吳 勛

（西部管道烏魯木齊應(yīng)急搶險中心，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

在西氣東輸三線一座天然氣壓氣站，一臺額定功率20 MW、額定電壓10 000 V 的無刷勵磁變頻調(diào)速同步電機，額定轉(zhuǎn)速4800 r/min，啟停機過程中會經(jīng)過2 個臨界轉(zhuǎn)速，分別為在1630 r/min 左右和2935 r/min 左右。在維修中更換電機驅(qū)動端滑動軸承后對電機空載運行測試，出現(xiàn)停機過程中降速通過二階臨界轉(zhuǎn)速時振動測點②觸發(fā)高高報警緊急停機，而啟機過程無此問題。這時電機處于非正常狀態(tài)。轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，振動傳感器安裝方式如圖2 所示，測點②的電渦流振動傳感器X 的振動值正常，Y 的振動趨勢如圖3 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 振動傳感器安裝

圖3 Y 方向振動趨勢

1 檢查安裝偏差

該同步電機和勵磁機通過剛性聯(lián)軸器連接，采用3 個水平剖分型滑動軸承支撐，軸承兩側(cè)有迷宮型潤滑油封，安裝要求的測量指標主要有4 項，現(xiàn)場檢查和測量結(jié)果如表1 所示。

表1 現(xiàn)場安裝情況檢查

軸水平狀態(tài)的變化反映了更換的①處軸承與原軸承厚度存在偏差。由于電機轉(zhuǎn)子在線圈部位有重量集中，軸線產(chǎn)生撓曲，但撓曲很微小，可以按照線性估算如下：兩處水平度需要調(diào)整0.12 mm/m，兩處滑動軸承支撐距離為4 m，①處支撐需要降低（0.12/2）×4=0.24 mm?，F(xiàn)場從軸承座底部減去0.20 mm 墊片后，重新測量軸水平，差值為-0.05 mm；同時測量抬升高度為1.66 mm，考慮①處降低后對③處軸承座抬升高度的影響，在③處軸承座底部增加0.05 mm 墊片。從安裝角度完成調(diào)整后，啟動電機運行，但降速通過二階臨界轉(zhuǎn)速時振動值仍然高高報警觸發(fā)聯(lián)鎖保護。

2 對異常振動問題的轉(zhuǎn)子動力學分析

觸發(fā)聯(lián)鎖保護的測點②Y 方向振動監(jiān)測的圖譜如圖4 所示。從圖4 中可以看到，停機過程中轉(zhuǎn)速降低至第二階臨界轉(zhuǎn)速附近時，振動值遠大于升速過程相同轉(zhuǎn)速下的振動值。

圖4 測點②Y 方向振動伯德圖

查閱文獻，在一臺50 MW 的發(fā)電機停機過程中也出現(xiàn)過降速通過二階臨界轉(zhuǎn)速（3600 r/min）時振動顯著增大的現(xiàn)象。通過轉(zhuǎn)子動力學分析，與汽輪機連接的懸臂端占有超過78%的二階振型動能，具有“balance pit”型振動形態(tài)的特征；經(jīng)過平衡，消除這個現(xiàn)象。振動傳感器監(jiān)測的伯德圖如圖5 所示。

圖5 文獻中發(fā)電機升速和降速振動傳感器伯德圖

同步電機和勵磁機的伯德圖與參考文獻中有差異，主要表現(xiàn)在振幅僅在臨界轉(zhuǎn)速處急劇增大，且降速通過二階臨界轉(zhuǎn)速時振動通頻值（direct）與基頻（1X）幾乎完全重合，振動幅值主要來源于基頻；電機驅(qū)動端半聯(lián)軸器的懸臂距離支撐點較近，懸臂現(xiàn)象并不十分顯著。

3 現(xiàn)場對轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的修正

對于單根轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)和支撐剛度、阻尼等條件確定后，會有自身的臨界轉(zhuǎn)速ncr1、ncr2、……；對于軸系，單根轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速會發(fā)生遷移，表現(xiàn)出新的臨界轉(zhuǎn)速Ncr1、Ncr2……。從啟停機過程振幅與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系來看，測點①在ncr1振幅有峰值，測點②和③在ncr2有峰值、且相位變化基本一致，測點②、③反映了勵磁機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，而測點①反映了電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。軸系表現(xiàn)出的二階臨界轉(zhuǎn)速實際上是勵磁機的一階臨界轉(zhuǎn)速。

按照臨界轉(zhuǎn)速下振幅與激振力的相位關(guān)系，以及參考文獻中對于撓性轉(zhuǎn)子激振力超前最大振幅100°～130°和平衡槽加重時試加重相位=振幅最大值相位-240°的經(jīng)驗做法，在測點勵磁機驅(qū)動端的旋轉(zhuǎn)整流盤上安裝試驗重量15 g∠24°、15 g∠36°（由于旋轉(zhuǎn)整流盤上平衡孔沿圓周均布30 個，相鄰兩個間隔12°），試驗重量安裝前后的振動變化見表2。

表2 增加試重后最大振幅附近振動值變化

對勵磁機一階振型的平衡計算采用振型圓法，運用CAD 可以方便地繪制矢量、擬合圓，減少矢量計算和矩陣計算的工作量。基于CAD 繪制的振型圓如圖6 所示。

圖6 基于CAD 繪制的振型圓

圖中角度φ從圖6b）中確定，試驗重量的相位已知，與相位方向垂直即為臨界轉(zhuǎn)速方向，φ為ncr與鄰近轉(zhuǎn)速n0在圓上的圓心角，如n0超前ncr，在初始振型圓上n0的方向滯后角度φ得到該階振型臨界轉(zhuǎn)速方向，進而確定激振力和實際加重的相位。

加重量計算公式與影響系數(shù)法類似，但模與相位角分別確定。實際加重W=（O′A/O′C）×w=（219.05/111.43）×29.8=58.6 g；角度33°；在24°處加重30.6 g，在36°處加重28.1 g。電機降速過二階臨界轉(zhuǎn)速的振動值降為76 μm，額定轉(zhuǎn)速的振動值為18 μm，共振放大系數(shù)為76/18=4.2，符合共振放大系數(shù)3～5 的要求。同時可以看出，試驗重量安裝后，極坐標圖中最大振幅的相位變化不大，說明試驗重量的位置選擇是正確的，計算后也得到證實。

4 對振型圓法應(yīng)用的回顧

設(shè)Z 方向沿轉(zhuǎn)軸、M 為質(zhì)量、C 為外部阻尼、K 為剛度、Q 為不平衡復向量，從形如下式的轉(zhuǎn)子運動微分方程：

從微分方程可以推導出，當轉(zhuǎn)子接近某一臨界轉(zhuǎn)速時，得到形如以下方程的解：

該方程為圓方程，轉(zhuǎn)速在i 階臨界轉(zhuǎn)速附近，相位也會發(fā)生較大變化（通常躍變約90°）幅相特性曲線可以擬合為圓。對于軸系，受其他階次振型的干擾等影響，超前最大振幅對應(yīng)相位90°并非該階振型真實激振力的方向。

振型圓法基本思路為：從幅相曲線擬合某一臨界轉(zhuǎn)速附近振幅矢量，得到該階臨界轉(zhuǎn)速引起的振型圓，設(shè)直徑為，加試驗重量w∠α 后，得到新的幅相曲線，同樣擬合找出該階臨界轉(zhuǎn)速引起的振型圓圖形；兩個圖上對應(yīng)轉(zhuǎn)速的矢量差即為試驗重量引起的變化。

式（2）中，a1、b1和Cis均∝Ω/ωr，其中Ω 在Ωcr±δΩ 范圍內(nèi)。在試驗重量添加前后式（2）可寫作：

5 結(jié)束語

設(shè)圖6b）中某一轉(zhuǎn)速對應(yīng)的圓心角為γ，圖6a）中對應(yīng)的圓心角為α，由計算可知，α-γ=arccos［M1/（2M2）］。臨界轉(zhuǎn)速與鄰近轉(zhuǎn)速對應(yīng)的圓心角相等。

擬合振型圓的轉(zhuǎn)速應(yīng)與臨界轉(zhuǎn)速接近，不同的轉(zhuǎn)速間隔選擇，擬合的振型圓直徑和試驗重量引起變化的圓略有偏差，但試驗配重偏差一般不超過15%，相位偏差不超過10°，同樣可以獲得較好的平衡效果。畫出試驗重量安裝前后的振型圓后，也可以利用振型圓諧分量法的計算結(jié)果，試驗重量引起的影響因子為幅相曲線上原點O 與兩個振型圓上最大振幅點連線的截距矢量；對于一階振型對稱加重

對一次高壓同步電機軸系出現(xiàn)二階振動高高報警聯(lián)鎖保護問題的維修處理，發(fā)現(xiàn)安裝的偏差的影響并不顯著，主要由滑動軸承的阻尼和剛度等特性變化引起，并應(yīng)用振型圓法對轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)進行修正，消除了異常振動的問題；并論述了振型圓法的原理，在運行轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速以上的撓性轉(zhuǎn)子中可以應(yīng)用。