鄧育林，曾 云，錢 晶，鄒屹東

(1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明650000；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214)

0 引 言

軸系振動和擺度是水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性好壞的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，是水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的核心內(nèi)容[1]。引起機(jī)組軸系振動擺度異常的主要因素為機(jī)械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡[2]。針對機(jī)械、電氣、水力因素誘發(fā)的機(jī)組振動問題，學(xué)者們開展了許多研究，包括采用各種算法從振動測試數(shù)據(jù)中提取振動特征[3- 4]、基于振動特征的故障識別[5- 6]、以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的故障形成機(jī)理分析[7- 8]等等。以此為基礎(chǔ)發(fā)展形成了機(jī)組故障診斷和預(yù)警理論，開發(fā)的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大中型水電機(jī)組，水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的設(shè)備異常狀態(tài)為設(shè)備維護(hù)和檢修調(diào)整提供了重要的依據(jù)。

從工程實(shí)踐來看，機(jī)械不平衡通常反映為振動頻率與轉(zhuǎn)速一致，與轉(zhuǎn)速平方成正比；電磁不平衡通常反映為振動隨勵磁電流增大而增大；水力不平衡通常反映為振幅隨負(fù)荷或接力器行程的增減而增減[9]。水電機(jī)組最常見的異常故障是軸系的機(jī)械偏心問題，機(jī)組大修后的盤車環(huán)節(jié)主要就是解決這個(gè)問題。水電機(jī)組軸系調(diào)整理論上并不復(fù)雜，主要難點(diǎn)在于機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，已開發(fā)的一些盤車系統(tǒng)主要簡化了試驗(yàn)測試計(jì)算問題[10-11]，針對大型機(jī)組還有液壓自動盤車裝置[12]等。由于各電站機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)的特殊性，難以給出通用的機(jī)組盤車自動系統(tǒng)，軸系調(diào)整技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在充分利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息及其多參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特性，實(shí)現(xiàn)對軸系的精細(xì)化調(diào)整，改善機(jī)組振動穩(wěn)定性。

本文結(jié)合機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)提供的軸系特征參數(shù)及參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特性，對軸線調(diào)整、軸瓦間隙調(diào)整、發(fā)電機(jī)配重、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓整度等問題進(jìn)行了分析，提出的矯正方法應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)組調(diào)整，取得了較好的效果。

1 混流式水輪發(fā)電機(jī)組擺度影響因素分析及調(diào)節(jié)方法

1.1 發(fā)電機(jī)組軸承擺度影響因素分析

發(fā)電機(jī)組軸承擺度與機(jī)組軸線、軸瓦間隙有重要關(guān)系，轉(zhuǎn)子動不平衡、機(jī)組軸線不滿足要求、主軸曲折率、軸瓦間隙、軸瓦與球頭支柱間墊片過多無法壓緊等因素直接影響發(fā)電機(jī)組軸承擺度。擺度可通過機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測開展實(shí)時(shí)監(jiān)測來判斷機(jī)組穩(wěn)定性的好壞，如圖1所示。根據(jù)導(dǎo)軸承間隙調(diào)整收縮原則，在一定程度上收緊上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸瓦間隙，可以降低機(jī)組導(dǎo)軸承擺度。機(jī)組導(dǎo)軸承軸領(lǐng)圓度也是影響導(dǎo)軸承擺度的重要因素。

圖1 某混流式水輪發(fā)電機(jī)組軸承擺度實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.2 機(jī)組軸線調(diào)整

發(fā)電機(jī)組軸線處理過程中對折彎數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，為降低機(jī)組擺度，需盡可能將主軸各部位擺度數(shù)據(jù)控制在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的最小值。水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整過程中，時(shí)刻關(guān)注機(jī)組軸線、機(jī)組中心線、機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心線等機(jī)組“三條線”的相對位置，確保推力頭及鏡板與推力瓦的中心位置基本一致。軸線調(diào)整移軸推中后，測量4個(gè)方向止漏環(huán)間隙數(shù)據(jù)后將機(jī)組轉(zhuǎn)動部件旋轉(zhuǎn)180°后再次測量止漏環(huán)間隙，兼顧兩組數(shù)據(jù)取最優(yōu)方案進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件定中，減小因止漏環(huán)間隙不均勻?qū)е碌乃Σ黄胶饧皦毫γ}動導(dǎo)致的振動擺度。機(jī)組大修回裝過程中測量0°、90°、180°對應(yīng)上止漏環(huán)間隙，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，通過調(diào)整4塊軸線方向上的下導(dǎo)瓦，將機(jī)組軸線推至與機(jī)組中心線相重合位置。

1.3 軸瓦間隙調(diào)整

混流式水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)軸瓦間隙可直接影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，間隙小可能造成瓦溫高或引起燒瓦事故，間隙大可造成機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)行的擺度大，影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性[13]。水輪發(fā)電機(jī)組各軸承瓦溫溫差受軸瓦間隙影響較大，發(fā)電機(jī)的磁拉力不平衡對機(jī)組上下導(dǎo)瓦溫偏差具有一定的影響，機(jī)組加勵磁后上、下導(dǎo)整體瓦溫分布會往某個(gè)方向偏移。圖2為某水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦間隙及瓦溫分析趨勢，可以看出軸瓦間隙大小與軸瓦溫度有一定的關(guān)系，但軸瓦間隙大到一定范圍后，瓦溫變化就不明顯了。

圖2 某水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦間隙及瓦溫分布趨勢

軸瓦間隙調(diào)整通常采用只收不放的原則，減小大面積釋放瓦間隙造成的軸系擺度惡化。對于單塊瓦溫過高，兩側(cè)瓦與單一瓦形成溫差過大等特殊情況，可根據(jù)機(jī)組特性增加瓦間隙減小瓦溫。上、下導(dǎo)軸承間隙調(diào)整應(yīng)在機(jī)組帶勵磁以后再根據(jù)瓦溫偏差情況進(jìn)行，調(diào)整時(shí)應(yīng)對瓦溫降低區(qū)域軸瓦間隙進(jìn)行整體收小，而不能對瓦溫升高區(qū)域軸瓦間隙進(jìn)行整體放大。對穩(wěn)定性較好的水輪發(fā)電機(jī)組，水導(dǎo)、下導(dǎo)瓦溫差控制在5 ℃以內(nèi)，水導(dǎo)瓦溫差控制在6 ℃ 以內(nèi)，軸瓦間隙調(diào)整應(yīng)在轉(zhuǎn)子配重和磁極加墊全部完成后開展。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，軸瓦間隙調(diào)整宜根據(jù)瓦溫?cái)?shù)據(jù)找到瓦溫中位數(shù)，結(jié)合瓦溫雷達(dá)分布圖，對瓦溫較大的軸瓦進(jìn)行適當(dāng)間隙放大，對瓦溫較小的軸瓦進(jìn)行適當(dāng)間隙收小。調(diào)整時(shí)應(yīng)考慮相鄰未調(diào)整軸瓦溫度的變化趨勢，視情況可給予一定的過度調(diào)整(一般0.02 mm)。對于瓦溫與油溫偏差較小的軸瓦可認(rèn)為是未受力，可適當(dāng)加大調(diào)整量。圖3為某水輪發(fā)電機(jī)組下導(dǎo)瓦根據(jù)檢修前瓦溫高低，在檢修期對軸瓦間隙調(diào)整后運(yùn)行的軸瓦溫度。

圖3 某水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦間隙調(diào)整前后下導(dǎo)瓦溫雷達(dá)分布

導(dǎo)軸承瓦間隙偏心瓦調(diào)整方式為：在控制好機(jī)組軸線的前提下，在下導(dǎo)瓦間隙均勻調(diào)整后，上導(dǎo)、水導(dǎo)軸承應(yīng)考慮轉(zhuǎn)軸在該處的盤車擺度方位及大小進(jìn)行瓦間隙調(diào)整分配，即應(yīng)用偏心瓦調(diào)整方式來保證每塊軸瓦均勻受力，瓦溫偏差控制在一定范圍內(nèi)，從而降低機(jī)組擺度。

導(dǎo)軸承瓦間隙的精準(zhǔn)控制除正確的瓦間隙測量及調(diào)整方式方法外，需重點(diǎn)關(guān)注瓦間隙調(diào)整凸鍵、楔子板的加工精度，凸鍵應(yīng)采用機(jī)床加工代替手工打磨來提高瓦鍵的加工精度；楔子板需現(xiàn)場核實(shí)斜率，部分楔子板因加工誤差與圖紙標(biāo)注的斜率存在偏差。

國內(nèi)單機(jī)容量為700 MW的某大型水輪發(fā)電機(jī)通過調(diào)整各導(dǎo)軸承瓦間隙成功改善了機(jī)組的擺度、振動值。軸瓦間隙調(diào)整前，機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度幅值均遠(yuǎn)超過精品機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)組檢修期間，根據(jù)導(dǎo)軸承間隙調(diào)整收縮原則，大致按上導(dǎo)、下導(dǎo)500 μm總間隙和水導(dǎo)按600 μm總間隙進(jìn)行收縮，根據(jù)運(yùn)行瓦溫情況，進(jìn)行小差別調(diào)整，通過收縮各導(dǎo)軸承瓦間隙，下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度幅值改善明顯，下導(dǎo)擺度最大值由修前170 μm降至修后的55 μm，水導(dǎo)擺度最大值由修前的218 μm降至114 μm，上導(dǎo)擺度幅值有所改善，上機(jī)架水平振動幅值改善明顯。

2 混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動影響因素分析及調(diào)節(jié)方法

2.1 發(fā)電機(jī)組振動影響因素分析

混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動可分為機(jī)械振動、電磁振動和水力振動3大類。引起機(jī)械振動的因素有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正、導(dǎo)軸承缺陷、軸承間隙過大、推力瓦軸不平等；引起水力振動主要因素有卡門渦列、尾水管渦帶、水封間隙不等、轉(zhuǎn)輪水流不均、狹縫射流、空腔汽蝕、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等；電磁振動主要包括轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動，引起轉(zhuǎn)頻振動主要因素有轉(zhuǎn)子繞組短路、定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻、磁極的次序錯誤造成磁路不對稱引起磁拉力的不平衡從而產(chǎn)生振動、定子鐵芯松動引起超100 Hz的極頻振動、發(fā)電機(jī)定子鐵芯機(jī)座合縫不嚴(yán)。

發(fā)電機(jī)組水力振動是影響機(jī)組振動的關(guān)鍵因素，但在工程實(shí)踐中，水輪機(jī)在出廠前都會開展多批次模型試驗(yàn)，提高水輪機(jī)制造質(zhì)量，來消除水力機(jī)組不利因素，加上現(xiàn)場機(jī)組安裝工藝的提高，很難在機(jī)組安裝完成后人為干預(yù)調(diào)節(jié)水力振動因素。工程實(shí)踐中通常采用給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重、調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度來消除機(jī)組機(jī)械振動和電磁振動的不利因素。

2.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重方法

大型水輪發(fā)電機(jī)振動大多因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡和磁拉力不平衡引起，轉(zhuǎn)動部件中的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)剛度較好，在出廠前完成靜平衡試驗(yàn)即可滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求。大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大多采取現(xiàn)場組裝的方式，很難完全保證轉(zhuǎn)子質(zhì)量平衡，轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡力F是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動的主要原因，其計(jì)算公式為

F=Meω2

(1)

其中，M為不平衡質(zhì)量，kg；e為轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量偏心距，m；ω為轉(zhuǎn)子角速度，rad/s。

為了消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡力引起的機(jī)組周期性振動，通常采用機(jī)組動平衡配重來消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量。剛性發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重平衡面可以選擇雙面配重和單面配重，對于立式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高度與轉(zhuǎn)子直徑比值大于0.5時(shí)采取雙面配重，比值小于0.5采取單面配重。

通過水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場動平衡試驗(yàn)配重可以消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡導(dǎo)致的機(jī)組振動，主要采取3次試配重法、影響系數(shù)法。試配重法計(jì)算公式為

(2)

式中，M1為試配重質(zhì)量，kg；G為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，一般以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量計(jì)算，kg；n為動平衡試驗(yàn)時(shí)機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，r/min；r為試配重半徑，m；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取5～25，對于轉(zhuǎn)速低于120 r/min的水輪發(fā)電機(jī)組可以適當(dāng)加大，K取35；轉(zhuǎn)速在120～500 r/min的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，K取25；轉(zhuǎn)速在500～1 000 r/min的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，K適當(dāng)減少。

張海庫等通過10個(gè)大型水電機(jī)組成功試配重?cái)?shù)據(jù)樣本，采用回歸分析法對傳統(tǒng)試配重公式進(jìn)行修正[14]，最終得到修正后的試配重公式為

(3)

式中，s/s0為特征振動值和國家標(biāo)準(zhǔn)值的比值。

試配重質(zhì)量塊安裝完成后開展變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，一般按25%、50%、75%、100%額定轉(zhuǎn)速測量發(fā)電機(jī)組振動值，如果不合格繼續(xù)開展平衡配重修正，如果振動值合格則結(jié)束試驗(yàn)。

根據(jù)有關(guān)的影響系數(shù)法修正平衡重量計(jì)算公式

(4)

式中，Q為應(yīng)加平衡質(zhì)量，kg；M1為試配重質(zhì)量，kg；A1為加試重后的合成振幅；A0為原始振幅。式(4)為向量計(jì)算式，配重質(zhì)量和角度一起確定，平衡質(zhì)量Q不包括適配重質(zhì)量M1，影響系數(shù)法一般做1～2次動平衡配重修正后可完成機(jī)組動平衡調(diào)整。

以國內(nèi)某單機(jī)350 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組為例，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為75 r/min，轉(zhuǎn)子直徑大、高度小，其上機(jī)架水平振動、下導(dǎo)擺度都偏大，2021年采取適配重法來降低機(jī)組振動擺度。步驟為：

(1)根據(jù)適配重計(jì)算公式M1=KG/(n2r)，計(jì)算確定首次配重選擇325 kg。

(2)確定試配重塊加裝角度，將鍵相塊安裝對應(yīng)轉(zhuǎn)子引線、鍵相傳感器安裝在+X方位，+X向擺度1倍頻相位角(1倍頻分量波形峰值角)為超重角，以0°角為起始點(diǎn)逆轉(zhuǎn)動方向偏1倍頻相位角所對應(yīng)的方位為超重方位，其對側(cè)為失重方位，即配重塊加裝位置。

第一次配重后開機(jī)至空轉(zhuǎn)開展運(yùn)行數(shù)據(jù)對比，隨后采取同樣的方法，開展第二次配重117 kg，通過對比第一次和第二次配重下導(dǎo)擺度、上機(jī)架水平振動1倍頻分量無明顯降幅，判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心已基本消除，配重完成后機(jī)組振動、擺度得到明顯改善，詳見表1。

表1 機(jī)組完成兩次配重后運(yùn)行數(shù)據(jù)對比

2.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整

水電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的圓度直接影響到氣隙分布的均勻性和機(jī)組的安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，轉(zhuǎn)子圓度為影響機(jī)組振動的關(guān)鍵因素，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度主要通過磁極在圓周方向的位置分布情況來衡量，影響轉(zhuǎn)子圓度誤差的主要因素是氣隙值在圓周方向的變化情況[15]。關(guān)于圓度的評定，國標(biāo)中有4種方法，即最小區(qū)域圓法、最小二乘圓法、最小外接圓法和最大內(nèi)接圓法[16]。已投入運(yùn)行的水電機(jī)組轉(zhuǎn)子無法直接測量其圓度，主要通過測量發(fā)電機(jī)空氣氣隙和磁極加速度，從而間接獲得轉(zhuǎn)子的圓度分析。

優(yōu)化機(jī)坑外轉(zhuǎn)子圓度，圓度調(diào)整首先要調(diào)整磁極上下部的對應(yīng)性，確保轉(zhuǎn)子坑外圓度所測量的斷面數(shù)據(jù)在趨勢上要一致；轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整后磁極形貌要均勻，不得出現(xiàn)連續(xù)的凸、凹，偏心應(yīng)盡可能小，要保證磁極垂直度良好，從而消減定子鐵芯及定子機(jī)座的1X及倍頻振動幅值，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后與定子振動影響示意

轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整方法主要有2種。第一種采取機(jī)坑內(nèi)轉(zhuǎn)子二次調(diào)圓，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析將氣隙特征值作為量化指標(biāo)，采集定子低頻振動幅值、頻譜等數(shù)據(jù)，根據(jù)氣隙特征值模型計(jì)算分析確定磁極調(diào)整方案，形成一套基于氣隙特征值降低發(fā)電機(jī)定子低頻振動的方法。第二種是基于振動波形分析確定引起發(fā)電機(jī)定子低頻振動關(guān)鍵磁極的方法[17]，采用波形計(jì)算振動加速度的方法確定磁極調(diào)整方案，通過對水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加速度分布圖進(jìn)行分析，確定需要調(diào)整的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極，在機(jī)坑內(nèi)磁極調(diào)整采取對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝或拆卸磁極墊片來調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度。

工程實(shí)踐中，通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝或拆卸墊片來調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度，從而調(diào)整控制發(fā)電機(jī)空氣氣隙，如圖5所示。同時(shí)開展機(jī)組動平衡試驗(yàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重，可有效降低發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平振動和定子鐵芯水平振動。

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝墊片位置示意

國內(nèi)某650 MW混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組因定子振動偏大，通過開展如圖6所示的磁極加速度分布分析，判定24號～36號磁極區(qū)域加速度偏小，判別發(fā)電機(jī)空氣氣隙偏大，經(jīng)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子30號磁極加裝2 mm墊片，則對應(yīng)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙減少2 mm，經(jīng)開機(jī)啟動試驗(yàn)測量結(jié)果，處理后發(fā)電機(jī)定子機(jī)架水平振動幅值由修前120 μm下降至73 μm，調(diào)整效果明顯，效果對比詳見圖7。

圖6 發(fā)電機(jī)磁極加速度分布分析

圖7 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝2 mm墊片后定子機(jī)架水平振動對比波形

3 結(jié) 論

水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整過程中需關(guān)注與機(jī)組中心線、機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心線的相對位置，通過測量四個(gè)方向止漏環(huán)間隙數(shù)據(jù)來判斷，確保推力頭及鏡板與推力瓦的中心位置基本一致。機(jī)組導(dǎo)軸承瓦間隙可直接影響機(jī)組振動和擺度，軸瓦間隙調(diào)整通常采用只收不放的原則，根據(jù)軸瓦運(yùn)行瓦溫分布來分析判斷調(diào)整軸瓦間隙的位置和大小。此外，通過試配重法、影響系數(shù)法來確定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重塊的安裝位置和質(zhì)量，可有效解決發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡問題，再通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝或拆卸墊片來調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度，來調(diào)整控制發(fā)電機(jī)空氣氣隙，可有效解決大型發(fā)電機(jī)振動偏大問題。