肖惠民，肖志懷，戴勇峰

（1.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院動(dòng)力系，湖北省武漢市 430072；2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北省武漢市 430074）

0 引言

近二十多年來(lái)，隨著水力機(jī)組日益大型化、高速化和大容量化，機(jī)組尺寸越來(lái)越大，剛度也隨之有所降低，國(guó)內(nèi)外一些大型、巨型水電廠不同程度地出現(xiàn)了振動(dòng)問(wèn)題[1]～[3]，在行業(yè)內(nèi)機(jī)組的穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。機(jī)組振動(dòng)、擺度過(guò)大會(huì)破壞機(jī)組的結(jié)構(gòu)，降低機(jī)組運(yùn)行效率，對(duì)水電站長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅，同時(shí)也會(huì)影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)于水力機(jī)組的異常振動(dòng)、擺度進(jìn)行分析，找出原因，并及時(shí)進(jìn)行處理，對(duì)電廠的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分必要的。

通過(guò)穩(wěn)定性試驗(yàn)可獲得機(jī)組重要部位的振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)等情況，是獲悉機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行穩(wěn)定性的最直接、最有效的手段[4]～[7]。通過(guò)分析機(jī)組不同部位在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下振擺的特點(diǎn)和變化規(guī)律，可判斷出機(jī)組振動(dòng)的原因及振動(dòng)來(lái)源，為機(jī)組的日常運(yùn)行、檢修及今后的技術(shù)改造提供技術(shù)依據(jù)。

某電廠一臺(tái)立式軸流式機(jī)組常在偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)區(qū)域運(yùn)行，大軸法蘭連接處一直存在擺度偏大的問(wèn)題，在汛期曾出現(xiàn)法蘭處擺度達(dá)上千微米的情況，是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患。針對(duì)該軸流式機(jī)組大軸法蘭擺度偏大的問(wèn)題，立項(xiàng)進(jìn)行了機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)，以期根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)、全面地分析該問(wèn)題，為電廠后期制定減少大軸擺度及機(jī)組改造方案提供參考和依據(jù)。

1 機(jī)組參數(shù)

機(jī)組結(jié)構(gòu)型式為立式軸流半傘式，二導(dǎo)結(jié)構(gòu)——發(fā)電機(jī)有上導(dǎo)沒(méi)下導(dǎo)，這導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪之間大軸長(zhǎng)達(dá)近11m。機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組基本參數(shù)表Table 1 Basic parameters of the unit

2 穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)包括：上導(dǎo)、水導(dǎo)處X、Y向擺度 ，上機(jī)架、下機(jī)架、定子機(jī)座、頂蓋水平X、Y向及Z向振動(dòng)。

導(dǎo)軸承處X、Y向擺度通過(guò)電渦流傳感器測(cè)量，上機(jī)架、下機(jī)架、定子機(jī)座和頂蓋處振動(dòng)通過(guò)低頻振動(dòng)傳感器測(cè)量。機(jī)組實(shí)時(shí)輸出的功率、導(dǎo)葉及槳葉的開(kāi)度以及電站上下游水位都從電廠監(jiān)控系統(tǒng)中獲取。

3 穩(wěn)定性試驗(yàn)內(nèi)容

由于水力機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其振擺常由多個(gè)因素共同作用引起，如何在眾多可能引起機(jī)組不穩(wěn)定的因素中找出特定問(wèn)題的具體原因是快速準(zhǔn)確診斷并解決機(jī)組穩(wěn)定性問(wèn)題的關(guān)鍵。引起機(jī)組振動(dòng)的原因主要可分為機(jī)械、水力、電氣三種，穩(wěn)定性試驗(yàn)也將分別針對(duì)以上三種原因開(kāi)展。

（1）頂轉(zhuǎn)子試驗(yàn)，檢查下機(jī)架剛度是否滿足要求，油壓分別為2、4、6、6.8MPa；

（2）機(jī)組空轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，了解發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡力的大小，轉(zhuǎn)速分別為額定轉(zhuǎn)速的60%、70%、80%和100%；

（3）空載變勵(lì)磁試驗(yàn)，了解發(fā)電機(jī)電磁不平衡力的大小，勵(lì)磁電壓分別為額定電壓的25%、50%、75%和100%；

（4）變負(fù)荷試驗(yàn)，全面了解機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，負(fù)荷分別為額定負(fù)荷的60%、70%、80%、90%和100%。

4 試驗(yàn)主要參考標(biāo)準(zhǔn)

DL/T 507—2014《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》，GB/T 11348.5—2008《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》，GB/T 28570—2012《水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》和GB/T 17189—2017《水力機(jī)械振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》，參照以上標(biāo)準(zhǔn)，該機(jī)組振擺允許極限值如表2所示。

表2 機(jī)組對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)允許限值（雙幅值）Table 2 National standard allowable limit of unit（double amplitude）

5 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

5.1 頂轉(zhuǎn)子試驗(yàn)

電渦流傳感器安裝在下機(jī)架下部，傳感器支架用鋼管固定在頂蓋上。通過(guò)頂轉(zhuǎn)子油泵裝置，分檔逐步提升油壓，每檔油壓停留5min，同步記錄數(shù)據(jù)。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的油缸上頂力和下機(jī)架抬起量如表3所示。

表3 油缸的上頂力及下機(jī)架抬起量Table 3 Upper jacking force of cylinder and lifting amount of lower frame

試驗(yàn)測(cè)得的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量為632.277t，與設(shè)計(jì)重量640.5t 相接近。下機(jī)架在承受全部自重時(shí)撓度為1.245mm，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，即下機(jī)架剛度滿足要求。

5.2 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)測(cè)得的各部振動(dòng)、擺度峰峰值隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)如圖1、圖2所示。

圖1 變轉(zhuǎn)速擺度變化趨勢(shì)圖（97%置信度）Figure 1 Variation trend chart of swing degree at variable speed（97% confidence）

圖2 變轉(zhuǎn)速振動(dòng)變化趨勢(shì)圖（97%置信度）Figure 2 Trend chart of vibration at variable speed（97% confidence）

（1）隨著轉(zhuǎn)速的增加，上導(dǎo)、水導(dǎo)擺度變化不明顯，保持在200～220μm 之間。但大軸法蘭處擺度變化非常大，從不到200μm 增大到了500μm 左右，也即額定轉(zhuǎn)速時(shí)大軸法蘭處擺度已超過(guò)允許限值。

（2）隨著轉(zhuǎn)速的增加，上機(jī)架水平振動(dòng)通頻峰峰值從23μm 增大到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的67.3μm，且轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速平方存在著明顯的線性關(guān)系（見(jiàn)圖3），頻譜分析也顯示該信號(hào)轉(zhuǎn)頻分量對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值也為最大（見(jiàn)圖4），這些信息均說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡問(wèn)題。

圖3 轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速平方關(guān)系圖Figure 3 Relation between amplitude of rotation frequency vibration and square of rotation speed

圖4 上機(jī)架信號(hào)頻譜圖（額定轉(zhuǎn)速）（一）Figure 4 Upper frame signal spectrum（rated speed）（No.1）

圖4 上機(jī)架信號(hào)頻譜圖（額定轉(zhuǎn)速）（二）Figure 4 Upper frame signal spectrum（rated speed）（No.2）

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡還會(huì)引起轉(zhuǎn)子、定子之間空氣間隙及水輪機(jī)止漏環(huán)間隙的周期性改變，從而引起電磁、水力不平衡等繼發(fā)反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組在開(kāi)機(jī)-空轉(zhuǎn)-勵(lì)磁-帶負(fù)荷過(guò)程中，振擺依次增大。

（3）下機(jī)架、定子、頂蓋等處的振動(dòng)峰峰值都沒(méi)有超過(guò)50μm，小于允許值。

5.3 變勵(lì)磁試驗(yàn)

機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度峰峰值隨勵(lì)磁電壓的變化趨勢(shì)如圖5、圖6所示。

圖5 變勵(lì)磁擺度變化趨勢(shì)圖Figure 5 Variation trend of variable excitation swing

圖6 變勵(lì)磁振動(dòng)變化趨勢(shì)圖Figure 6 Variation trend of variable excitation vibration

（1）隨著勵(lì)磁電壓的增加，上導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度通頻峰峰值稍有增加；大軸法蘭處擺度通頻峰峰值快速增大，從350μm 增加到接近800μm。

（2）隨著勵(lì)磁電壓的增加，上機(jī)架水平振動(dòng)+X向通頻峰峰值從65μm 增大到130μm，+Y向從40μm 增大到70μm，均增大明顯；其他各部位的振動(dòng)通頻峰峰值均未超過(guò)50μm。

（3）所有測(cè)點(diǎn)信號(hào)的頻譜分析顯示，轉(zhuǎn)頻分量振動(dòng)幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他振動(dòng)頻率（見(jiàn)圖7）。

圖7 上機(jī)架、聯(lián)軸法蘭信號(hào)頻譜（變勵(lì)磁100%）Figure 7 Signal spectrum of upper frame and coupling flange（100% rated excitation）

以上分析說(shuō)明該機(jī)組發(fā)電機(jī)存在明顯的不平衡磁拉力，且不平衡磁拉力對(duì)不同部位的影響差異很大：對(duì)上機(jī)架水平振動(dòng)有一定的影響，但對(duì)大軸法蘭擺度的影響顯著。

5.4 變負(fù)荷試驗(yàn)

各部振動(dòng)、擺度峰峰值隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)如圖8、圖9所示。

圖8 變負(fù)荷擺度趨勢(shì)圖（95%置信度）Figure 8 Swing trend chart with variable load（95% confidence）

圖9 變負(fù)荷振動(dòng)趨勢(shì)圖（97%置信度）Figure 9 Vibration trend chart with variable load （97% confidence）

（1）在各負(fù)荷工況下，機(jī)組水導(dǎo)擺度+X、+Y向通頻峰峰值均未大于200μm。上導(dǎo)擺度+X、+Y向幅值由320μm 增加到了360μm，已遠(yuǎn)超允許限值270μm。上導(dǎo)擺度過(guò)大預(yù)示著此處軸承間隙較大，應(yīng)適當(dāng)減小間隙。

（2）大軸法蘭+X、+Y向擺度幅值在380～690μm 間波動(dòng)，也已遠(yuǎn)超允許限值。頻譜分析表明，轉(zhuǎn)頻、葉片通過(guò)頻率（5 倍轉(zhuǎn)頻，與水力不平衡力相關(guān)）是該處主要的振動(dòng)頻率，其他頻率幅值極小（見(jiàn)圖10）。

（3）機(jī)組各部位振動(dòng)在各個(gè)負(fù)荷工況下都未超過(guò)100μm，滿足要求。

6 結(jié)論

對(duì)某60MW軸流式機(jī)組開(kāi)展了頂轉(zhuǎn)子、變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)和變負(fù)荷等試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的深入分析，獲得了以下結(jié)果：

（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在一定的質(zhì)量不平衡；

（2）發(fā)電機(jī)存在明顯的不平衡磁拉力，此拉力對(duì)大軸法蘭擺度有著顯著的影響；

（3） 變負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，大軸法蘭擺度在380～690μm 之間變動(dòng)，已超過(guò)允許值。轉(zhuǎn)頻、葉片通過(guò)頻率是該處主要的振動(dòng)頻率。

綜上所述，該機(jī)組大軸法蘭擺度超標(biāo)應(yīng)是機(jī)組無(wú)下導(dǎo)、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)輪間軸過(guò)長(zhǎng)、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不平衡磁拉力、轉(zhuǎn)輪水力不平衡力、上導(dǎo)軸瓦間隙過(guò)大等因素共同作用的結(jié)果，降低大軸法蘭處擺度理應(yīng)從這幾方面著手。后期可對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡、減小上導(dǎo)間隙、加裝下導(dǎo)（空間允許情況下）、優(yōu)化運(yùn)行條件等措施，以改善機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。