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水轮发电机转子动不平衡分析与处理

赵邦银
新疆额河水电有限公司

【摘要】大中型水轮发电机的转子通常是在安装现场叠装,一般是按照相同重量对称悬挂磁极，现场通常又不具备做动平衡试验的条件，机组安装完毕投产后难免有动不平衡的情况。本文介绍了水轮发电机转子动不平衡的现象及分析，并介绍了配重处理的过程，值得借鉴。
【关键词】 发电机转子 动不平衡 水平振动 垂直振动

一、机组概况
本公司“喀站”装机四台，机组总容量4*40MW，机组型号“SF40000-20/5500”，立轴悬垂型，额定转速“300r/min”，额定水头“86.3 m”，额定流量“54.98m3/s”,转动惯量GD2“≥1776t.m2”,轴承冷却方式为“油浸式自循环水冷却”。1-4号机组分别于2010年7月至9月相继投产，但4号机组投产后运行异常，与其它机组相比，有很大的低频轰鸣声，上机架水平振动偏大。
二、异常现象及危害
1.机组异常的轰鸣声
4号机组运行声音异常，如飞机飞行的轰鸣声伴随有嗡嗡的震颤，在水机室半封闭环境下，这种高能量的低频轰鸣声让人耳膜无法承受,高达120-130分贝，而正常机组在同样运行工况同一位置为80-90分贝。
2.机组上导支架水平振动值偏大
4号机组除了声音异常大外，机组上导水平振动偏大，人站在上机架上明显感到晃动，水平振动实测值如下：

从上表中可以看出，机组上导除了水平振动偏大外，垂直振动、大轴摆度基本是满足要求的，水导的轴承支架水平、垂直振动、大轴摆度均满足要求。《水轮机发电机组安装技术规范》（GB/T 8564-2003）对水轮发电机组带导轴承支架的水平振动允许值如下表红色数值：

额定转速在250至375r/min之间的机组允许值为0.07mm，而实测值在机组空载状态（发电机全压不带负荷）为0.16mm，是最大允许值的两倍还多。
3.机组下导油盆盖迷宫环对大轴瓦裙有明显的“啃食”，检查图片如下：

4. 机组上导支架水平振动值偏大的危害
（1）容易使机组上机架连接部件松动，使转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏。
（2）引起零部件或焊缝疲劳，形成并扩大裂缝甚至断裂。由于转子与定子气隙不匀，转子运行受力不均，可能引起大轴弯曲变形，而轴变形越大,振动也越严重。
三、原因分析与检查
分析机组上机架水平振动偏大，主要从水力、机械、电气三个方面的因素进行,分别对转子的叠加工艺、磁极重量、圆度，发电机气隙，导瓦间隙，导轴承摆度，导轴承机架的水平、垂直振动等数据进行了分析，初步确定4号水轮发电机组振动过大是由于发电机组偏心、推力瓦不平、镜板倾斜以及转子质量不平衡引起的机械方面振动。针对上述可能原因进行了如下检查内容。
1.发电机组中心检查
吊出发电机组的转子及转轮，对发电机的上、下机架，水轮机的座环进行中心检查。

2.对上导瓦、瓦背、推力瓦、抗重螺栓、推理头、镜板进行全面检查。
3.对下导瓦、瓦背、轴领进行全面检查。
4.对水导瓦、瓦背、抗重螺栓、水导轴领等进行全面检查。
5.测量并调整镜板水平。
6.转子推中，发电机空气间隙、转轮上冠、下环同心度及中心调整。
7.打推力瓦受力及机组轴线定位。
8.机组回装并调整上导、下导、水导瓦间隙。
经过上述检查、调整后，前、后数据对比如下：
1. 转子气隙调整前后数据

2.镜板调整前后数据

3.上导中心调整前后数据

4.下导中心调整前后的数据

5.转轮迷宫环间隙

6. 主轴密封间隙（设计单边间隙0.35-0.50mm)

7. 上导、下导、水导瓦间隙调整。上到瓦设计间隙0.15mm-0.20mm，下导瓦设计间隙0.15mm-0.20mm，水导瓦设计间隙0.15mm-0.20mm。

通过对4号机组机械结构检查，中心、水平、气隙调整，回装后运行的实测数据如下：

从调整前后的数据分析，上导、推力、下导、水导的瓦温是符合规范要求，说明瓦间隙，推力瓦水平、受力都满足要求；机组上导和水导的摆度都较小，证明机组的轴线也是符合要求的；机组空载的振动从调整前0.16mm减到调整后的0.08mm，带满负荷后振动减到0.07mm，有了明显的效果，但未达到规范规定的0.07mm的允许值范围内，随着运行时间增加，导瓦间隙的变化，水平振动还会逐渐变大。机组经过上述的检查调整后，虽然有了明显的改善，但还存在其它的因素—转子动不平衡的问题，有几个明显的特征也待解释，如：水平振动的频率和机组转速频率一致，振幅值随转速增加而增大；重负荷时振幅值减小；下导瓦裙一边“啃食”。
其次，发电机转子是在现场叠装的，虽然在安装过程中为使转子均质分布而采取了对磁极称重均衡叠装的措施，但没有做动平衡试验，转子不平衡的理由是存在的。
四、处理过程
由于现场不具备转子动平衡试验条件，采用了目前国内常用的“三次试加重法”，虽然效率没有先进的仪器那么快，但在本次处理过程中达到了非常好的效果。本次处理过程配重共进行了八次 ，将4号水轮发电机组空载时上导水平振动0.08mm减少到0.02mm，水导振动也减到0.01mm，使整个机组达到了非常平稳的状态。
将天车大钩落下，作为监测发电机上机架水平振动用百分表磁放基础，监测数据较为准确，如下图：

“三次试加重法”具体操作顺序就是在发电机转子的同一半径互成120o的三点逐次加试重块，分别启动机组至额定转速，并测记轴承所在机架各次的振幅u1、u2 、u3，连同未加试重时所测得的振幅值u0共有四个，根据这四个振幅值计算求出转子原来存在的不平衡质量的大小和方位。
转子质量150000kg，机组配重前空载最大振幅0.08mm，配重半径是240cm，额定转速300r/min。转子配重试块计算公式（与振幅有关的公式）m0=450u0G/RnH2（公式中：m0为试块重量，也就是需要配重重量,kg； u0为机组配重前的最大振幅,1/100mm；G为转子质量Kg；R为配重半径,cm；nH为额定转速,r/min。
根据公式计算出机组试加配重块的质量为：
m0 =450×（u0G/RnH2）
=450×[（0.08×100×150000）/（240×3002）]
=25kg
为了避免机组因配重产生剧烈振动，在试加重时选择试重块为17kg（即m0为17kg），三次试加重后启动机组至额定转速分别测量上导振动值。
第一次试配重后，启动机组至额定转速测量机组上机架水平振动值u1=0.15mm ，第二次u2=0.06mm，第三次u3=0.03mm。

未加试重块时u0=0.08mm，试加重产生的振动值up：
up =0.578√（u12+u22+u32-3u02）
=0.578√（0.152+ 0.062+ 0.032- 3×0.082）
≈0.051mm
根据三次试加重测试数据计算实际需配重的质量为：
m= (u0/up)×m0
= (0.08/0.051)×17
≈27kg
应加配重块的固定角：
α=60o-arccos[（u12-u02-up2）/2u0up]
=60o- arccos[（0.152-0.082-0.0512）/2×0.08×0.051]
=60o- arccos1.654
式中：α—配重块固定角，它是从最小振动值u3向中间振动值u2偏移的夹角。
此题无解，是因为机组振动不单是由转子质量不平衡引起的，还有其它的因素—如电磁力和水力等的影响，这就使得计算受到了干扰，产生了计算误差，这也说明本次配重试验不能一次配重成功。考虑到配重方位在C点偏B点方向左右，围绕C点左右每次移动20o分别加试重块并启动机组至额定转速，测量上机架振动值u4、u5、u6、u7如下。
第四次配重后，启动机组至额定转速测量机组上机架水平振动值u4=0.05mm,第五次u5=0.03 mm，第六次u6=0.03mm，第七次u7=0.04mm。

根据所测得的振动值u4=0.05mm、u5=0.03、u6=0.03、u7=0.04可知试重块在E点、F点时机组振动值最小，经计算4号机组的不平衡质量是27kg，最后决定在E点、F点分别加17kg、10kg配重钢板固定并焊接。
第八次配重如图：

启动机组至额定转速测量机组上导水平振动值0.02mm
五、处理后的效果
喀站4号机组共经过了8次配重试验，取得了非常好的效果，第8次配重完成后启动机组，各部位振动、摆度数据如下：单位mm

本次对喀站4号机组中心、水平、轴线、轴瓦等重新调整，特别是进行转子配重试验后，使4号机组的振动、摆度达到了最佳状态，彻底消除了机组上机架水平振动大的问题。