水轮发电机组动平衡分析与案例处理

李林峰，黄学然，田小波

（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州省贵阳市 550002；2.华电电力科学研究院有限公司，四川省成都市 610041；3.红枫水力发电厂，贵州省清镇市 551400）

0 引言

水轮发电机组结构复杂，诱发振动的原因很多，综合各种因素我们将主要原因归纳为三个方面：机械不平衡（发电机转子质量不平衡、机组轴线曲折、导轴承不对中、轴瓦间隙过大、推力轴瓦不平、推力头卡环配合松动）；电磁不平衡（空气间隙不均匀、转子磁极松动、匝间短路、定子铁心叠片松动、定子绕组固定结构松动、三相负荷不对称）和水力不平衡（尾水管涡带、水力不平衡、空蚀、卡门涡）[1]。通过试验测得水轮发电机关键部位的振动幅值和振动频率特点，分析出引起机组振动超标的主要原因，再针对性的进行处理。一般而言，由于机组在制造、安装等机械方面的原因，在运行过程中都不可避免地存在着不同程度的振动，这是不可能完全避免和消除的现象。但是只要将机组各部位的振动限制在允许的范围之内，它对机组本身及其运行并不会造成危害，也就是说可以保证机组稳定运行。然而，当机组的振动超过允许的范围，或振动的频率同机组的某固有频率相同而产生共振时，就会严重地影响到机组的安全运行。在新投产的机组或大修后的机组，根据经验引起机组振动超标的主要原因就是转子质量失衡，而机组的配重是现场处理水轮发电机组动不平衡的一种有效方法。

1 振动过大危害及振动主要特征

发电机转子质量不平衡会引起机组某些振动指标过大甚至超标，尤其是上导轴承、下导轴承及上机架振动过大时，容易使机组上机架连接部件松动，使转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏，同时会引起机组零部件变形、松脱、疲劳断裂等[2]，对机组安全稳定运行造成重大隐患，为了提高机组运行的安全稳定性，须进行动平衡试验，以降低旋转部件质量失衡带来的危害。

发电机转子不平衡引起机组振动的特征主要表现为以下几点：①机组大轴摆度和机架水平振动在机组空转时大于正常值；②振动摆度一倍频幅值随转速增大而增大，且与转速的平方成直线关系；③振动和摆度的主要频率为一倍频[3]。通过机组的稳定性试验，测出机组在各个工况下的振动摆度数据，分析数据进而判定是否需要做动平衡试验以减小机组振动，使其运行在一个相对稳定的状态。

2 动平衡试验

2.1 首次启动试验

对于新投产的机组或大修后首次启动的机组，第一次启动机组时应手动缓缓开启导叶，让机组慢速转动一圈，目的是检查机组的转动部分与固定部分是否存在碰撞或不正常的摩擦。

2.2 变转速试验

机组在25%ne、50%ne、75%ne、100%ne工况下，测定机组各部位的振动、摆度通频值、转频值以及对应相位角度。目的是测量机组机械不平衡的影响情况。

2.3 变励磁试验

机组在额定转速并带25%Ue、50%Ue、75%Ue、100%Ue工况下，测定机组各部位的振动、摆度通频值、转频值以及对应相位角度。目的是测量机组电磁不平衡的影响情况。

2.4 动平衡试验

在不同转速和不同励磁工况下，根据机组各部位的振动和摆度情况、以及受力的大小和方位，确定最终配重相位，对机组进行配重处理，直到各项指标都达到规程及设计的要求。

通过试验设备测出机组在不同工况下的三导轴承摆度的最大幅值，及其对应的相位角，此相位角就是超重角（θ），配重角即在超重角的对面（θ±180°），以键相片为起点逆时针旋转（θ±180°）即为机组的超重角，找到了旋转机械的超重角，再通过综合平衡法最终确定配重角度。

配重角的确定，是动平衡试验最重要的环节，在进行了变转速和变励磁试验后，对所测得数据进行分析。若上导轴承、下导轴承和水导轴承为主的转频相位角度一致或数值接近，就可以在对应的相位，找到配重角进行配重即可。然而在大多数情况下，三导轴承及机架振动的转频相位角度是不一致的，这时就应对各部位所测得的相位进行比较，综合考虑各部位振动的影响系数，一般而言配重角选择的原则为：以摆度超标部位的相位为主，同时兼顾其他部位的振动摆度相位，比较确定配重角度，这个配重角度并不需要与某一个部位的相位值相等，即它可以等于某一部位的相位值，也可以不等于某一部位的相位值[4]。

当动平衡试验配重角度确定之后，要选择试验应加的配重块质量，在确定配重质量之前，要进行试验配重，比较、估算配重质量。试配质量的选择要适中，其质量太大，产生的离心力过大，会造成机组振动过于激烈；质量太小了，机组振动的幅值变化不大，影响了试验的精度。配重的目的除了将机组的振动、摆度值降低到机组可承受范围或标准范围内以外，还需看配重后三导轴承的转频相位角度是否有较大变化，如果相位角度出现较大变化就不应继续配重[5]。

试重块一般可根据额定转速下机组转动部件所产生离心力的允许值来确定，由试重块所产生的离心力，约为其附近轴承上的负载，而该负载约为转子质量的（0.5～2.5）%，以此来确定试重块的质量。即：

式中：F——试加荷重产生的离心力，N；

P——试重块的质量，kg；

g——重力加速度9.8m/s2；

R——试加荷重固定半径，m；

ω——角速度，1/s；

G——转子质量，kg。

由式（1）可得到试配质量的经验公式：

式中：Ne——机组额定转速，r/min。

对于低转速机组，式（2）中的系数可取小值；对于高转速机组，可取大值。

试配完成之后，再次启动机组，分析在空转、空载工况下，机组振动、摆度的变化情况，若导轴承的相位角度未发生较大变化且转频幅值有所下降，则说明试配角度没问题，可以在此基础上继续增加质量进行配重。再次配重要留有一定的余量，因配重会对机组的轴线产生影响，而轴线的变化会对磁拉力产生影响，一次加得太多、太满会在轴线发生变化之后产生新的电磁不平衡[6]。

3 实例分析

3.1 机组基本参数

某水电站原装设3台25MW立轴混流式水轮发电机组，总装机容量75MW，年平均发电量3.16亿kW·h。后经电站研究论证对机组进行增容改造，改造后共装设3台单机容量为29MW的立轴混流水轮发电机组，总装机容量为87MW，增容改造后的水轮机及发电机由杭州力源发电设备有限公司设计制造，调速器由武汉三联水电控制设备有限公司设计制造。本次动平衡试验机组为3号机组，其基本参数详见表1。

表1 试验机组基本参数Table 1 Basic parameters of test plant unit

3.2 试验测点布置

（1）摆度测点。在机组上导、下导、水导轴承座上分别沿+X、+Y方向安装电涡流位移传感器，用以监测各导轴承摆度情况。

（2）振动测点。在上机架、下机架、顶盖水平+X、+Y方向和垂直方向各安装一个低频位移传感器，共9个测点，用以监测各部位振动情况。

（3）键相信号。在水导轴承+X方向处，安装一个电涡流位移传感器，并在大轴的相应位置黏贴一片1mm厚的键相片，键相信号位置与水导轴承+X方向传感器同在一条铅垂线上，用以测量机组转速并进行相位分析。

3.3 动平衡试验

该机组大修后进行了第一次手动开机，操作人员缓慢打开导叶，让机组慢速转动超过一圈后，迅速关闭导叶至零开度。经检查机组所有的转动部件与固定部件无碰撞声、无不正常的摩擦声，机组各部位转动正常。

随后，进行了变转速试验，随着转速的升高，各导轴承摆度值以及各部位振动值逐渐增大，其中上导、下导轴承摆度值变化较大。在100%ne工况时，除上导摆轴承摆度值超出设计规定值外，其余各导轴承处的摆度值都在设计规定值内；机组各部位的振动值均满足规程规定值，机组在空转工况运行基本稳定。变转速试验中部分测点随转速平方变化趋势见图1。

图1 部分测点振摆幅值随转速平方变化趋势Figure 1 Variation Trend of swing amplitude of some measuring points with speed square

机组在空转工况下，逐步进行了励磁升压试验，在整个励磁试验中，随着励磁电压的增加，机组上导、下导轴承摆度值以及上机架水平振动值变化很大，且严重超出设计规定和规程规范要求。在100%Ue工况时，机组上导、下导轴承摆度值和上机架水平振动值严重超出了设计规定和规程规范要求，根据试验数据分析得出，机组存在严重的磁拉力不平衡现象，所以决定在100%Ue励磁工况下对机组进行配重处理。

从表2可以看出，三导轴承摆度+X和+Y方向的相位差在90°左右，表明传感器安装位置较好。从试验数据分析，在空转工况下，上导轴承摆度幅值超出标准规定，从图1中变转速试验看出，上导摆度和上机架振动都与转速的平方呈线性关系，说明发电机转子存在质量不平衡。在励磁升压过程中，上导轴承、下导轴承摆度幅值不断增大，且严重超出了规程规定的范围，说明磁拉力严重不平衡，导致机组振摆超标。

表2 机组配重前100%额定转速和100%额定励磁电压试验数据Table 2 Before counterweight of plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

在空转工况，上导、下导的转频相位分别为244°和280°，而空载工况下，上导、下导的转频相位分别为74°和70°，角度差别较大，由于机组最终是在有压状态下运行，且空载工况下上、下导幅值变化较大，因此配重相位应以100%励磁电压相位分析数据为准，但同时会对空转工况下机组稳定运行带来不利影响。

经过现场讨论和再三权衡，认定配重的目的为改善空载工况下上导、下导的摆度幅值，其相位分别为74°和70°，即机组超重角度。其对应的配重位置应为其对面，大约是254°和250°，最终根据计算与现场实际情况，决定在转子上端面和下端面250°位置分别加20kg和15kg配重块，对机组进行配重处理。配重后试验数据见表3。

表3 机组第一次配重后100%额定转速和100%额定励磁电压试验数据Table 3 After the first counterweight of the plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

由表3数据可知，在100%励磁工况下，上导+X向摆度幅值由原来的488μm下降到330μm，下导+X向摆度幅值由原来的642μm下降到338μm，上机架水平+X向振动幅值由原来的113μm下降到57μm，且相位角度变化不大，说明配重效果明显。在此基础上，在相同的位置，对发电机转子上端面和下端面分别增加20kg和8kg配重块。第二次配重后数据见表4。

表4 机组第二次配重后100%额定转速和100%额定励磁电压试验数据Table 4 After the second counterweight of the plant unit test data of 100% rated speed and 100% rated excitation voltage

由表4数据可知，第二次配重后，在空载100%励磁工况下，上导摆度幅值由原来的330μm下降为210μm，下导摆度幅值由原来的338μm下降为150μm，下导摆度幅值下降到设计规定值内，上机架水平振动幅值也降低到标准范围内。但同时空转额定转速工况下，上导、下导摆度幅值变化较大，且呈现上升趋势，这与之前判断的效果相同。综合考虑后，在不影响机组空转运行的情况下，以保证励磁工况稳定运行为主要参考依据，经过两次配重试验后，机组在空载工况下各部位的振动摆度幅值基本满足了规程规定要求。机组在带当前水头下最大负荷工况，各部位导轴承摆度值和机架振动值均在标准和设计规定范围内，至此，该机组转子动平衡试验结束。

4 结语

动平衡试验开始前要特别注意传感器的选择与安装，传感器的使用一定要满足测量精度要求，且在校验合格期内，传感器的布置安装，同一截面的传感器尽量互成90°，同一位置的传感器应尽可能保证在一条铅垂线上，若由于现场条件因素导致安装不准确，一定要注意对数据进行修正。在数据采集时，应尽量保证在工况稳定时进行。在进行相位分析时，一定要分清楚主次，综合考虑，多方兼顾。在选择配重块质量时，要按照经验公式来进行试配，配重块的质量不宜过大，以免造成角度发生突变。动平衡试验对水轮发电机组的长期安全稳定运行具有非常重要的作用。