大、中型水輪發電機動平衡指標和動平衡

　　本文對根據已有旋轉機械轉子平衡標準，結合對大中型電站水輪發電機組動平衡校正經驗和對照有關規程相關指標，提出對應我國大中型水輪發電機轉子動平衡品質可定在G16級，進行了論證分析，并對動平衡技術方法進行了論述。

　　《電機與控制應用》(月刊)創刊于1959年，由上海電器科學研究所(集團)有限公司主辦。為電機行業的技術性刊物。刊登電機研究、設計、工藝制造技術及電機應用技術方面的論文，報道國內外動態與信息。主要欄目有研究與設計、控制與保護、工藝與材料、測試與試驗、運行與維修、國外信息等。

　　1.概述

　　水輪發電機轉子的動平衡是指將轉子動不平衡量減少至零或達到可接受的水平。引起水輪發電機組機械不平衡力的原因很多，主要有：水輪機質量失衡、發電機質量失衡、機組安裝水平差、大軸軸線不正、三導軸承不同心等。實踐證明，水輪發電機組的振動多數是由于發電機轉子的質量不平衡造成。因此，在機組運行中極易發生因轉子質量分布不均而產生的較大不平衡力，這種不平衡力的主要特征是：(1)機組在空轉(空載、無勵磁)工況下造成導軸承機架水平振動;(2)振動幅值隨轉速增加而增大，且與轉速平方成直線關系;(3)振動頻率為轉速頻率。由于轉子重量較大，不能進行靜平衡效驗，只能在機組投運后，通過現場動平衡試驗解決。

　　2.水輪發電機轉子平衡指標

　　2.1水輪發電機組動平衡指標

　　目前水輪發電機組動平衡指標是：《水輪發電機組啟動試驗規程》DL/T507-2002，對機組振動提出的標準，見表2.1。

　　其中，發電機導軸承支架水平振動指標與發電機轉子平衡指標間接相關。

　　2.2轉子不平衡量的評定

　　用什么尺度來衡量一個轉子的平衡品質是一個重要問題，一個轉子經過動平衡后，不可能把不平衡量完全消除，只能把它降低到許可的程度。轉子經平衡校正后剩下的不平衡量稱為剩余不平衡量，它的許可值稱為允許剩余不平衡量。

　　假定發電機轉子大小為G的不平衡質量存在于半徑為r、圓周參考角度為α的部位那么他所產生的離心力為：

　　F=Grω2

　　式中ω為旋轉角速度。離心力F隨著ω的平方而增大，而G和r的乘積稱為不平衡量：

　　U=Gr

　　不平衡量是有方向的屬于矢量，通常表示為：U=∣U∣∠α

　　為了排除轉子質量的因素，工程上也用不平衡度來表示：

　　е=U/M

　　е的物理意義為：轉子重心偏離旋轉軸線的距離，又稱為不平衡偏心距。

　　60年代初，德國工程師提出了下述準則：不論什么轉子，當動平衡品質相同時，其軸承的單位動力承壓應該相同，即用軸承的單位承壓大小作為衡量動平衡品質的出發點，此觀點已被國際標準化組織ISO所采納：同樣的動平衡品質，其еω是相同的，因此用еω值來作為動平衡品質的衡量尺度。

　　S=еω

　　S命名為不平衡烈度，從物理概念上理解,它是轉子重心的線速度。國際標準化組織(ISO)所定的“剛性轉子平衡精度”標準，就是以S值劃分精度等級的從0.16～4000mm/s,共分11級,參見下表：

　　當發電機轉子不平衡烈度S確定后，在配重半徑r上的允許不平衡量的計算公式為：

　　Mper=M×S×60/(2π×r×n)

　　Mper：允許不平衡量kg

　　M：轉子重量kg

　　S：轉子平衡精度等級mm/s

　　r：配重校正半徑mm

　　n：轉速r/min

　　2.3實例分析

　　以萬家寨電站水輪發電機組動平衡試驗結果為例分析如下：

　　萬家寨電站水輪發電機組動平衡試驗結果：

　　機組編號 配重數量(kg) 上機架振動

　　注：超前軸鑒相點為+

　　萬家寨水輪發電機轉子重量650T，動平衡配重校正半徑5m，以2號機為例：上導軸承支架水平振動0.0956mm，配重380kg，機架振動降為0.0342mm，按此計算：水輪發電機上導軸承支架水平振動0.0956mm,機組額定轉速100r/min,機架振動基本滿足《水輪發電機組啟動試驗規程》中不超過0.09mm規定要求，可不進行動平衡效驗。

　　依據動平衡校正結果反算：校正重量591kg，校正半徑5m,發電機轉子不平衡烈度S=47.6mm/s。

　　2號機經動平衡校正后，上機架殘余振動幅值降為0.0342mm，剩余不平衡重量為：211kg

　　發電機轉子不平衡烈度S=16.9mm/s。

　　經動平衡校正后，萬家寨6臺180MW水輪發電機組上機架水平振動均降到0.05mm以下。

　　由以上分析可見：按《水輪發電機組啟動試驗規程》發電機轉子平衡精度等級為S=45mm左右(轉速100r/min，導軸承支架水平振動0.09mm)。就目前已有水輪發電機組現場動平衡技術將轉速100r/min機組，導軸承支架水平振動允許值可降為0.05mm乃至更低。說明大、中型水輪發電機轉子動平衡指標從G45提高至G16級是現實可行的。

　　3.水輪發電機組現場動平衡試驗技術

　　在現場工作狀態的條件下，對其進行振動測量分析并進行平衡校正。大中型水輪水輪發電機組轉速一般在100r/min左右(小于200r/min)，轉子高度與直徑比小于0.5(盤狀轉子)，運行中轉子本身彎曲變形可忽略，不平衡量不隨轉速變化，符合剛性轉子動平衡條件。

　　3.1三次試重作圖法：目前安裝公司、機組檢修機構多采用此方法。

　　儀器：手持式測振儀或應變測試儀;百分表或千分表輔助監測。

　　工具材料：焊機、焊條、石棉布;配重塊、試重塊;繪圖工具、繪圖紙。

　　對機組導軸承支架進行測試，據測試結果，根據經驗判斷和具體情況分析，確定試重量大小。

　　(1) 按反時針(或順時針)方向，每次相差120°固定試重塊3次。試重塊應固定牢固，切忌松脫飛出造成事故。

　　(2) 啟動機組到額定轉速，待轉速穩定后，測量上機架互成90°的兩個支臂的水平振動幅值，同時記錄上導、法蘭、水導等處軸擺度作為參考。

　　(3) 根據三次試重所測上機架水平振動值、作圖(四圓法)獲得最終平衡配重量大小和方位(見參考文獻1)。

　　3.2動態信號相位判別法

　　儀器：筆記本計算機、16bit以上分辨率數據采集器、絕對振動速度傳感器、信號轉換器放大器、信號記錄分析軟件、頻譜分析(高通、低通、帶通濾波分析程序)、軸相位信號(光電、磁電、電渦流傳感器)組成的動平衡測試系統。

　　1)變速試驗：在50%、70%、90%、100%額定轉速時，檢測上機架、上導、法蘭、水導等部位X、Y兩個方向振動幅值。同步測量軸相位信號。

　　2)對檢測導軸承水平振動信號進行轉頻帶通濾波，轉速平方與振動振幅值成線性關系。

　　3)試重塊重量確定：對大中型機組，如導軸承轉頻振動幅值大于0.05mm,第一塊試重量為100kg，第二塊試重量視第一次試重結果而定，試重半徑取轉子上能掛重物最大半徑位置。

　　4)根據軸位信號與振動信號相位差測試結果直接確定配重方位。

　　5)進行兩次配重試驗

　　6)以機架水平轉頻振動幅值為零為目標，根據試重測試結果計算確定最終平衡重量、方位，固定平衡塊。

　　3.3電磁不平衡、水力不平衡及機械不平衡的相互影響分析

　　水輪發電機組的電磁不平衡主要由于定子或轉子的橢圓度較大，空氣間隙不均勻，以及轉子繞組匝間短路產生的磁力不平衡等造成。它們二者與機械不平衡相互影響，共同作用于機組上。

　　當一臺機組軸線調整居中，滿足規范要求;解決的最有效方法是：通過在發電機轉子上配重，消除轉子的質量不平衡和磁拉力不平衡。

　　可以把機械不平衡、電磁不平衡及水力不平衡三者的相互影響關系歸結為兩類：當三者中任意兩者的夾角在90度以內時，有相互促進的作用，當三者中任意兩者的夾角大于90度時，有相互減弱的作用。

　　正因為三者的相互作用，當水輪發電機組在運行時振動、擺度較大時，可采用綜合平衡法進行消除或消減其不平衡力,即以機組在額定出力，額定功率因數下發電機導軸承支架水平轉頻振動量為零為目標，進行平衡配重，效果更好。