水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡智能診斷

劉軍 周媛

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)一般是由于機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡造成的，開展不輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡診斷是水輪發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文首先介紹了動(dòng)平衡試驗(yàn)的現(xiàn)象及危害，并分析其原因，提出了相對水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡智能診斷方案。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子;動(dòng)平衡; 智能診斷 ;

ABSTRACT： The vibration of hydro generator unit is usually caused by the unbalance of rotor. It is an important content of safe and reliable operation to carry out the diagnosis of rotor unbalance of turbine generator set. This paper first introduces the phenomenon and harm of dynamic balance test， and analyzes its causes， and puts forward the intelligent diagnosis scheme of rotor unbalance of relative hydraulic turbine generator set.

KEY WORDS：Turbine generator rotor; dynamic balance; intelligent diagnosis;

0 ?緒論

由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和維護(hù)中最關(guān)鍵的問題之一，它產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不平衡力對發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有不利影響。發(fā)電機(jī)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，加速發(fā)電機(jī)軸瓦磨損，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的性能和安全運(yùn)行。為降低或消除發(fā)電機(jī)振動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡是轉(zhuǎn)子生產(chǎn)制造過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。發(fā)電機(jī)新轉(zhuǎn)子安裝好在發(fā)電廠運(yùn)行前，由制造廠在專門設(shè)計(jì)的平衡機(jī)上進(jìn)行動(dòng)平衡。動(dòng)平衡調(diào)試工序是一個(gè)檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否合理、質(zhì)量分布是否均勻的重要步驟，通過必要調(diào)整，使轉(zhuǎn)子在整個(gè)升速范圍內(nèi)和工作轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)降低至規(guī)定限值內(nèi)。

1 ?水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)有水力、電氣和機(jī)械三方面的原因，但多數(shù)由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所引起。因?yàn)樗啺l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子體積大和重量大，由多個(gè)部分組成，加工和組裝工藝很難保證平衡，也難以進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。轉(zhuǎn)子在靜止時(shí)并不產(chǎn)生不平衡力矩，當(dāng)轉(zhuǎn)子以某一角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，卻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不平衡力偶。這種不平衡，做靜平衡試驗(yàn)也是無法發(fā)現(xiàn)的，只有在轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，故稱之為動(dòng)不平衡。

1.1動(dòng)不平衡

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子屬于撓性轉(zhuǎn)子范疇。根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論，撓性轉(zhuǎn)子擁有無窮多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，各階臨界對應(yīng)著各自的振型。實(shí)際工作中，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡來說，一般只需考慮零到額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的1階和2階臨界振型的平衡，只有極少數(shù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子要考慮三階臨界振型的平衡。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)幅值主要取決于相應(yīng)的振型不平衡量的大小。由于臨界轉(zhuǎn)速附近振動(dòng)響應(yīng)比較敏感 ，通常在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值避開工作轉(zhuǎn)速的±lO%。

忽略阻尼是當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支承在徑向剛度各向同性的軸承上時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子撓曲主振型是繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)的平面曲線。

不平衡量沿發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向的分布是不可預(yù)測的，即使是同一類型的兩根發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子其不平衡量的分布也不相同。對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子來說，不同轉(zhuǎn)速時(shí)的平衡校正質(zhì)量的軸向位置的選擇和組合，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡效果。

通常用振型分量來表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量的分布，每階振型的動(dòng)撓度大小取決于該階振型不平衡量的大小，兩者成正比關(guān)系。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生共振，振動(dòng)達(dá)到最大。

常用加校正質(zhì)量的辦法將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始不平衡量降低到合格范圍。每臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始不平衡量都是不一樣的，所以添加的校正質(zhì)量及其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的位置和角度也是不同的。不同類型的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所需要的校正平面數(shù)也是有區(qū)別的。

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)品質(zhì);設(shè)計(jì)平衡槽或平衡塊時(shí)，應(yīng)考慮平衡操作的可行性;考慮轉(zhuǎn)子機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形，應(yīng)說明每個(gè)校正面上的配重上限。在進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮傳感器要易于安裝，軸相對振動(dòng)測點(diǎn)處的軸表面晃度和粗糙度應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡總裝時(shí)，各零部件不能有松動(dòng)。在進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡前，首先應(yīng)該了解發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)的各階臨界轉(zhuǎn)速和振型，熟悉每個(gè)校正平面的具體位置，并且掌握一定的平衡經(jīng)驗(yàn)和必要的動(dòng)平衡知識(shí) 。

1.2轉(zhuǎn)子不平衡異常現(xiàn)象

1）機(jī)組異常的轟鳴聲。如飛機(jī)飛行的轟鳴聲伴隨有嗡嗡的震顫，在水機(jī)室半封閉環(huán)境下，這種高能量的低頻轟鳴聲讓人耳膜無法承受，高達(dá)120-130分貝，而正常機(jī)組在同樣運(yùn)行工況同一位置為80-90分貝。

2）機(jī)組上導(dǎo)支架水平振動(dòng)值偏大。除聲音異常大外，機(jī)組上導(dǎo)水平振動(dòng)偏大，人站在止機(jī)架上明顯感到晃動(dòng)，水平振動(dòng)實(shí)測值如下：

從上表中可以看出，機(jī)組上 導(dǎo)除了水平振動(dòng)偏大外，垂直振動(dòng)、大軸擺度均滿足要求的，水導(dǎo)的軸承支架水平、垂直振動(dòng)、大軸擺度基本均滿足要求。

3）機(jī)組下導(dǎo)油盆蓋迷宮環(huán)對大軸瓦裙有明顯的“吞食”。

4）機(jī)組上導(dǎo)支架水平振動(dòng)值偏大的危害。容易使機(jī)組上機(jī)架連接部件松動(dòng)，使轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞;引起零部件或焊縫疲勞，形成并廣大裂縫甚至斷裂。由于轉(zhuǎn)子與定子氣隙不勻，轉(zhuǎn)子運(yùn)行受力不均，可能引起大軸彎曲變形，而軸變形越大，振動(dòng)也越嚴(yán)重。

2 ?轉(zhuǎn)子不平衡原因分析

分析水輪機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)偏大，主要從水力、機(jī)械和電氣三個(gè)方面的因素進(jìn)行，分別對轉(zhuǎn)子的疊加工藝、磁極重量和圓度、發(fā)電機(jī)氣隙、導(dǎo)瓦間隙、導(dǎo)軸承擺度、導(dǎo)軸承機(jī)架的水平和垂直振動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，確定水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動(dòng)過大是由于發(fā)電機(jī)偏心、推力瓦不和鏡板傾斜以及轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的機(jī)械方面振動(dòng)。

3 ?智能診斷

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動(dòng)化程度也越來越高。由于許多無法避免的因素的影響，有時(shí)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)各種各樣故障，以致降低或失去預(yù)定的功能，甚至造成嚴(yán)重的以致災(zāi)難性的事故。

設(shè)備故障診斷的目的是：

能及時(shí)的、準(zhǔn)確的對各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預(yù)防或消除故障，對設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行必要的指導(dǎo)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性和有效性以及把故障損失降低到最低水平;

保證設(shè)備發(fā)揮最大的設(shè)計(jì)能力，制定合理的檢查維修制度，以便在允許的條件下，充分挖掘設(shè)備潛力，延長服役期限和使用壽命，降低設(shè)備全壽命周期費(fèi)用;

通過檢測監(jiān)視、故障分析、性能評估等，為設(shè)備結(jié)構(gòu)修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理制造及生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)和信息。

本系統(tǒng)采用有以下幾種技術(shù)優(yōu)勢：

動(dòng)態(tài)故障仿真：本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)仿真圖動(dòng)態(tài)展示設(shè)備的實(shí)際傳動(dòng)關(guān)系，出現(xiàn)故障時(shí)模擬故障現(xiàn)象直觀的顯示在監(jiān)測界面。

故障追蹤功能：對每個(gè)測點(diǎn)不僅可以監(jiān)測其通頻值，還可以監(jiān)控192個(gè)特診故障頻率的趨勢，根據(jù)實(shí)際發(fā)生的故障也可專門設(shè)定頻段及該頻段的報(bào)警值及危險(xiǎn)值做實(shí)時(shí)追蹤。

變工況監(jiān)測：變工況設(shè)備在不區(qū)分工況時(shí)的趨勢分析意義不大，系統(tǒng)可取變工況設(shè)備在某一個(gè)工況（如某一轉(zhuǎn)速或功率）時(shí)的振幅來做趨勢分析，這樣可以排除變工況影響做故障預(yù)測。

階次分析：無論轉(zhuǎn)速如何變化，可直觀的展示各階次在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)幅值，從而判定各階次的故障嚴(yán)重程度。

分頻伯德圖：在常規(guī)伯德圖不僅只針對單一頻率監(jiān)測的基礎(chǔ)上，還可以對任意倍頻的伯德圖進(jìn)行精準(zhǔn)追蹤監(jiān)測。

極速查找關(guān)注圖譜：在若干測點(diǎn)（可高達(dá)數(shù)十條）時(shí)間趨勢圖上點(diǎn)中一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，可以對比這些測點(diǎn)該時(shí)間點(diǎn)的時(shí)域、頻域、各分頻、各頻段、三維、極坐標(biāo)、階次分析等圖譜分析功能。

專家智能診斷：專家系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速確定診斷邏輯模式輸入設(shè)備資料庫;根據(jù)診斷知識(shí)、故障現(xiàn)象、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、歷史趨勢、相對比較等針對各類設(shè)備、各種故障設(shè)置門檻值和診斷權(quán)重，智能診斷系統(tǒng)自動(dòng)得出診斷結(jié)論并給出維修建議。

4 ?結(jié)束語

在實(shí)際情況應(yīng)用中，機(jī)組振動(dòng)不可能由單一的動(dòng)不平衡所引起，電磁及水力影響也會(huì)起作用，是一種綜合性的因素。智能診斷方法依據(jù)充分，是許多水電站水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡智能診斷方法是值得推廣的方法，是能夠有效地解決運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡問題。

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