转子配重一次加准法处理机组振摆偏大问题探讨

2016-03-29熊威万元谭振国黄波

湖南电力 2016年4期

关键词：摆度支臂水轮

熊威，万元，谭振国，黄波

(1.五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南常德415000；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

转子配重一次加准法处理机组振摆偏大问题探讨

Discussion on solving vibration problem by rotor counterweight

熊威1，万元1，谭振国1，黄波2

(1.五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南常德415000；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

水轮发电机组转子质量不平衡造成机组振动的解决方法通常采用单转子平衡法与影响系统法，本文重点介绍了如何使用转子配重一次加准法解决五强溪电厂5号机组转子动不平衡引起的上导、上机架振摆偏大的问题。

转子；动平衡试验；配重；滞后角；摆度；振动

水轮发电机组由于在制造、安装等方面存在误差，在运行中会产生不平衡力偶，导致机组振动摆度增大，对机组安全稳定运行产生不良影响。水轮发电机组的振动很多是由于转子质量不平衡造成的，长期以来，多是采用单转子平衡法与影响系统法来处理轴系不平衡的问题，这些方法过程较为复杂，处理过程需启停机次数较多，已不适应目前对机组的要求〔1〕。随着电网稳定安全运行要求的不断提高，如何在现场采取转子配重一次加准法解决转子振摆偏大的问题，已日益引起工程技术人员的关注。五强溪电厂针对5号机组摆度数据偏大并超标这一情况，专门成立了技术攻关小组，在研究水电机组振摆影响因素基础上，利用机组稳定性在线监测系统，自主设计并实施了5号机组变负荷、变励磁、变负荷等试验，并采用关联趋势分析、频谱分析、轴心轨迹分析、瀑布图分析等多种方法，对试验结果数据进行了分析最终得出了转子动不平衡是导致5号机组摆度数据偏大主要原因这一结论，从而为机组实施正确的运行、维护、检修手段提供重要的依据。最终决定对转子进行配重处理。

1 工程概况

为确保5号机组的稳定运行，消除存在的转子动不平衡影响，优化机组的运行状态，于2015年5号机组A级检修中，采用转子配重一次加准法，成功的解决了5号机组上导摆度、上机架振动偏大的问题。

1.1 水轮发电机基本参数 (见表1)

表1 水轮发电组基本参数

1.2 测点布置

根据相关技术标准和规程规范要求，在5号机组上布置振动、电涡流 (大轴摆度、转速及相位)传感器，用在线振动摆度测试分析仪记录试验工况下各测点数据，分析机组的稳定性运行状态，判断存在的转子动不平衡的方位角，通过配重消除动不平衡对机组稳定运行的影响。测点布置见表2。

表2 测点布置

2 转子配重一次加准法

2.1 转子一次加准法步骤

首先测出机组机架振动值和大轴摆度值，根据实测振动和摆度信号确认转子原有不平衡质量点的相位，然后在对称位置加配重块，使配重产生的离心力抵消原有不平衡力，从而减小振动、摆度。

2.2 不平衡质量相位的确定

动平衡试验的关键是不平衡质量相位的确定，通过确定机器转子上高点的位置，就可能确定机器的平衡状态和机器转子上残留的非平衡质量的位置。机器转子平衡状态的改变也将引起高点的变化，这种变化可以通过相位变化显示出来。文中采用的是直接通过机架水平振动信号和键相点信号进行相位判断。根据振动信号时域波形图的高点超前或滞后键相点的相位，来确定不平衡质量的相位。由于振动系统内阻尼的存在，时域波形的高点并不代表转子上不平衡质量所处的实际位置，位移总是滞后于不平衡力一个角度，该角度称为滞后角，知道滞后角后便可准确计算出不平衡质量相位。准确测量相位角，根据速度传感器与键相块实际装设的情况求出实际相位角，依据振型和转速合理的选择滞后角是成功实施转子配重一次加准法的关键。

2.3 配重角度的计算

根据不平衡质量相位推算配重角度θ(以键相块所在位置为零位)

式中 β为时域波形图的高点超前或滞后键相点的相位；a为机械滞后角；b为仪器滞后角，由于该滞后角较小，可以忽略；c为速度传感器与键相块的夹角，可按实际装设的方位计算。

由于β可以实际计算出，机械滞后角a的计算成为计算配重角度的关键〔2〕。

在单自由度有阻尼强迫振动中，滞后角可写为:

式中 ω为强迫振动中扰动力的角频率；ω1为振动系统的固有频率；称为阻尼系数；c为阻力系数，m为质量。

根据上式可画出如图1所示的相频特性。

图1 单自由度系统相频特性

在多自由系统中，一阶临界转速之前，滞后角可取30°～50°，水轮发电机组转子为连续多弹性体，是多度自由系统，可按动平衡时的转速进行选择。根据GB/T7894—2001《水轮发电机基本技术条件》4.3.11:水轮发电机与水轮机组装完毕后，机组转动部分的第一阶临界转速应不小于最大飞逸转速的120%。动平衡试验一般是在水轮发电机组额定转速下进行，远小于第一阶临界转速，滞后角可选取30°～50°。

2.4 配重块重量的确定

在进行配重时，配重块重量的选择非常关键，配重块过重易过量，配重块过轻又达不到预期效果。一般常用的配重块质量的计算公式〔3〕:

式中 m为配重块重量 (kg)；G为转子装配重量(kg)；n为机组额定转速 (r/min)；R为配重半径(m)。

3 配重过程

3.1 确定上机架振动时域波形图的高点超前或滞

后键相点的相位

通过图2上机架振动分析上机架X向水平振动的测点与键相块的时域波形图，可以看出上机架水平测点的信号高点超前键相块约90°。

图2 上机架X向水平振动的测点与键相块的时域波形图

3.2 配重角度的计算

配重角度

式中超前相位β=90°；机械滞后角a选取40°；设备滞后角b忽略不计为0。

由于键相块、速度传感器均也安装在+X方向，所以c=0。

于是得出配重角θ=90-40-0-0-180=-130°。

3.3 配重位置的确定

配重块一般焊接在转子支臂上，五强溪电厂转子共有22根支臂，以+X方向上的转子支臂为1号支臂，对22个转子支臂进行逐一编号，如图3。

图3 转子支臂编号示意图

由上计算可得出，配重块与+X方向的夹角为-130°，即以+X方向为起点，逆时针旋转130°。转子相连支臂间夹角为用总夹角除以相连支臂夹角即为转子支臂间隔数:8，通过上述计算，最终选择在转子#9支臂上加配重块。

3.4 配重块的重量确定

配重块重量

五强溪电厂5号机组转子重量为950 000 kg，配重块安装半径为7 m，额定转速68.18 r/min。

4 配重结果分析

4.1 数据分析

五强溪电厂最终选择在转子9号支臂上焊接了4块配重块，配重块总重为97.6 kg，配重前后机组空载、空转时，上导 X向、Y向摆度，上机架X，Y向水平振动对比数据见表3。

表3 配重前后振动数据对比 (非汛期) μm

由表3可知配重后，空转状态下:上导X向摆度通频幅值减小6 μm；上导Y向摆度通频幅值减小52 μm；上机架X向水平振动通频幅值减小29 μm；上机架Y向水平振动通频幅值减小34 μm。空载状态下:上导X向摆度通频幅值减小2 μm；上导Y向摆度通频幅值减小67 μm；上机架X向水平振动通频幅值减小28 μm；上机架Y向水平振动通频幅值减小26 μm。

4.2 频谱分析

五强溪电厂额定转速为68.18 r/min，转频为1.137 Hz。从表4数据分析可知 (如图4所示):

配重前后上导摆度、上机架振动主频幅值分量对应的频率均接近于机组转频。经过配重后，上导摆度转频幅值降低23 μm，降低23%；上机架转频幅值下降7 μm，降低47%。转频分量大幅降低，说明由转动部件质量不平衡引起的振摆有所削弱。

表4 配重前后上导摆度、上机架振动主频幅值对比

图4 配重前后上导摆度、上机架振动频谱图对比分析

为了进一步验证配重的效果，我们选取两组配重前后机组在主汛期相同工况的数据进行分析，见表5。

由表5可知，在主汛期，5号机转子经过配重处理后，相同工况下，上导摆度、上机架振动通频幅值与转频幅值均大幅降低，说明转子配重处理效果良好，达到了预期目标。

5 结语

在转子配重试验中如何简化配重工艺，又能够快速地、准确地找到配重方位，已日益成为工程技术人员说重点研究关注的方向。转子配重一次加准法缩短了动平衡试验的时间，提高了配重的准确性，为机组安全稳定运行及创造经济效益提供了条件。五强溪电厂利用转子配重一次加准法，成功解决了5号机组上导摆度、上机架振动偏大的问题，经过转子配重后，机组上导摆度、上机架振动均得到大幅降低，机组各项振摆数据均在标准范围之内，达到了转子配重的预期效果。