绝对相位法在高转速逆时针旋转的水轮发电机动不平衡问题分析

朱辉辉，张永刚

（云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650051）

0 前言

某水电站首台机组的单机容量为32.5 MW，发电机型号为SF32.5-12/3900，水轮机型式为CJA1581-L-185/(4×15.4)，机组额定转速为500 r/min，机组的安装方式为上导轴承支架固定在基坑基础上的悬式机组。在机组首次启动后的空转工况时推力轴承上机架水平振动为73 μm，已超出规范DL/T507-2014《水轮发电机组启动试验规程》和董毓新教授编写的《水轮发电机组振动》对于推力轴承上机架水平振动允许值不超过50 μm的要求[1]。

新机投产试验往往存在工期紧张的现象，所以现场需要一种能够在短时间内解决机组上机架水平振动偏大的问题。通过现场对此类问题的数次分析摸索出基础绝对相位法，该方法可以一次性有效解决了推力轴承上机架水平振动偏大的问题，为电厂的提前发电能够争取到宝贵的时间。

1 实践总结出基础绝对相位法

为分析判断并消除推力轴承上机架水平振动超标的原因，确保机组的安全运行，主要进行变转速试验，所以首先进行变转速试验。试验分别在机组50%额定转速、100%额定转速下进行机组振动、摆度测试，针对振摆数据规律进行分析并给出解决推力轴承上机架水平振动超标的方法。试验中用5个振动传感器分别测量上机架X向水平/垂直振动、下机架X向水平/垂直振动、顶盖X向水平[2]；同时用3个电涡流位移传感器测量上导X向摆度、下导X/Y向摆度。机组手动开机后在50%额定转速、100%额定转速时的上机架水平振动原始数据见表1。

表1 故障处理前数据对比

从表一50%额定转速和100%额定转速两个工况下的上机架水平振动测试数据可以看出，随着机组转速倍数增加，上机架水平振动值也呈现出倍数增加的现象，并且上机架水平振动值增加的趋势与机组转速的平方有明显的线性关系，即上机架水平振动值由50%额定转速的14 μm增加到100%额定转速的73 μm，两个工况下的上机架水平振动值接近5倍的关系，与机组2倍转速的平方基本吻合，且上机架水平振动幅值主要频率成分为转频如图1，基本符合机组动不平衡的特征，表明机组转动部分存在动不平衡的问题。同时监测发现其它部位的振动、摆度数据均在规程要求范围以内，故其余部位的振摆数据不再一一列举。

图1 上机架水平振动数据FFT频谱波形

在水轮发电机组推力轴承上机架水平振动超标的问题分析中，通过升速试验，并对试验数据进行FFT分析（见图1）很容易确定问题的原因在于旋转部件的动不平衡。而失重角（配重位置）在试验工期紧张的条件下需要固定的方法一次性找准，给现场的技术解决带来了不小的考验，本次现场试验结合个人十余台机组配重过程的总结，发现基础绝对相位法在实践中有良好的应用作用。

2 大地绝对相位法

在这里引入实践中常用的两个概念：第一为振源，即引起一切问题源头的激励；第二为受体，即承受一切激励所引起的受体对象。在现实中，我们经常会遇到激励和受体这样的对接关系，比如我们经常遇到给自己的汽车开展动平衡测试，这个工作与我们的水轮机组配重有这同工异曲之处。行驶在路上的汽车便为振源（激励），汽车上的乘客可以等同认为是受体，因为车体的振动都是由驾车人员承受，在解决驾车人员的切身舒服感问题上，往往需要给汽车开展动平衡测试方能解决本质问题，而为汽车解决动平衡问题根源的设备是固定在我们熟悉的牢固的基础之上。同样的道理，在高转速旋转的水轮发电机组的部件中，转子就是我认为的振源（激励），而推力轴承上（下）机架是我所认为的受体，大地就是我们熟悉的牢固的基础。

通过对振源和受体的大众化比拟，可以明确引导出机组推力轴承上机架水平振动数值超标的本质原因是转子的质量不平衡现象引起的。可以认为只要解决转子（激励）的质量不平衡问题，就可以顺利解决推力轴承上机架（受体）[3]水平振动问题。因为固定部件推力轴承上机架（受体）安装在大地基础上，而推力轴承上机架又对转子（激励）起到良好的约束效果。我们终究把问题简单化，把固定部件推力轴承上机架（受体）和转子（激励）作为一个参考整体，并同时以大地基础为参考系，大地基础和整个机组为一对合理的参照体系。

现场解决动不平衡问题以参考大地基础为参考系，是解决该问题最重要的一步。

大地绝对相位法的具体实施方法分三步走：第一步，以大地为绝对固定参考，测量相对固定的推力轴承上机架水平振动幅值，取得上机架水平振动的正玄波形，见图2的黑色正弦波形；第二步，在旋转部件上做出突出标记物体，并用电涡流传感器取得该标记物体在机组旋转过程中形成的键相信号波形，见图2的红色曲线；第三步，读取图2的黑色正弦波形和图2的红色曲线峰峰值之间的时间差Δt除以机组旋转固定周期T,利用失重角度计算公式Δt/T*360°，通过前两步的大地绝对相位法，可准确算出失重角位置。

图2 上机架水平振动与键相信号时域图

3 大地绝对相位法的应用

水力机组现场动平衡一般根据上机架和下机架的振动情况[4-5]选择在发电机转子上下端面进行配重，加重位置在此由大地相位法确定。此次现场动平衡是根据上机架水平振动相对大地的失重角进行配重，加重位置也是由上机架水平振动幅值相位法确定。

试加重块的计算公式为：

计算公式：

其中：P－试加重量（kg）

G－转子重量（kg）

n－机组转速（rpm）

r－试加重半径（m）

由公式计算可知：

根据表一数据和大地基础相位法分析并结合现场实际情况，在转子上端面沿键相位置顺时针旋转约63°位置加重13.2 kg。加配重后再次手动开机至空转，机组机组上机架水平振动情况如表2所示。

表2 配重后上机架水平振动数据

某水电厂1号机组经过大地相位法在转子上端面沿键相位置顺时针旋转约63°位置加重13.2 kg后，上机架水平振动由73 μm下降至22 μm；同时观测上机架水平振动失重角已发生110°的变化，通过配重已使得旋转部件的失重角度发生变化，即再次配重可能会引起反方向效果，所以本次配重到此结束。最终通过大地基础相位法有效解决了上机架水平振动超标的问题，如图3。

图3 基础绝对相位法解决问题前后对比

4 结束语

通过测试数据准确分析确认上机架水平振动偏大的原因，针对性的提出大地相位法来寻找失重角的方法进行配重试验，一次性有效解决了推力轴承上机架水平振动偏大的问题，也为电厂的发电争取了宝贵的时间，为以后处理水轮发电机组推力轴承上（下）机架水平偏大的问题提供了一个很好的参考意义。