轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法處理機(jī)組振擺偏大問題探討

熊威，萬元，譚振國，黃波

(1.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南常德415000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法處理機(jī)組振擺偏大問題探討

Discussion on solving vibration problem by rotor counterweight

熊威1，萬元1，譚振國1，黃波2

(1.五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南常德415000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡造成機(jī)組振動的解決方法通常采用單轉(zhuǎn)子平衡法與影響系統(tǒng)法，本文重點(diǎn)介紹了如何使用轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法解決五強(qiáng)溪電廠5號機(jī)組轉(zhuǎn)子動不平衡引起的上導(dǎo)、上機(jī)架振擺偏大的問題。

轉(zhuǎn)子；動平衡試驗(yàn)；配重；滯后角；擺度；振動

水輪發(fā)電機(jī)組由于在制造、安裝等方面存在誤差，在運(yùn)行中會產(chǎn)生不平衡力偶，導(dǎo)致機(jī)組振動擺度增大，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。水輪發(fā)電機(jī)組的振動很多是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡造成的，長期以來，多是采用單轉(zhuǎn)子平衡法與影響系統(tǒng)法來處理軸系不平衡的問題，這些方法過程較為復(fù)雜，處理過程需啟停機(jī)次數(shù)較多，已不適應(yīng)目前對機(jī)組的要求〔1〕。隨著電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行要求的不斷提高，如何在現(xiàn)場采取轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法解決轉(zhuǎn)子振擺偏大的問題，已日益引起工程技術(shù)人員的關(guān)注。五強(qiáng)溪電廠針對5號機(jī)組擺度數(shù)據(jù)偏大并超標(biāo)這一情況，專門成立了技術(shù)攻關(guān)小組，在研究水電機(jī)組振擺影響因素基礎(chǔ)上，利用機(jī)組穩(wěn)定性在線監(jiān)測系統(tǒng)，自主設(shè)計并實(shí)施了5號機(jī)組變負(fù)荷、變勵磁、變負(fù)荷等試驗(yàn)，并采用關(guān)聯(lián)趨勢分析、頻譜分析、軸心軌跡分析、瀑布圖分析等多種方法，對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析最終得出了轉(zhuǎn)子動不平衡是導(dǎo)致5號機(jī)組擺度數(shù)據(jù)偏大主要原因這一結(jié)論，從而為機(jī)組實(shí)施正確的運(yùn)行、維護(hù)、檢修手段提供重要的依據(jù)。最終決定對轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重處理。

1 工程概況

為確保5號機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，消除存在的轉(zhuǎn)子動不平衡影響，優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，于2015年5號機(jī)組A級檢修中，采用轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法，成功的解決了5號機(jī)組上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動偏大的問題。

1.1 水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù) (見表1)

表1 水輪發(fā)電組基本參數(shù)

1.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)范要求，在5號機(jī)組上布置振動、電渦流 (大軸擺度、轉(zhuǎn)速及相位)傳感器，用在線振動擺度測試分析儀記錄試驗(yàn)工況下各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析機(jī)組的穩(wěn)定性運(yùn)行狀態(tài)，判斷存在的轉(zhuǎn)子動不平衡的方位角，通過配重消除動不平衡對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響。測點(diǎn)布置見表2。

表2 測點(diǎn)布置

2 轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法

2.1 轉(zhuǎn)子一次加準(zhǔn)法步驟

首先測出機(jī)組機(jī)架振動值和大軸擺度值，根據(jù)實(shí)測振動和擺度信號確認(rèn)轉(zhuǎn)子原有不平衡質(zhì)量點(diǎn)的相位，然后在對稱位置加配重塊，使配重產(chǎn)生的離心力抵消原有不平衡力，從而減小振動、擺度。

2.2 不平衡質(zhì)量相位的確定

動平衡試驗(yàn)的關(guān)鍵是不平衡質(zhì)量相位的確定，通過確定機(jī)器轉(zhuǎn)子上高點(diǎn)的位置，就可能確定機(jī)器的平衡狀態(tài)和機(jī)器轉(zhuǎn)子上殘留的非平衡質(zhì)量的位置。機(jī)器轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的改變也將引起高點(diǎn)的變化，這種變化可以通過相位變化顯示出來。文中采用的是直接通過機(jī)架水平振動信號和鍵相點(diǎn)信號進(jìn)行相位判斷。根據(jù)振動信號時域波形圖的高點(diǎn)超前或滯后鍵相點(diǎn)的相位，來確定不平衡質(zhì)量的相位。由于振動系統(tǒng)內(nèi)阻尼的存在，時域波形的高點(diǎn)并不代表轉(zhuǎn)子上不平衡質(zhì)量所處的實(shí)際位置，位移總是滯后于不平衡力一個角度，該角度稱為滯后角，知道滯后角后便可準(zhǔn)確計算出不平衡質(zhì)量相位。準(zhǔn)確測量相位角，根據(jù)速度傳感器與鍵相塊實(shí)際裝設(shè)的情況求出實(shí)際相位角，依據(jù)振型和轉(zhuǎn)速合理的選擇滯后角是成功實(shí)施轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法的關(guān)鍵。

2.3 配重角度的計算

根據(jù)不平衡質(zhì)量相位推算配重角度θ(以鍵相塊所在位置為零位)

式中 β為時域波形圖的高點(diǎn)超前或滯后鍵相點(diǎn)的相位；a為機(jī)械滯后角；b為儀器滯后角，由于該滯后角較小，可以忽略；c為速度傳感器與鍵相塊的夾角，可按實(shí)際裝設(shè)的方位計算。

由于β可以實(shí)際計算出，機(jī)械滯后角a的計算成為計算配重角度的關(guān)鍵〔2〕。

在單自由度有阻尼強(qiáng)迫振動中，滯后角可寫為:

式中 ω為強(qiáng)迫振動中擾動力的角頻率；ω1為振動系統(tǒng)的固有頻率；稱為阻尼系數(shù)；c為阻力系數(shù)，m為質(zhì)量。

根據(jù)上式可畫出如圖1所示的相頻特性。

圖1 單自由度系統(tǒng)相頻特性

在多自由系統(tǒng)中，一階臨界轉(zhuǎn)速之前，滯后角可取30°～50°，水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子為連續(xù)多彈性體，是多度自由系統(tǒng)，可按動平衡時的轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。根據(jù)GB/T7894—2001《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》4.3.11:水輪發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)組裝完畢后，機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的第一階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于最大飛逸轉(zhuǎn)速的120%。動平衡試驗(yàn)一般是在水輪發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，遠(yuǎn)小于第一階臨界轉(zhuǎn)速，滯后角可選取30°～50°。

2.4 配重塊重量的確定

在進(jìn)行配重時，配重塊重量的選擇非常關(guān)鍵，配重塊過重易過量，配重塊過輕又達(dá)不到預(yù)期效果。一般常用的配重塊質(zhì)量的計算公式〔3〕:

式中 m為配重塊重量 (kg)；G為轉(zhuǎn)子裝配重量(kg)；n為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速 (r/min)；R為配重半徑(m)。

3 配重過程

3.1 確定上機(jī)架振動時域波形圖的高點(diǎn)超前或滯

后鍵相點(diǎn)的相位

通過圖2上機(jī)架振動分析上機(jī)架X向水平振動的測點(diǎn)與鍵相塊的時域波形圖，可以看出上機(jī)架水平測點(diǎn)的信號高點(diǎn)超前鍵相塊約90°。

圖2 上機(jī)架X向水平振動的測點(diǎn)與鍵相塊的時域波形圖

3.2 配重角度的計算

配重角度

式中 超前相位β=90°；機(jī)械滯后角a選取40°；設(shè)備滯后角b忽略不計為0。

由于鍵相塊、速度傳感器均也安裝在+X方向，所以c=0。

于是得出配重角θ=90-40-0-0-180=-130°。

3.3 配重位置的確定

配重塊一般焊接在轉(zhuǎn)子支臂上，五強(qiáng)溪電廠轉(zhuǎn)子共有22根支臂，以+X方向上的轉(zhuǎn)子支臂為1號支臂，對22個轉(zhuǎn)子支臂進(jìn)行逐一編號，如圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子支臂編號示意圖

由上計算可得出，配重塊與+X方向的夾角為-130°，即以+X方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)130°。轉(zhuǎn)子相連支臂間夾角為用總夾角除以相連支臂夾角即為轉(zhuǎn)子支臂間隔數(shù):8，通過上述計算，最終選擇在轉(zhuǎn)子#9支臂上加配重塊。

3.4 配重塊的重量確定

配重塊重量

五強(qiáng)溪電廠5號機(jī)組轉(zhuǎn)子重量為950 000 kg，配重塊安裝半徑為7 m，額定轉(zhuǎn)速68.18 r/min。

4 配重結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)分析

五強(qiáng)溪電廠最終選擇在轉(zhuǎn)子9號支臂上焊接了4塊配重塊，配重塊總重為97.6 kg，配重前后機(jī)組空載、空轉(zhuǎn)時，上導(dǎo) X向、Y向擺度，上機(jī)架X，Y向水平振動對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 配重前后振動數(shù)據(jù)對比 (非汛期) μm

由表3可知配重后，空轉(zhuǎn)狀態(tài)下:上導(dǎo)X向擺度通頻幅值減小6 μm；上導(dǎo)Y向擺度通頻幅值減小52 μm；上機(jī)架X向水平振動通頻幅值減小29 μm；上機(jī)架Y向水平振動通頻幅值減小34 μm?？蛰d狀態(tài)下:上導(dǎo)X向擺度通頻幅值減小2 μm；上導(dǎo)Y向擺度通頻幅值減小67 μm；上機(jī)架X向水平振動通頻幅值減小28 μm；上機(jī)架Y向水平振動通頻幅值減小26 μm。

4.2 頻譜分析

五強(qiáng)溪電廠額定轉(zhuǎn)速為68.18 r/min，轉(zhuǎn)頻為1.137 Hz。從表4數(shù)據(jù)分析可知 (如圖4所示):

配重前后上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動主頻幅值分量對應(yīng)的頻率均接近于機(jī)組轉(zhuǎn)頻。經(jīng)過配重后，上導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻幅值降低23 μm，降低23%；上機(jī)架轉(zhuǎn)頻幅值下降7 μm，降低47%。轉(zhuǎn)頻分量大幅降低，說明由轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡引起的振擺有所削弱。

表4 配重前后上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動主頻幅值對比

圖4 配重前后上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動頻譜圖對比分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證配重的效果，我們選取兩組配重前后機(jī)組在主汛期相同工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見表5。

由表5可知，在主汛期，5號機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)過配重處理后，相同工況下，上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動通頻幅值與轉(zhuǎn)頻幅值均大幅降低，說明轉(zhuǎn)子配重處理效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語

在轉(zhuǎn)子配重試驗(yàn)中如何簡化配重工藝，又能夠快速地、準(zhǔn)確地找到配重方位，已日益成為工程技術(shù)人員說重點(diǎn)研究關(guān)注的方向。轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法縮短了動平衡試驗(yàn)的時間，提高了配重的準(zhǔn)確性，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行及創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益提供了條件。五強(qiáng)溪電廠利用轉(zhuǎn)子配重一次加準(zhǔn)法，成功解決了5號機(jī)組上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動偏大的問題，經(jīng)過轉(zhuǎn)子配重后，機(jī)組上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動均得到大幅降低，機(jī)組各項(xiàng)振擺數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，達(dá)到了轉(zhuǎn)子配重的預(yù)期效果。

表5 配重前后上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動主頻、轉(zhuǎn)頻幅值對比 (主汛期)μm

〔1〕施維新.軸系平衡一次加準(zhǔn)法的研究及應(yīng)用 〔J〕.中國電力，2005，38(3):47-53.

〔2〕吳宗祥.淺析轉(zhuǎn)子動平衡一次加準(zhǔn)法與滯后角的選擇 〔J〕.工程與技術(shù)，2012(3):37-38.

〔3〕丁永勝.大型水輪發(fā)電機(jī)組動平衡 〔J〕.云南電力技術(shù)，2010，38(1):29-40.

TM301.42

B

1008-0198(2016)04-0047-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.012

熊威(1989)，男，助理工程師，主要從事水電廠機(jī)電設(shè)備維護(hù)管理工作。

萬元(1981)，男，博士，博士后，高級工程師，長期從事水電廠生產(chǎn)過程自動化研究工作。

譚振國(1978)，男，工程師，長期從事水電廠機(jī)電設(shè)備維護(hù)及技術(shù)管理工作。

黃波(1985)，男，工程師，主要從事水電廠水機(jī)試驗(yàn)及振動研究。

2015-12-03