高速同步電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)問(wèn)題的維修

吳 勛

（西部管道烏魯木齊應(yīng)急搶險(xiǎn)中心，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

在西氣東輸三線一座天然氣壓氣站，一臺(tái)額定功率20 MW、額定電壓10 000 V 的無(wú)刷勵(lì)磁變頻調(diào)速同步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速4800 r/min，啟停機(jī)過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)2 個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，分別為在1630 r/min 左右和2935 r/min 左右。在維修中更換電機(jī)驅(qū)動(dòng)端滑動(dòng)軸承后對(duì)電機(jī)空載運(yùn)行測(cè)試，出現(xiàn)停機(jī)過(guò)程中降速通過(guò)二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)②觸發(fā)高高報(bào)警緊急停機(jī)，而啟機(jī)過(guò)程無(wú)此問(wèn)題。這時(shí)電機(jī)處于非正常狀態(tài)。轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，振動(dòng)傳感器安裝方式如圖2 所示，測(cè)點(diǎn)②的電渦流振動(dòng)傳感器X 的振動(dòng)值正常，Y 的振動(dòng)趨勢(shì)如圖3 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 振動(dòng)傳感器安裝

圖3 Y 方向振動(dòng)趨勢(shì)

1 檢查安裝偏差

該同步電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接，采用3 個(gè)水平剖分型滑動(dòng)軸承支撐，軸承兩側(cè)有迷宮型潤(rùn)滑油封，安裝要求的測(cè)量指標(biāo)主要有4 項(xiàng)，現(xiàn)場(chǎng)檢查和測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)安裝情況檢查

軸水平狀態(tài)的變化反映了更換的①處軸承與原軸承厚度存在偏差。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子在線圈部位有重量集中，軸線產(chǎn)生撓曲，但撓曲很微小，可以按照線性估算如下：兩處水平度需要調(diào)整0.12 mm/m，兩處滑動(dòng)軸承支撐距離為4 m，①處支撐需要降低（0.12/2）×4=0.24 mm?，F(xiàn)場(chǎng)從軸承座底部減去0.20 mm 墊片后，重新測(cè)量軸水平，差值為-0.05 mm；同時(shí)測(cè)量抬升高度為1.66 mm，考慮①處降低后對(duì)③處軸承座抬升高度的影響，在③處軸承座底部增加0.05 mm 墊片。從安裝角度完成調(diào)整后，啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，但降速通過(guò)二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)值仍然高高報(bào)警觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)。

2 對(duì)異常振動(dòng)問(wèn)題的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析

觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)的測(cè)點(diǎn)②Y 方向振動(dòng)監(jiān)測(cè)的圖譜如圖4 所示。從圖4 中可以看到，停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速降低至第二階臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)，振動(dòng)值遠(yuǎn)大于升速過(guò)程相同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)值。

圖4 測(cè)點(diǎn)②Y 方向振動(dòng)伯德圖

查閱文獻(xiàn)，在一臺(tái)50 MW 的發(fā)電機(jī)停機(jī)過(guò)程中也出現(xiàn)過(guò)降速通過(guò)二階臨界轉(zhuǎn)速（3600 r/min）時(shí)振動(dòng)顯著增大的現(xiàn)象。通過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，與汽輪機(jī)連接的懸臂端占有超過(guò)78%的二階振型動(dòng)能，具有“balance pit”型振動(dòng)形態(tài)的特征；經(jīng)過(guò)平衡，消除這個(gè)現(xiàn)象。振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)的伯德圖如圖5 所示。

圖5 文獻(xiàn)中發(fā)電機(jī)升速和降速振動(dòng)傳感器伯德圖

同步電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的伯德圖與參考文獻(xiàn)中有差異，主要表現(xiàn)在振幅僅在臨界轉(zhuǎn)速處急劇增大，且降速通過(guò)二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)通頻值（direct）與基頻（1X）幾乎完全重合，振動(dòng)幅值主要來(lái)源于基頻；電機(jī)驅(qū)動(dòng)端半聯(lián)軸器的懸臂距離支撐點(diǎn)較近，懸臂現(xiàn)象并不十分顯著。

3 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的修正

對(duì)于單根轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)和支撐剛度、阻尼等條件確定后，會(huì)有自身的臨界轉(zhuǎn)速ncr1、ncr2、……；對(duì)于軸系，單根轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生遷移，表現(xiàn)出新的臨界轉(zhuǎn)速Ncr1、Ncr2……。從啟停機(jī)過(guò)程振幅與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系來(lái)看，測(cè)點(diǎn)①在ncr1振幅有峰值，測(cè)點(diǎn)②和③在ncr2有峰值、且相位變化基本一致，測(cè)點(diǎn)②、③反映了勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，而測(cè)點(diǎn)①反映了電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。軸系表現(xiàn)出的二階臨界轉(zhuǎn)速實(shí)際上是勵(lì)磁機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速。

按照臨界轉(zhuǎn)速下振幅與激振力的相位關(guān)系，以及參考文獻(xiàn)中對(duì)于撓性轉(zhuǎn)子激振力超前最大振幅100°～130°和平衡槽加重時(shí)試加重相位=振幅最大值相位-240°的經(jīng)驗(yàn)做法，在測(cè)點(diǎn)勵(lì)磁機(jī)驅(qū)動(dòng)端的旋轉(zhuǎn)整流盤(pán)上安裝試驗(yàn)重量15 g∠24°、15 g∠36°（由于旋轉(zhuǎn)整流盤(pán)上平衡孔沿圓周均布30 個(gè)，相鄰兩個(gè)間隔12°），試驗(yàn)重量安裝前后的振動(dòng)變化見(jiàn)表2。

表2 增加試重后最大振幅附近振動(dòng)值變化

對(duì)勵(lì)磁機(jī)一階振型的平衡計(jì)算采用振型圓法，運(yùn)用CAD 可以方便地繪制矢量、擬合圓，減少矢量計(jì)算和矩陣計(jì)算的工作量?；贑AD 繪制的振型圓如圖6 所示。

圖6 基于CAD 繪制的振型圓

圖中角度φ從圖6b）中確定，試驗(yàn)重量的相位已知，與相位方向垂直即為臨界轉(zhuǎn)速方向，φ為ncr與鄰近轉(zhuǎn)速n0在圓上的圓心角，如n0超前ncr，在初始振型圓上n0的方向滯后角度φ得到該階振型臨界轉(zhuǎn)速方向，進(jìn)而確定激振力和實(shí)際加重的相位。

加重量計(jì)算公式與影響系數(shù)法類似，但模與相位角分別確定。實(shí)際加重W=（O′A/O′C）×w=（219.05/111.43）×29.8=58.6 g；角度33°；在24°處加重30.6 g，在36°處加重28.1 g。電機(jī)降速過(guò)二階臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)值降為76 μm，額定轉(zhuǎn)速的振動(dòng)值為18 μm，共振放大系數(shù)為76/18=4.2，符合共振放大系數(shù)3～5 的要求。同時(shí)可以看出，試驗(yàn)重量安裝后，極坐標(biāo)圖中最大振幅的相位變化不大，說(shuō)明試驗(yàn)重量的位置選擇是正確的，計(jì)算后也得到證實(shí)。

4 對(duì)振型圓法應(yīng)用的回顧

設(shè)Z 方向沿轉(zhuǎn)軸、M 為質(zhì)量、C 為外部阻尼、K 為剛度、Q 為不平衡復(fù)向量，從形如下式的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)微分方程：

從微分方程可以推導(dǎo)出，當(dāng)轉(zhuǎn)子接近某一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，得到形如以下方程的解：

該方程為圓方程，轉(zhuǎn)速在i 階臨界轉(zhuǎn)速附近，相位也會(huì)發(fā)生較大變化（通常躍變約90°）幅相特性曲線可以擬合為圓。對(duì)于軸系，受其他階次振型的干擾等影響，超前最大振幅對(duì)應(yīng)相位90°并非該階振型真實(shí)激振力的方向。

振型圓法基本思路為：從幅相曲線擬合某一臨界轉(zhuǎn)速附近振幅矢量，得到該階臨界轉(zhuǎn)速引起的振型圓，設(shè)直徑為，加試驗(yàn)重量w∠α 后，得到新的幅相曲線，同樣擬合找出該階臨界轉(zhuǎn)速引起的振型圓圖形；兩個(gè)圖上對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的矢量差即為試驗(yàn)重量引起的變化。

式（2）中，a1、b1和Cis均∝Ω/ωr，其中Ω 在Ωcr±δΩ 范圍內(nèi)。在試驗(yàn)重量添加前后式（2）可寫(xiě)作：

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)圖6b）中某一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的圓心角為γ，圖6a）中對(duì)應(yīng)的圓心角為α，由計(jì)算可知，α-γ=arccos［M1/（2M2）］。臨界轉(zhuǎn)速與鄰近轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的圓心角相等。

擬合振型圓的轉(zhuǎn)速應(yīng)與臨界轉(zhuǎn)速接近，不同的轉(zhuǎn)速間隔選擇，擬合的振型圓直徑和試驗(yàn)重量引起變化的圓略有偏差，但試驗(yàn)配重偏差一般不超過(guò)15%，相位偏差不超過(guò)10°，同樣可以獲得較好的平衡效果。畫(huà)出試驗(yàn)重量安裝前后的振型圓后，也可以利用振型圓諧分量法的計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)重量引起的影響因子為幅相曲線上原點(diǎn)O 與兩個(gè)振型圓上最大振幅點(diǎn)連線的截距矢量；對(duì)于一階振型對(duì)稱加重

對(duì)一次高壓同步電機(jī)軸系出現(xiàn)二階振動(dòng)高高報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù)問(wèn)題的維修處理，發(fā)現(xiàn)安裝的偏差的影響并不顯著，主要由滑動(dòng)軸承的阻尼和剛度等特性變化引起，并應(yīng)用振型圓法對(duì)轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)進(jìn)行修正，消除了異常振動(dòng)的問(wèn)題；并論述了振型圓法的原理，在運(yùn)行轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以上的撓性轉(zhuǎn)子中可以應(yīng)用。