徐 波，徐婭玲，尹永珍，徐 鉻（. 長(zhǎng)江電力股份有限公司技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 44300；. 湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000））

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向家壩電站800MW水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)

徐 波1，徐婭玲2，尹永珍1，徐 鉻1
（1. 長(zhǎng)江電力股份有限公司技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002；2. 湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000））

[摘要]水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)、擺度多數(shù)情況是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡造成的，開展動(dòng)平衡試驗(yàn)是水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。向家壩水電站800MW水輪發(fā)電機(jī)組是目前世界上單機(jī)容量最大的巨型機(jī)組，本文結(jié)合向家壩電站機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)詳細(xì)介紹了試驗(yàn)方法和關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)在于配重相位的選擇和配重質(zhì)量計(jì)算。

[關(guān)鍵詞]向家壩；動(dòng)平衡；配重

0　引言

向家壩電站總裝機(jī)容量為6400MW，在世界已建和在建的水電站中排第8位，在國(guó)內(nèi)僅次于三峽電站和溪洛渡電站。向家壩左岸電站和右岸地下電站各布置4臺(tái)單機(jī)容量800MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量世界第一。

眾所周知，水輪發(fā)電機(jī)組在制造和安裝過(guò)程中引起的質(zhì)量不平衡會(huì)造成機(jī)組的振動(dòng)增大，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。對(duì)于向家壩電站這樣的巨型機(jī)組來(lái)說(shuō)，開展動(dòng)平衡試驗(yàn)是水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文以向家壩左岸電站機(jī)組為例介紹水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)方法和關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)組基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表　1

1　動(dòng)平衡試驗(yàn)方法

根據(jù)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)和力學(xué)特性，常把轉(zhuǎn)子分成剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子。通常情況下，水輪發(fā)電機(jī)組工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速，因此水輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)平衡一般視為剛性轉(zhuǎn)子的平衡。

目前，水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)方法主要包括：三次試重法、時(shí)-頻分析法、影響系數(shù)法、改進(jìn)影響系數(shù)法。向家壩電站機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)采用的是較為常用的時(shí)-頻方法。該方法通過(guò)采用時(shí)域和頻域分析相結(jié)合的方式來(lái)確定不平衡力的方向和大小。根據(jù)時(shí)域波形圖確定不平衡力的相位，由頻譜圖中的轉(zhuǎn)頻分量來(lái)確定不平衡力的大小，試驗(yàn)原理如圖1所示。

機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)內(nèi)容包括變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)。動(dòng)平衡配重方案需要比較變轉(zhuǎn)速和變勵(lì)磁試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，最終以100%額定勵(lì)磁電壓時(shí)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)進(jìn)行配重。

動(dòng)平衡試驗(yàn)需要監(jiān)測(cè)上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度、上機(jī)架徑向振動(dòng)、下機(jī)架徑向振動(dòng)。原則上水導(dǎo)擺度只做參考，不能用轉(zhuǎn)子配重進(jìn)行補(bǔ)償，但實(shí)際配重過(guò)程中可以適當(dāng)兼顧水導(dǎo)擺度。

動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)合上機(jī)架徑向振動(dòng)及上、下導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)來(lái)確定轉(zhuǎn)子的配重方位和配重量。振動(dòng)測(cè)量由于低頻速度傳感器的相頻特性，相位上會(huì)有畸變；擺度測(cè)量由于電渦流傳感器探頭固定在機(jī)架上，測(cè)量值為主軸相對(duì)機(jī)架的相對(duì)擺動(dòng)，并非絕對(duì)值。因此，準(zhǔn)確的做法是以上、下導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)確定配重方位，以上機(jī)架徑向振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)確定配重質(zhì)量。確定配重方位時(shí)應(yīng)以安裝鍵相傳感器處的擺度傳感器信號(hào)進(jìn)行分析，比如鍵相傳感器安裝在+Y方向，則以+Y方向擺度傳感器信號(hào)的轉(zhuǎn)頻分量相位角進(jìn)行配重。如果以+X方向擺度傳感器信號(hào)來(lái)分析，則需將擺度轉(zhuǎn)頻成分相位角減去90度角（機(jī)組順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。

進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)分以下幾個(gè)步驟：

（1）確定轉(zhuǎn)子是否存在質(zhì)量不平衡。方法是利用變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)對(duì)上機(jī)架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，確定上機(jī)架振動(dòng)轉(zhuǎn)頻成分中動(dòng)不平衡分量與轉(zhuǎn)速平方的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（2）如果轉(zhuǎn)子存在動(dòng)不平衡，則根據(jù)機(jī)組帶100%勵(lì)磁電壓時(shí)上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度信號(hào)和上機(jī)架振動(dòng)信號(hào)分別確定轉(zhuǎn)子試配相位和試配質(zhì)量；

（3）試配后進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)，分析試配效果，計(jì)算下一步配重相位和配重質(zhì)量；

（4）動(dòng)平衡試驗(yàn)直到配重效果滿足要求為止。

圖1　時(shí)-頻法動(dòng)平衡試驗(yàn)原理

需要注意的是，由于軸承受熱會(huì)膨脹，振動(dòng)、擺度的測(cè)量應(yīng)在軸承瓦溫穩(wěn)定后進(jìn)行。

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1動(dòng)不平衡分析

首先確認(rèn)變轉(zhuǎn)速過(guò)程上機(jī)架振動(dòng)轉(zhuǎn)頻成分中動(dòng)不平衡分量與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。機(jī)架轉(zhuǎn)頻成分=Ar（固有轉(zhuǎn)頻分量）+Br（動(dòng)不平衡分量），需要從轉(zhuǎn)頻成分中分揀出Br項(xiàng)，如果Br數(shù)值與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系，說(shuō)明轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡，需要配重。這里可以采用兩種方法分揀Br項(xiàng)：

（1）利用50%Nr、75%Nr和100%Nr三個(gè)轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)頻成分求解：

在變轉(zhuǎn)速過(guò)程中，A（固有轉(zhuǎn)頻分量）變化不大，可近似認(rèn)為是定值，因此，解出與轉(zhuǎn)速平方之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)判斷轉(zhuǎn)子是否存在質(zhì)量不平衡。

（2）低轉(zhuǎn)速下測(cè)量Ar項(xiàng)：做變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)，記錄轉(zhuǎn)速＜10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動(dòng)值。由于此時(shí)轉(zhuǎn)速較低，可忽略動(dòng)不平衡影響，轉(zhuǎn)頻值只反映機(jī)組固有轉(zhuǎn)頻分量，類似于靜態(tài)盤車。那么50% nr、75% nr、100% nr時(shí)的轉(zhuǎn)頻分量與低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)頻分量之差即為動(dòng)不平衡分量。

實(shí)際上，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，常常為了簡(jiǎn)化考慮，并未分揀Br項(xiàng)，只對(duì)轉(zhuǎn)頻成分合項(xiàng)進(jìn)行分析。

2.2試配

（1）試配相位：通過(guò)計(jì)算得到上導(dǎo)/下導(dǎo)轉(zhuǎn)頻成分相位角（與鍵相片之間的夾角），以此作為轉(zhuǎn)子上部/下部試配相位的主要依據(jù)，同時(shí)兼顧水導(dǎo)擺度。

（2）試配重量：

關(guān)于試配重量的確定有以下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，P0為試塊重量（kg）；k為系數(shù)（0.5～2.5），高速機(jī)組取小值，低速機(jī)組取大值；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量（kg）；R為配重半徑（cm）；n為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速（r/min）；H為機(jī)組配重前的最大振幅值（mm）。

上述式（4）、式（6）與振幅無(wú)關(guān)，式（5）與振幅有關(guān)，可任選其一。

2.3終配

根據(jù)試配效果確定終配方案，可采取矢量圖解法。

式中，P1為終配質(zhì)量（kg），包含了試配質(zhì)量P0；OA為試配前擺度矢量；OB為試配后擺度矢量；BA為試配前后矢量之差。

終配M是為了最終消除OA，試配P只消除了AB。AB轉(zhuǎn)向-OA的轉(zhuǎn)角α在數(shù)值上應(yīng)等于試配相位與終配相位的相角差。以O(shè)A轉(zhuǎn)向OB的相同方向?qū)⒃嚺湎辔恍D(zhuǎn)α角即為終配方位，如圖2所示。

圖2　終配矢量圖解法

根據(jù)具體情況，配重可進(jìn)行多次，直到機(jī)組振動(dòng)、擺度達(dá)到要求為止。

3　向家壩機(jī)組配重實(shí)例

向家壩右岸電站新投產(chǎn)機(jī)組在啟動(dòng)試運(yùn)行期間進(jìn)行機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)，內(nèi)容包括變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)。試驗(yàn)所用鍵相傳感器安裝在+X方向，鍵相片與63號(hào)磁極在同一鉛垂面。變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)記錄了40%nr、60%nr、80%nr、100%nr四個(gè)轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。機(jī)組振、擺數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)速平方的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

表1　變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)記錄（振、擺單位：μm；相位單位：°）

圖3　機(jī)組振、擺轉(zhuǎn)頻值與轉(zhuǎn)速平方關(guān)系

從表1和圖3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?0%nr上升到100%nr，上導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻增大60μm，下導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻增大80μm，上機(jī)架水平振動(dòng)轉(zhuǎn)頻增大40μm，且上升趨勢(shì)基本都與轉(zhuǎn)速平方成正比關(guān)系。由此可以判斷轉(zhuǎn)動(dòng)部件存在質(zhì)量不平衡。

針對(duì)質(zhì)量不平衡，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了兩次配重，最終在41號(hào)磁極筋板處配重4塊標(biāo)準(zhǔn)配重塊，上下各兩塊，質(zhì)量約210kg，配重方位見(jiàn)圖4。配重前后機(jī)組各部位的振動(dòng)擺度見(jiàn)表2。

配重后上導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻減小40μm，下導(dǎo)擺度減小70～80μm，上機(jī)架水平振動(dòng)轉(zhuǎn)頻減小20μm，配重效果明顯。

圖4　配重示意圖

4　結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)大多是由于轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量不平衡引起的，通過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)可以檢驗(yàn)和調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量分布，消除不平衡因素，這對(duì)于向家壩電站巨型機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)的關(guān)鍵是配重相位和配重質(zhì)量的選取。采用時(shí)-頻方法能快速確定轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量點(diǎn)的相位和質(zhì)量，比傳統(tǒng)的三次試重法方便快捷，效果明顯。

表2　配重前后數(shù)據(jù)對(duì)比　　　　　　　　　　　　　　　μm

另外，由于不同類型傳感器的測(cè)量原理和固有特性，配重方位的確定應(yīng)以擺度信號(hào)（電渦流傳感器）為準(zhǔn)，配重質(zhì)量的確定應(yīng)以機(jī)架徑向振動(dòng)信號(hào)（低頻速度傳感器）為準(zhǔn)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]何良超. 水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)方法比較[J].廣西電力, 2013, 36(6): 79-81.

[2]敖建平, 薛福文, 劉志輝. 水輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)平衡試驗(yàn)方法[J]. 水電站機(jī)電技術(shù), 2005, 28(2): 27-30.

[3]閻宗國(guó), 周凌九. 水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2012, 31(1): 235-239.

徐波（1977-），2005年7月畢業(yè)于華中科技大學(xué)能源動(dòng)力系動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)，獲得工學(xué)碩士學(xué)歷，現(xiàn)從事水電站機(jī)械設(shè)備性能診斷測(cè)試工作，高級(jí)工程師。

審稿人：呂桂萍

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

[作者簡(jiǎn)介]

[收稿日期]2015-08-17

[中圖分類號(hào)]TK733+.1；TV734.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-3983(2016)01-0035-04