向家坝电站800MW水轮发电机组动平衡试验

徐 波，徐娅玲，尹永珍，徐 铬（. 长江电力股份有限公司技术研究中心，湖北 宜昌 44300；. 湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000））



向家坝电站800MW水轮发电机组动平衡试验

徐 波1，徐娅玲2，尹永珍1，徐 铬1
（1. 长江电力股份有限公司技术研究中心，湖北 宜昌 443002；2. 湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000））

[摘要]水轮发电机组的振动、摆度多数情况是由于转子质量不平衡造成的，开展动平衡试验是水轮发电机组启动试验的一项重要内容。向家坝水电站800MW水轮发电机组是目前世界上单机容量最大的巨型机组，本文结合向家坝电站机组动平衡试验详细介绍了试验方法和关键技术，重点在于配重相位的选择和配重质量计算。

[关键词]向家坝；动平衡；配重

0　引言

向家坝电站总装机容量为6400MW，在世界已建和在建的水电站中排第8位，在国内仅次于三峡电站和溪洛渡电站。向家坝左岸电站和右岸地下电站各布置4台单机容量800MW的混流式水轮发电机组，单机容量世界第一。

众所周知，水轮发电机组在制造和安装过程中引起的质量不平衡会造成机组的振动增大，严重影响机组安全运行。对于向家坝电站这样的巨型机组来说，开展动平衡试验是水轮发电机组启动试验的一项重要内容。本文以向家坝左岸电站机组为例介绍水轮发电机组动平衡试验方法和关键技术。机组基本参数见表1。

表　1

1　动平衡试验方法

根据转子的工作状态和力学特性，常把转子分成刚性转子和挠性转子。通常情况下，水轮发电机组工作转速远低于其发电机转子的一阶弯曲临界转速，因此水轮发电机组的动平衡一般视为刚性转子的平衡。

目前，水轮发电机转子动平衡试验方法主要包括：三次试重法、时-频分析法、影响系数法、改进影响系数法。向家坝电站机组动平衡试验采用的是较为常用的时-频方法。该方法通过采用时域和频域分析相结合的方式来确定不平衡力的方向和大小。根据时域波形图确定不平衡力的相位，由频谱图中的转频分量来确定不平衡力的大小，试验原理如图1所示。

机组动平衡试验内容包括变转速试验、变励磁试验。动平衡配重方案需要比较变转速和变励磁试验的数据结果，最终以100%额定励磁电压时的数据为准进行配重。

动平衡试验需要监测上导摆度、下导摆度、水导摆度、上机架径向振动、下机架径向振动。原则上水导摆度只做参考，不能用转子配重进行补偿，但实际配重过程中可以适当兼顾水导摆度。

动平衡试验结合上机架径向振动及上、下导摆度数据来确定转子的配重方位和配重量。振动测量由于低频速度传感器的相频特性，相位上会有畸变；摆度测量由于电涡流传感器探头固定在机架上，测量值为主轴相对机架的相对摆动，并非绝对值。因此，准确的做法是以上、下导摆度数据确定配重方位，以上机架径向振动数据来确定配重质量。确定配重方位时应以安装键相传感器处的摆度传感器信号进行分析，比如键相传感器安装在+Y方向，则以+Y方向摆度传感器信号的转频分量相位角进行配重。如果以+X方向摆度传感器信号来分析，则需将摆度转频成分相位角减去90度角（机组顺时针旋转）。

进行动平衡试验分以下几个步骤：

（1）确定转子是否存在质量不平衡。方法是利用变转速试验对上机架振动信号进行频域分析，确定上机架振动转频成分中动不平衡分量与转速平方的对应关系；

（2）如果转子存在动不平衡，则根据机组带100%励磁电压时上导、下导摆度信号和上机架振动信号分别确定转子试配相位和试配质量；

（3）试配后进行检验试验，分析试配效果，计算下一步配重相位和配重质量；

（4）动平衡试验直到配重效果满足要求为止。

图1　时-频法动平衡试验原理

需要注意的是，由于轴承受热会膨胀，振动、摆度的测量应在轴承瓦温稳定后进行。

2　试验数据分析

2.1动不平衡分析

首先确认变转速过程上机架振动转频成分中动不平衡分量与转速的对应关系。机架转频成分=Ar（固有转频分量）+Br（动不平衡分量），需要从转频成分中分拣出Br项，如果Br数值与转速的平方成正比关系，说明转子存在质量不平衡，需要配重。这里可以采用两种方法分拣Br项：

（1）利用50%Nr、75%Nr和100%Nr三个转速下的转频成分求解：

在变转速过程中，A（固有转频分量）变化不大，可近似认为是定值，因此，解出与转速平方之间的对应关系来判断转子是否存在质量不平衡。

（2）低转速下测量Ar项：做变转速试验时，记录转速＜10%额定转速时的上导摆度、下导摆度、上机架振动值。由于此时转速较低，可忽略动不平衡影响，转频值只反映机组固有转频分量，类似于静态盘车。那么50% nr、75% nr、100% nr时的转频分量与低转速时的转频分量之差即为动不平衡分量。

实际上，在进行数据分析时，常常为了简化考虑，并未分拣Br项，只对转频成分合项进行分析。

2.2试配

（1）试配相位：通过计算得到上导/下导转频成分相位角（与键相片之间的夹角），以此作为转子上部/下部试配相位的主要依据，同时兼顾水导摆度。

（2）试配重量：

关于试配重量的确定有以下经验公式：

式中，P0为试块重量（kg）；k为系数（0.5～2.5），高速机组取小值，低速机组取大值；M为转子质量（kg）；R为配重半径（cm）；n为机组额定转速（r/min）；H为机组配重前的最大振幅值（mm）。

上述式（4）、式（6）与振幅无关，式（5）与振幅有关，可任选其一。

2.3终配

根据试配效果确定终配方案，可采取矢量图解法。

式中，P1为终配质量（kg），包含了试配质量P0；OA为试配前摆度矢量；OB为试配后摆度矢量；BA为试配前后矢量之差。

终配M是为了最终消除OA，试配P只消除了AB。AB转向-OA的转角α在数值上应等于试配相位与终配相位的相角差。以OA转向OB的相同方向将试配相位旋转α角即为终配方位，如图2所示。

图2　终配矢量图解法

根据具体情况，配重可进行多次，直到机组振动、摆度达到要求为止。

3　向家坝机组配重实例

向家坝右岸电站新投产机组在启动试运行期间进行机组动平衡试验，内容包括变转速试验、变励磁试验。试验所用键相传感器安装在+X方向，键相片与63号磁极在同一铅垂面。变转速试验记录了40%nr、60%nr、80%nr、100%nr四个转速下的试验数据，见表1。机组振、摆数据与转速平方的对应关系如图3所示。

表1　变转速试验记录（振、摆单位：μm；相位单位：°）

图3　机组振、摆转频值与转速平方关系

从表1和图3可以看出，随着转速从40%nr上升到100%nr，上导摆度转频增大60μm，下导摆度转频增大80μm，上机架水平振动转频增大40μm，且上升趋势基本都与转速平方成正比关系。由此可以判断转动部件存在质量不平衡。

针对质量不平衡，对转子进行了两次配重，最终在41号磁极筋板处配重4块标准配重块，上下各两块，质量约210kg，配重方位见图4。配重前后机组各部位的振动摆度见表2。

配重后上导摆度转频减小40μm，下导摆度减小70～80μm，上机架水平振动转频减小20μm，配重效果明显。

图4　配重示意图

4　结语

水轮发电机组的振动大多是由于转动质量不平衡引起的，通过动平衡试验可以检验和调整转动部件质量分布，消除不平衡因素，这对于向家坝电站巨型机组的安全稳定运行具有重要意义。

水轮发电机组动平衡试验的关键是配重相位和配重质量的选取。采用时-频方法能快速确定转子不平衡质量点的相位和质量，比传统的三次试重法方便快捷，效果明显。

表2　配重前后数据对比　　　　　　　　　　　　　　　μm

另外，由于不同类型传感器的测量原理和固有特性，配重方位的确定应以摆度信号（电涡流传感器）为准，配重质量的确定应以机架径向振动信号（低频速度传感器）为准。

[参 考 文 献]

[1]何良超. 水轮发电机组动平衡试验方法比较[J].广西电力, 2013, 36(6): 79-81.

[2]敖建平, 薛福文, 刘志辉. 水轮发电机组的动平衡试验方法[J]. 水电站机电技术, 2005, 28(2): 27-30.

[3]阎宗国, 周凌九. 水轮发电机组转子动平衡试验[J]. 水力发电学报, 2012, 31(1): 235-239.

徐波（1977-），2005年7月毕业于华中科技大学能源动力系动力机械及工程专业，获得工学硕士学历，现从事水电站机械设备性能诊断测试工作，高级工程师。

审稿人：吕桂萍

Rotor Dynamic Balance Test for 800MW Hydro-generator Unit in Xiangjiaba Hydropower Station

XU Bo1, XU Yaling2, Yin Yongzhen1, XU Ge1
(1. Technology & Research Center of China Yangtze Power Company, Yichang 443002, China; 2. Hubei Qingjiang Hydroelectric Development Co.,LTD., Yichang 443002, China)

Abstract:Vibrations and runout of hydroelectric unit are often caused by unbalance of rotor weight. Dynamic balance test is an important work at unit starting test stage. At present, the 800MW

hydro-generator unit in Xiangjiaba Hydropower Station is the biggest in unit capacity in the world. This paper introduces the test method and key technology with reference to the rotor dynamic balance test in Xiangjiaba Hydropower Station, puts emphases on choice of phase angle placing balance weight and calculation of quality of balance weight.

Key words:Xiangjiaba; dynamic balance; balance weight

[作者简介]

[收稿日期]2015-08-17

[中图分类号]TK733+.1；TV734.4

[文献标识码]A

[文章编号]1000-3983(2016)01-0035-04