平衡的方法來解決。

2.2 動(dòng)靜摩擦

在定速過程中，各導(dǎo)軸承擺度均出現(xiàn)了不同程度的爬升，其中下導(dǎo)擺度變化最大，由定速初期的240μm逐漸爬升至370μm以上，并有繼續(xù)爬升的趨勢。在停機(jī)過程中，各導(dǎo)軸承擺度幅值普遍高于升速過程中相同轉(zhuǎn)速下的擺度幅值，說明轉(zhuǎn)子存在一定程度的熱彎曲。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子還未通勵(lì)磁電流的情況下，這種熱彎曲只能是由摩擦引起的。圖1給出了定速過程中下導(dǎo)X向擺度趨勢圖。

圖1 下導(dǎo)X向擺度趨勢圖

摩擦振動(dòng)是指當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間間隙消失后，動(dòng)靜部件直接接觸產(chǎn)生的振動(dòng)。在處理摩擦振動(dòng)時(shí)，摩擦部位的正確判斷顯得尤為重要。大多數(shù)情況下，摩擦點(diǎn)附近振動(dòng)矢量波動(dòng)和變化量最為明顯，距離摩擦點(diǎn)越遠(yuǎn)，振動(dòng)矢量變化幅度越小[3]。在定速過程中，下導(dǎo)擺度變化量較大，上導(dǎo)和水導(dǎo)擺度變化量較小，說明摩擦部位在下導(dǎo)軸承附近。在下導(dǎo)擺度爬升過程中，下導(dǎo)瓦溫也同步變化，說明摩擦部位很可能位于下導(dǎo)軸承處。機(jī)組安裝資料表明，下導(dǎo)軸承單邊間隙在100μm左右，而定速初期下導(dǎo)擺度為240μm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過下導(dǎo)軸承間隙，說明摩擦部位位于下導(dǎo)軸承處。由于該機(jī)組下導(dǎo)軸承間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而定速初期下導(dǎo)擺度已明顯超標(biāo)，說明該機(jī)組摩擦振動(dòng)很可能與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)。通過對(duì)測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在下導(dǎo)擺度爬升過程中，下導(dǎo)擺度基頻相位基本不變，說明動(dòng)靜摩擦產(chǎn)生的熱彎曲方向與轉(zhuǎn)子原始不平衡方向基本一致，證實(shí)了前述分析的正確性。

由于該機(jī)組摩擦振動(dòng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)，因此只要通過動(dòng)平衡的方法將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量控制在較低水平，不僅有利于解決定速初期下導(dǎo)擺度超標(biāo)問題，同時(shí)也將有利于緩解甚至消除定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升現(xiàn)象。為此，摩擦振動(dòng)暫時(shí)可不必進(jìn)行處理。

2.3 轉(zhuǎn)軸表面機(jī)械缺陷

在升速和定速過程中，水導(dǎo)擺度通頻幅值和工頻幅值之間約有80～90μm的差值。分析表明，這主要是水導(dǎo)擺度測點(diǎn)表面機(jī)械缺陷所致。

圖2 低轉(zhuǎn)速下水導(dǎo)X向擺度波形

圖3 高轉(zhuǎn)速下水導(dǎo)X向擺度波形

從圖2、圖3可以看出，水導(dǎo)擺度波形中存在明顯的毛刺，低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下的毛刺點(diǎn)與鍵相點(diǎn)之間的相對(duì)位置保持不變，說明水導(dǎo)擺度測點(diǎn)表面存在機(jī)械缺陷（如局部腐蝕、劃痕等）。由于毛刺的存在，直接導(dǎo)致水導(dǎo)擺度通頻幅值偏大。按照擺度定義，水導(dǎo)擺度波形中毛刺所對(duì)應(yīng)的擺度峰值在 70μm 左右，如果在測試結(jié)果中將該虛假擺度值扣除，那么水導(dǎo)實(shí)際擺度僅在 60μm 左右，此時(shí)水導(dǎo)擺度通頻幅值和工頻幅值相差并不大。

2.4 軸承缺陷

頻譜分析表明，上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度以工頻分量為主，除二倍頻分量外，基本不存在其他頻率分量，可以排除上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承存在缺陷的可能；水導(dǎo)擺度頻率成分十分豐富，除工頻分量外，還含有大量的 2X、3X等高次諧波分量，這似乎說明水導(dǎo)軸承存在一定缺陷。

圖4 水導(dǎo)X向擺度頻譜圖

圖5 水導(dǎo)頂蓋振動(dòng)頻譜圖

在正常情況下，同一導(dǎo)軸承擺度頻譜和振動(dòng)頻譜應(yīng)表現(xiàn)出類似的振動(dòng)特征，如果水導(dǎo)軸承存在缺陷，那么在振動(dòng)頻譜中同樣應(yīng)有所體現(xiàn)。但頻譜分析顯示，端蓋振動(dòng)始終以工頻分量為主，除二倍頻分量在1～2μm外，基本不存在其他頻率分量，這與水導(dǎo)振動(dòng)特征完全不同。水導(dǎo)擺度和端蓋振動(dòng)在頻譜上表現(xiàn)出的巨大差異在實(shí)際中不大可能[4]，說明水導(dǎo)擺度頻譜中高次諧波分量很可能為虛假信號(hào)所致。由前述分析可知，水導(dǎo)擺度測點(diǎn)表面存在機(jī)械缺陷，這將對(duì)水導(dǎo)擺度頻率成分產(chǎn)生較大影響。因此，水導(dǎo)擺度頻譜中高次諧波分量很可能為轉(zhuǎn)軸表面機(jī)械缺陷所致，水導(dǎo)軸承本身并不存在缺陷。

綜上所述，1號(hào)機(jī)組首次起動(dòng)下導(dǎo)擺度超標(biāo)主要為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和動(dòng)靜摩擦所致。由于該機(jī)組摩擦振動(dòng)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場決定首先對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施動(dòng)平衡，摩擦振動(dòng)治理視動(dòng)平衡處理后擺度爬升情況而定。另外，各導(dǎo)軸承工作狀況正常，暫時(shí)不必進(jìn)行檢查與調(diào)整。

3 振動(dòng)治理效果

根據(jù)定速初期各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)，計(jì)算出首次加重方案P=18.5kg20°∠。在加重方案實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)該加重方案正好位于轉(zhuǎn)子已有配重塊的對(duì)面，于是現(xiàn)場采取去掉原始配重塊的加重形式。結(jié)合原有配重塊重量，決定首次加重方案為去重P=20kg2∠00°。經(jīng)過首次動(dòng)平衡處理后，各導(dǎo)軸承擺度有較大改善，定速初期下導(dǎo)擺度由240μm下降至136μm，定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升幅度明顯減小，動(dòng)平衡效果十分明顯?？紤]到該機(jī)組擺度爬升現(xiàn)象依然存在，現(xiàn)場決定繼續(xù)實(shí)施動(dòng)平衡，以進(jìn)一步緩解定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升現(xiàn)象。根據(jù)首次加重效應(yīng)，決定繼續(xù)去重P=10kg200°∠。通過本次動(dòng)平衡處理后，不僅進(jìn)一步改善了定速初期下導(dǎo)擺度幅值，同時(shí)也進(jìn)一步緩解了定速過程中各導(dǎo)軸承擺度爬升現(xiàn)象，完全達(dá)到了預(yù)期配重目的。表2給出了該機(jī)組動(dòng)平衡處理后各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)，圖6給出了動(dòng)平衡處理后下導(dǎo)Y向擺度趨勢圖。

表2 加重后擺度數(shù)據(jù)（通頻/工頻：μm/μm°∠）

圖6 下導(dǎo)Y向擺度趨勢圖

通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施動(dòng)平衡后，各導(dǎo)軸承工頻擺度均處于較低水平，說明轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡量已處于較低水平；在定速過程中，各導(dǎo)軸承擺度通頻幅值均小于 120μm，工頻相位基本保持不變，說明摩擦故障基本消除，表明該機(jī)組首次起動(dòng)擺度超標(biāo)問題及擺度爬升現(xiàn)象被徹底解決。

4 動(dòng)平衡后振動(dòng)突變分析及處理

在沒有任何運(yùn)行操作和征兆的情況下，該機(jī)組在正常運(yùn)行期間出現(xiàn)了振動(dòng)突變的異常振動(dòng)現(xiàn)象。其中，下導(dǎo)擺度變化最大，在短短幾秒內(nèi)由120μm突然增大到200μm以上。圖7給出了突變前后下導(dǎo)X向擺度趨勢圖。

頻譜分析表明，振動(dòng)突變前后振動(dòng)頻率均以工頻分量為主，說明振動(dòng)性質(zhì)為普通強(qiáng)迫振動(dòng)。在機(jī)組突發(fā)性振動(dòng)后，各導(dǎo)軸承擺度幅值和相位均發(fā)生了較大變化，基頻幅值和相位都恢復(fù)不到突發(fā)前的水平，表明軸系平衡狀態(tài)發(fā)生了明顯變化。在突變性振動(dòng)前后，各導(dǎo)軸承擺度工頻幅值和基頻相位基本保持不變，說明該機(jī)組在運(yùn)行期間很可能出現(xiàn)了部件飛脫或部件位移的情況。

圖7 下導(dǎo)X向擺度趨勢圖

在停機(jī)期間，首先檢查了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡塊，沒有發(fā)現(xiàn)飛脫或位移的跡象，可以排除因平衡塊安裝不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生突發(fā)性振動(dòng)的可能。在檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈時(shí)，發(fā)現(xiàn)幾乎全部線圈甩出線槽，由于磁極線圈含有一定的質(zhì)量，在發(fā)生位移的情況下，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子平衡狀況發(fā)生明顯變化。因此，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈位移很可能是導(dǎo)致該機(jī)組振動(dòng)突變的根本原因。

由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈幾乎全部甩出線槽，現(xiàn)場對(duì)轉(zhuǎn)子磁極線圈進(jìn)行了加固處理。再次開機(jī)后，各導(dǎo)軸承擺度數(shù)據(jù)與動(dòng)平衡處理后的擺度數(shù)據(jù)基本吻合，證實(shí)了前述分析的正確性。在后來運(yùn)行期間，該機(jī)組再也沒有出現(xiàn)過突發(fā)性振動(dòng)現(xiàn)象，說明通過對(duì)轉(zhuǎn)子磁極線圈進(jìn)行加固處理后，徹底解決了該機(jī)組突發(fā)性振動(dòng)問題。

4 結(jié)論及建議

（1）該機(jī)組首次起動(dòng)下導(dǎo)擺度超標(biāo)主要為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和動(dòng)靜摩擦所致，現(xiàn)場通過兩次動(dòng)平衡處理后，成功地解決了該機(jī)組擺度超標(biāo)問題；

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈位移是導(dǎo)致該機(jī)組振動(dòng)突變的根本原因，現(xiàn)場通過對(duì)轉(zhuǎn)子磁極線圈進(jìn)行加固處理，徹底解決了該機(jī)組突發(fā)性振動(dòng)問題；

（3）當(dāng)確定機(jī)組摩擦振動(dòng)與轉(zhuǎn)子平衡狀況有較大關(guān)聯(lián)時(shí)，建議首先開展軸系動(dòng)平衡工作，摩擦振動(dòng)治理可視動(dòng)平衡處理后動(dòng)靜碰摩程度而定；

（4）在正常運(yùn)行期間，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈幾乎全部甩出的故障實(shí)屬少見，希望相關(guān)單位對(duì)轉(zhuǎn)子磁極線圈固定方式能給予更高重視；

（5）當(dāng)渦流傳感器測點(diǎn)表面存在機(jī)械缺陷時(shí)，振動(dòng)測試結(jié)果將不能反映機(jī)組真實(shí)振動(dòng)狀況，建議在安裝渦流傳感器前盡可能消除轉(zhuǎn)軸測點(diǎn)表面機(jī)械缺陷。

[1]任光輝. 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)振動(dòng)問題分析和處理[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品. 2011,(7)129.

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