水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡分析與處理

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡分析與處理趙邦銀新疆額河水電有限公司【摘要】大中型水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是在安裝現(xiàn)場疊裝,一般是按照相同重量對稱懸掛磁極，現(xiàn)場通常又不具備做動平衡試驗(yàn)的條件，機(jī)組安裝完畢投產(chǎn)后難免有動不平衡的情況。本文介紹了水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡的現(xiàn)象及分析，并介紹了配重處理的過程，值得借鑒。【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡水平振動垂直振動一、機(jī)組概況本公司“喀站”裝機(jī)四臺，機(jī)組總?cè)萘?*40MW，機(jī)組型號“SF40000-20/5500”，立軸懸垂型，額定轉(zhuǎn)速“300r/min”，額定水頭“86.3m”，額定流量“54.98m3/s”,轉(zhuǎn)動慣量GD2“≥1776t.m2”,軸承冷卻方式為“油浸式自循環(huán)水冷卻”。1-4號機(jī)組分別于2010年7月至9月相繼投產(chǎn)，但4號機(jī)組投產(chǎn)后運(yùn)行異常，與其它機(jī)組相比，有很大的低頻轟鳴聲，上機(jī)架水平振動偏大。二、異?，F(xiàn)象及危害1.機(jī)組異常的轟鳴聲4號機(jī)組運(yùn)行聲音異常，如飛機(jī)飛行的轟鳴聲伴隨有嗡嗡的震顫，在水機(jī)室半封閉環(huán)境下，這種高能量的低頻轟鳴聲讓人耳膜無法承受,高達(dá)120-130分貝，而正常機(jī)組在同樣運(yùn)行工況同一位置為80-90分貝。2.機(jī)組上導(dǎo)支架水平振動值偏大4號機(jī)組除了聲音異常大外，機(jī)組上導(dǎo)水平振動偏大，人站在上機(jī)架上明顯感到晃動，水平振動實(shí)測值如下：從上表中可以看出，機(jī)組上導(dǎo)除了水平振動偏大外，垂直振動、大軸擺度基本是滿足要求的，水導(dǎo)的軸承支架水平、垂直振動、大軸擺度均滿足要求?！端啓C(jī)發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》（GB/T8564-2003）對水輪發(fā)電機(jī)組帶導(dǎo)軸承支架的水平振動允許值如下表紅色數(shù)值：額定轉(zhuǎn)速在250至375r/min之間的機(jī)組允許值為0.07mm，而實(shí)測值在機(jī)組空載狀態(tài)（發(fā)電機(jī)全壓不帶負(fù)荷）為0.16mm，是最大允許值的兩倍還多。3.機(jī)組下導(dǎo)油盆蓋迷宮環(huán)對大軸瓦裙有明顯的“啃食”，檢查圖片如下：4.機(jī)組上導(dǎo)支架水平振動值偏大的危害（1）容易使機(jī)組上機(jī)架連接部件松動，使轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞。（2）引起零部件或焊縫疲勞，形成并擴(kuò)大裂縫甚至斷裂。由于轉(zhuǎn)子與定子氣隙不勻，轉(zhuǎn)子運(yùn)行受力不均，可能引起大軸彎曲變形，而軸變形越大,振動也越嚴(yán)重。三、原因分析與檢查分析機(jī)組上機(jī)架水平振動偏大，主要從水力、機(jī)械、電氣三個方面的因素進(jìn)行,分別對轉(zhuǎn)子的疊加工藝、磁極重量、圓度，發(fā)電機(jī)氣隙，導(dǎo)瓦間隙，導(dǎo)軸承擺度，導(dǎo)軸承機(jī)架的水平、垂直振動等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，初步確定4號水輪發(fā)電機(jī)組振動過大是由于發(fā)電機(jī)組偏心、推力瓦不平、鏡板傾斜以及轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的機(jī)械方面振動。針對上述可能原因進(jìn)行了如下檢查內(nèi)容。1.發(fā)電機(jī)組中心檢查吊出發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)輪，對發(fā)電機(jī)的上、下機(jī)架，水輪機(jī)的座環(huán)進(jìn)行中心檢查。2.對上導(dǎo)瓦、瓦背、推力瓦、抗重螺栓、推理頭、鏡板進(jìn)行全面檢查。3.對下導(dǎo)瓦、瓦背、軸領(lǐng)進(jìn)行全面檢查。4.對水導(dǎo)瓦、瓦背、抗重螺栓、水導(dǎo)軸領(lǐng)等進(jìn)行全面檢查。5.測量并調(diào)整鏡板水平。6.轉(zhuǎn)子推中，發(fā)電機(jī)空氣間隙、轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)同心度及中心調(diào)整。7.打推力瓦受力及機(jī)組軸線定位。8.機(jī)組回裝并調(diào)整上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)瓦間隙。經(jīng)過上述檢查、調(diào)整后，前、后數(shù)據(jù)對比如下：1.轉(zhuǎn)子氣隙調(diào)整前后數(shù)據(jù)2.鏡板調(diào)整前后數(shù)據(jù)3.上導(dǎo)中心調(diào)整前后數(shù)據(jù)4.下導(dǎo)中心調(diào)整前后的數(shù)據(jù)5.轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙6.主軸密封間隙（設(shè)計單邊間隙0.35-0.50mm)7.上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)瓦間隙調(diào)整。上到瓦設(shè)計間隙0.15mm-0.20mm，下導(dǎo)瓦設(shè)計間隙0.15mm-0.20mm，水導(dǎo)瓦設(shè)計間隙0.15mm-0.20mm。通過對4號機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)檢查，中心、水平、氣隙調(diào)整，回裝后運(yùn)行的實(shí)測數(shù)據(jù)如下：從調(diào)整前后的數(shù)據(jù)分析，上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)的瓦溫是符合規(guī)范要求，說明瓦間隙，推力瓦水平、受力都滿足要求；機(jī)組上導(dǎo)和水導(dǎo)的擺度都較小，證明機(jī)組的軸線也是符合要求的；機(jī)組空載的振動從調(diào)整前0.16mm減到調(diào)整后的0.08mm，帶滿負(fù)荷后振動減到0.07mm，有了明顯的效果，但未達(dá)到規(guī)范規(guī)定的0.07mm的允許值范圍內(nèi)，隨著運(yùn)行時間增加，導(dǎo)瓦間隙的變化，水平振動還會逐漸變大。機(jī)組經(jīng)過上述的檢查調(diào)整后，雖然有了明顯的改善，但還存在其它的因素—轉(zhuǎn)子動不平衡的問題，有幾個明顯的特征也待解釋，如：水平振動的頻率和機(jī)組轉(zhuǎn)速頻率一致，振幅值隨轉(zhuǎn)速增加而增大；重負(fù)荷時振幅值減??；下導(dǎo)瓦裙一邊“啃食”。其次，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是在現(xiàn)場疊裝的，雖然在安裝過程中為使轉(zhuǎn)子均質(zhì)分布而采取了對磁極稱重均衡疊裝的措施，但沒有做動平衡試驗(yàn)，轉(zhuǎn)子不平衡的理由是存在的。四、處理過程由于現(xiàn)場不具備轉(zhuǎn)子動平衡試驗(yàn)條件，采用了目前國內(nèi)常用的“三次試加重法”，雖然效率沒有先進(jìn)的儀器那么快，但在本次處理過程中達(dá)到了非常好的效果。本次處理過程配重共進(jìn)行了八次，將4號水輪發(fā)電機(jī)組空載時上導(dǎo)水平振動0.08mm減少到0.02mm，水導(dǎo)振動也減到0.01mm，使整個機(jī)組達(dá)到了非常平穩(wěn)的狀態(tài)。將天車大鉤落下，作為監(jiān)測發(fā)電機(jī)上機(jī)架水平振動用百分表磁放基礎(chǔ)，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，如下圖：“三次試加重法”具體操作順序就是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的同一半徑互成120o的三點(diǎn)逐次加試重塊，分別啟動機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速，并測記軸承所在機(jī)架各次的振幅u1、u2、u3，連同未加試重時所測得的振幅值u0共有四個，根據(jù)這四個振幅值計算求出轉(zhuǎn)子原來存在的不平衡質(zhì)量的大小和方位。轉(zhuǎn)子質(zhì)量150000kg，機(jī)組配重前空載最大振幅0.08mm，配重半徑是240cm，額定轉(zhuǎn)速300r/min。轉(zhuǎn)子配重試塊計算公式（與振幅有關(guān)的公式）m0=450u0G/RnH2（公式中：m0為試塊重量，也就是需要配重重量,kg；u0為機(jī)組配重前的最大振幅,1/100mm；G為轉(zhuǎn)子質(zhì)量Kg；R為配重半徑,cm；nH為額定轉(zhuǎn)速,r/min。根據(jù)公式計算出機(jī)組試加配重塊的質(zhì)量為：m0=450×（u0G/RnH2）=450×[（0.08×100×150000）/（240×3002）]=25kg為了避免機(jī)組因配重產(chǎn)生劇烈振動，在試加重時選擇試重塊為17kg（即m0為17kg），三次試加重后啟動機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速分別測量上導(dǎo)振動值。第一次試配重后，啟動機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速測量機(jī)組上機(jī)架水平振動值u1=0.15mm，第二次u2=0.06mm，第三次u3=0.03mm。未加試重塊時u0=0.08mm，試加重產(chǎn)生的振動值up：up=0.578√（u12+u22+u32-3u02）=0.578√（0.152+0.062+0.032-3×0.082）≈0.051mm根據(jù)三次試加重測試數(shù)據(jù)計算實(shí)際需配重的質(zhì)量為：m=(u0/up)×m0=(0.08/0.051)×17≈27kg應(yīng)加配重塊的固定角：α=60o-arccos[（u12-u02-up2）/2u0up]=60o-arccos[（0.152-0.082-0.0512）/2×0.08×0.051]=60o-arccos1.654式中：α—配重塊固定角，它是從最小振動值u3向中間振動值u2偏移的夾角。此題無解，是因?yàn)闄C(jī)組振動不單是由轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的，還有其它的因素—如電磁力和水力等的影響，這就使得計算受到了干擾，產(chǎn)生了計算誤差，這也說明本次配重試驗(yàn)不能一次配重成功?？紤]到配重方位在C點(diǎn)偏B點(diǎn)方向左右，圍繞C點(diǎn)左右每次移動20o分別加試重塊并啟動機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速，測量上機(jī)架振動值u4、u5、u6、u7如下。第四次配重后，啟動機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速測量機(jī)組上機(jī)架水平振動值u4=0.05mm,第五次u5=0.03mm，第六次u6=0.03mm，第七次u7=0.04mm。根據(jù)所測得的振動值u4=0.05mm、u5=0.03、u6=0.03、u7=0.04可知試重塊在E點(diǎn)、F點(diǎn)時機(jī)組振動值最小，經(jīng)計算4號機(jī)組的不平衡質(zhì)量是27kg，最后決定在E點(diǎn)、F點(diǎn)分別加17kg、10kg配重鋼板固定并焊接。第八次配重