一種高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的試驗(yàn)方法

闕廣慶

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

一種高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的試驗(yàn)方法

闕廣慶

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

本文對(duì)高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)平衡試驗(yàn)進(jìn)行了研究，提出了一種比較實(shí)用的動(dòng)平衡試驗(yàn)方法，這種方法具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)便，啟動(dòng)機(jī)組次數(shù)少，平衡精度高等優(yōu)點(diǎn)。

水輪發(fā)電機(jī)；高轉(zhuǎn)速；動(dòng)平衡；機(jī)械滯后角

前言

對(duì)于低轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組，目前通常的動(dòng)平衡方法是時(shí)-頻方法。所謂時(shí)-頻方法，是指采用時(shí)域分析和頻域分析相結(jié)合的方法來(lái)確定不平衡力的方向和大小進(jìn)行動(dòng)平衡，從時(shí)域分析中的時(shí)域波形圖確定不平衡力的方向，從頻域分析中的頻譜圖中的轉(zhuǎn)頻分量來(lái)確定不平衡力的大小，這種方法在原理上與影響系數(shù)法相同，只是在不平衡力大小和方向的識(shí)別方法上更實(shí)用、更可靠。這種方法所需要的測(cè)試設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，具有啟動(dòng)機(jī)組次數(shù)少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)行的時(shí)-頻方法存在一些問(wèn)題，由于在高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組中，存在機(jī)械滯后角問(wèn)題，使得現(xiàn)行的時(shí)-頻方法平衡精度下降，有時(shí)甚至無(wú)法平衡。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)討論了時(shí)-頻方法和機(jī)械滯后角這兩個(gè)概念，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明它們可以比較有效的解決高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡問(wèn)題。

1 動(dòng)平衡試驗(yàn)的基本原理

動(dòng)平衡試驗(yàn)就是通過(guò)在轉(zhuǎn)子適當(dāng)部位上加重或去重的方式，調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置，使不平衡力減小到能夠滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行為止。引起轉(zhuǎn)子不平衡的因素有很多，如轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、原材料缺陷及制造安裝誤差等。轉(zhuǎn)子不平衡是回轉(zhuǎn)機(jī)械，特別是高速回轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)的主要激振力。在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，如轉(zhuǎn)子的撓曲變形所產(chǎn)生的附加不平衡可以忽略，就稱這種轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子；相反，稱柔性轉(zhuǎn)子。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子都屬于剛性轉(zhuǎn)子，可以用剛性轉(zhuǎn)子的平衡方法來(lái)平衡。

影響系數(shù)法是目前剛性轉(zhuǎn)子常用的平衡方法，它的基本原理如下:

假設(shè)以轉(zhuǎn)子上、下兩個(gè)園盤(pán)平面為加重的平衡面進(jìn)行轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，需要測(cè)量上機(jī)架、下機(jī)架的振動(dòng)。平衡的步驟如下：

方程組（1）中各量均為矢量，解此矢量方程組即得到上、下兩個(gè)平面應(yīng)加的平衡塊的大小和方位。

當(dāng)以轉(zhuǎn)子上、下兩個(gè)園盤(pán)平面中的一個(gè)面或某一固定平面為加重的平衡面進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí)，則只需測(cè)量上機(jī)架或下機(jī)架的振動(dòng)。方程組（1）變?yōu)橐粋€(gè)方程。不加試重時(shí)，測(cè)得的上機(jī)架振動(dòng)矢量為，在轉(zhuǎn)子某設(shè)平在面試加試重，測(cè)得加試重后的上機(jī)架振動(dòng)矢量為,設(shè)在試重平面應(yīng)加的平衡重為，則

式（2）中各量均為矢量，解此矢量式即得到平衡面應(yīng)加的平衡塊的大小和方位。

2 機(jī)械滯后角的基本概念

對(duì)于旋轉(zhuǎn)的單圓盤(pán)轉(zhuǎn)子，當(dāng)考慮外阻力的作用時(shí)，其不平衡質(zhì)量響應(yīng)方程為：

式中：Ω——圓盤(pán)角速度；

ωn——臨界轉(zhuǎn)速；

e——偏心距；

c——阻尼系數(shù)。

由此解出振幅A和相位tanθ：

由式（4）和（5）可知振動(dòng)幅值和不平衡力的相位并不一致，當(dāng)Ωnω時(shí)，0≈θ，所以對(duì)于低轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組可以不考慮機(jī)械滯后角θ的影響，但當(dāng)Ω比較大時(shí)，就需要考慮θ的影響，高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組就存在這個(gè)問(wèn)題。

3 高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)

我們以單面平衡為例對(duì)本文的方法說(shuō)明如下：

由于水輪發(fā)電機(jī)多為立式機(jī)組，轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)軸與軸承間隙達(dá)300μm左右，間隙對(duì)軸振影響較大，所以通常以上機(jī)架振動(dòng)或下機(jī)架振動(dòng)為平衡對(duì)象，以上下導(dǎo)軸承的擺度值為參考。這里以上機(jī)架振動(dòng)為平衡對(duì)象，為了相位的一致，所有測(cè)試傳感器都用渦流傳感器，測(cè)試上機(jī)架振動(dòng)的渦流傳感器固定在廠房?jī)?nèi)的吊車(chē)吊鉤上，再把吊鉤吊在離上機(jī)架較近的地方，這樣測(cè)得的是上機(jī)架相對(duì)于吊鉤的振動(dòng)，由于吊鉤受機(jī)組振動(dòng)影響較小，所以這樣測(cè)得的上機(jī)架振動(dòng)非常接近于絕對(duì)振動(dòng)。

不平衡方向的確定：假設(shè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，初始不平衡質(zhì)量為，方向我們還不知道，第一次起機(jī)可測(cè)得上機(jī)架振動(dòng)的幅值和相位，由于是高轉(zhuǎn)速機(jī)組，這個(gè)相位與不平衡質(zhì)量的相位并不一致，而是落后θ角，這個(gè)角度一般不會(huì)很大；在的對(duì)面加試重，第二次起機(jī)可測(cè)得上機(jī)架振動(dòng)的幅值和相位，上機(jī)架振動(dòng)是由不平衡質(zhì)量和試重共同作用引起的，作矢量運(yùn)算，其相當(dāng)于僅由試重引起的振動(dòng)，-與之間的夾角就是機(jī)械滯后角θ，將順時(shí)針轉(zhuǎn)θ角，這個(gè)位置就是不平衡質(zhì)量的相位，在其對(duì)面加配重就可平衡轉(zhuǎn)子。

不平衡配重值的確定：先計(jì)算靈敏度系數(shù)為：

下面是某高水頭高轉(zhuǎn)速?zèng)_擊式水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)平衡實(shí)例。

電站基本參數(shù)如下：

水輪機(jī)型式：沖擊式

機(jī)組布置：立軸/懸式

導(dǎo)軸承數(shù)目：3

額定轉(zhuǎn)速：750 r/min

設(shè)計(jì)水頭：816 m

機(jī)組出力：22.5MW

實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備及參數(shù)如下：

渦流傳感器：Bently渦流位移傳感器，靈敏度8000mv/mm，最大量程2mm，頻響0-1kHz；

信號(hào)分析儀：OR36動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。

測(cè)點(diǎn)位置如下：

（1）在機(jī)組+X方向用Bently渦流位移傳感器測(cè)量上機(jī)架徑向振動(dòng)。

（2）在機(jī)組+X方向用Bently渦流位移傳感器測(cè)量上、下導(dǎo)擺度。

（3）在上導(dǎo)上方的軸上貼一塊薄鐵片作為相位基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子支架共有8個(gè)支臂，鑒相片位置在1號(hào)支臂和8號(hào)支臂之間，機(jī)組順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向給轉(zhuǎn)子支架編號(hào)。

（4）振動(dòng)、擺度與相位信號(hào)分別接入OR36動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀。在穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)工況下作記錄分析。

平衡過(guò)程如下：

（1）機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)運(yùn)行，測(cè)量轉(zhuǎn)子的初始振動(dòng)；

平衡過(guò)程振擺數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 振擺數(shù)據(jù)

平衡過(guò)程中，上機(jī)架水平振動(dòng)、上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度的時(shí)域波形見(jiàn)圖1—圖3（圖中的波形由上到下依次為上導(dǎo)擺度、上機(jī)架水平振動(dòng)和下導(dǎo)擺度）。

由表1和圖1-圖3的數(shù)據(jù)可以看出，在轉(zhuǎn)子上部加配重對(duì)上機(jī)架振動(dòng)和上導(dǎo)擺度有較大的影響，使上機(jī)架振動(dòng)和上導(dǎo)擺度下降很多，在轉(zhuǎn)子上部加配重對(duì)下導(dǎo)擺度有影響，使其有所下降，但下降的幅度不夠大，要減少下導(dǎo)擺度和下機(jī)架振動(dòng)，應(yīng)在轉(zhuǎn)子下部加配重，這樣才能有效減少下導(dǎo)擺度和下機(jī)架振動(dòng)。

4 結(jié)論

本文對(duì)高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組提出了有效的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡新方法。該方法根據(jù)高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)，在平衡中考慮了機(jī)械滯后角的影響。應(yīng)用該方法，第一次啟機(jī)就可以判定不平衡力的大致方位，第二次啟機(jī)可以準(zhǔn)確判定不平衡力的方位和配重的重量，第三次啟機(jī)即完成平衡工作，與其他方法比較，具有儀器設(shè)備輕便，啟機(jī)次數(shù)少，平衡精度高，加試重即能顯著降低機(jī)組振動(dòng)水平等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 加配重前波形圖

圖2 加試重3kg后波形圖

圖3 加配重4kg后波形圖

[1] 姚大坤. 影響系數(shù)法在水電機(jī)組動(dòng)平衡中的應(yīng)[J].黑龍江電力，2001(5)：81-85.

[2] 周仁睦. 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡[M]. 北京：化工出版社,1992.

[3] 鐘一諤 何衍宗 王正 李方澤 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1987.

審稿人：呂桂萍

A Effective Method of the Dynamic Balance Test for Hydrogenerator Rotor with High Operating Speed

Que Guangqing
(Harbin institute of large electrical machinery, Harbin 150040, China)

The research work has been done on the dynamic balance test method for hydrogenerator rotor with high operating speed. A effective method is given. This method has many advantages: the working can be done with the simple measure instrument; the time for starting hydrogenerator is little; and the result is accurate.

hydrogenerator; high operating speed; dynamic balance; mechanical hysteresis angle

TM343

A

1000-3983(2012)02-0031-03

2011-05-07

闕廣慶（1960-），1982年畢業(yè)于哈爾濱船舶工程學(xué)院電工師資專業(yè)；1992年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位；現(xiàn)從事電機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試工作，高級(jí)工程師。