大、中型水轮发电机动平衡指标和动平衡试验

　　摘要：
　　本文对根据已有旋转机械转子平衡标准，结合对大中型电站水轮发电机组动平衡校正经验和对照有关规程相关指标，提出对应我国大中型水轮发电机转子动平衡品质可定在G16级，进行了论证分析，并对动平衡技术方法进行了论述。
　　关键词大、中型水轮发电机组，动平衡指标，动平衡试验
　　1.概述
　　水轮发电机转子的动平衡是指将转子动不平衡量减少至零或达到可接受的水平。引起水轮发电机组机械不平衡力的原因很多，主要有：水轮机质量失衡、发电机质量失衡、机组安装水平差、大轴轴线不正、三导轴承不同心等。实践证明，水轮发电机组的振动多数是由于发电机转子的质量不平衡造成。因此，在机组运行中极易发生因转子质量分布不均而产生的较大不平衡力，这种不平衡力的主要特征是：（1）机组在空转（空载、无励磁）工况下造成导轴承机架水平振动；（2）振动幅值随转速增加而增大，且与转速平方成直线关系；（3）振动频率为转速频率。由于转子重量较大，不能进行静平衡效验，只能在机组投运后，通过现场动平衡试验解决。
　　2.水轮发电机转子平衡指标
　　2.1水轮发电机组动平衡指标
　　目前水轮发电机组动平衡指标是：《水轮发电机组启动试验规程》DL/T507-2002，对机组振动提出的标准，见表2.1。
　　表2.1水轮发电机组各部位振动允许值（mm，双幅值）

　　其中，发电机导轴承支架水平振动指标与发电机转子平衡指标间接相关。
　　2.2转子不平衡量的评定
　　用什么尺度来衡量一个转子的平衡品质是一个重要问题，一个转子经过动平衡后，不可能把不平衡量完全消除，只能把它降低到许可的程度。转子经平衡校正后剩下的不平衡量称为剩余不平衡量，它的许可值称为允许剩余不平衡量。
　　假定发电机转子大小为G的不平衡质量存在于半径为r、圆周参考角度为α的部位那么他所产生的离心力为：
　　F=Grω2
　　式中ω为旋转角速度。离心力F随着ω的平方而增大，而G和r的乘积称为不平衡量：
　　U=Gr
　　不平衡量是有方向的属于矢量，通常表示为：U=∣U∣∠α
　　为了排除转子质量的因素，工程上也用不平衡度来表示：
　　е=U/M
　　е的物理意义为：转子重心偏离旋转轴线的距离，又称为不平衡偏心距。
　　60年代初，德国工程师提出了下述准则：不论什么转子，当动平衡品质相同时，其轴承的单位动力承压应该相同，即用轴承的单位承压大小作为衡量动平衡品质的出发点，此观点已被国际标准化组织ISO所采纳：同样的动平衡品质，其еω是相同的，因此用еω值来作为动平衡品质的衡量尺度。
　　S=еω
　　S命名为不平衡烈度，从物理概念上理解,它是转子重心的线速度。国际标准化组织(ISO)所定的“刚性转子平衡精度”标准，就是以S值划分精度等级的从0.16～4000mm/s,共分11级,参见下表：

　　当发电机转子不平衡烈度S确定后，在配重半径r上的允许不平衡量的计算公式为：
　　Mper=M×S×60/(2π×r×n)
　　Mper：允许不平衡量kg
　　M：转子重量kg
　　S：转子平衡精度等级mm/s
　　r：配重校正半径mm
　　n：转速r/min
　　2.3实例分析
　　以万家寨电站水轮发电机组动平衡试验结果为例分析如下：
　　万家寨电站水轮发电机组动平衡试验结果：
　　机组编号 配重数量（kg） 上机架振动

　　注：超前轴鉴相点为+
　　万家寨水轮发电机转子重量650T，动平衡配重校正半径5m，以2号机为例：上导轴承支架水平振动0.0956mm，配重380kg，机架振动降为0.0342mm，按此计算：水轮发电机上导轴承支架水平振动0.0956mm,机组额定转速100r/min,机架振动基本满足《水轮发电机组启动试验规程》中不超过0.09mm规定要求，可不进行动平衡效验。
　　依据动平衡校正结果反算：校正重量591kg，校正半径5m,发电机转子不平衡烈度S=47.6mm/s。
　　2号机经动平衡校正后，上机架残余振动幅值降为0.0342mm，剩余不平衡重量为：211kg
　　发电机转子不平衡烈度S=16.9mm/s。
　　经动平衡校正后，万家寨6台180MW水轮发电机组上机架水平振动均降到0.05mm以下。
　　由以上分析可见：按《水轮发电机组启动试验规程》发电机转子平衡精度等级为S=45mm左右（转速100r/min，导轴承支架水平振动0.09mm）。就目前已有水轮发电机组现场动平衡技术将转速100r/min机组，导轴承支架水平振动允许值可降为0.05mm乃至更低。说明大、中型水轮发电机转子动平衡指标从G45提高至G16级是现实可行的。
　　3.水轮发电机组现场动平衡试验技术
　　在现场工作状态的条件下，对其进行振动测量分析并进行平衡校正。大中型水轮水轮发电机组转速一般在100r/min左右（小于200r/min），转子高度与直径比小于0.5（盘状转子），运行中转子本身弯曲变形可忽略，不平衡量不随转速变化，符合刚性转子动平衡条件。
　　3.1三次试重作图法：目前安装公司、机组检修机构多采用此方法。
　　仪器：手持式测振仪或应变测试仪；百分表或千分表辅助监测。
　　工具材料：焊机、焊条、石棉布；配重块、试重块；绘图工具、绘图纸。
　　对机组导轴承支架进行测试，据测试结果，根据经验判断和具体情况分析，确定试重量大小。
　　（1） 按反时针（或顺时针）方向，每次相差120°固定试重块3次。试重块应固定牢固，切忌松脱飞出造成事故。
　　（2） 启动机组到额定转速，待转速稳定后，测量上机架互成90°的两个支臂的水平振动幅值，同时记录上导、法兰、水导等处轴摆度作为参考。
　　（3） 根据三次试重所测上机架水平振动值、作图（四圆法）获得最终平衡配重量大小和方位（见参考文献1）。
　　3.2动态信号相位判别法
　　仪器：笔记本计算机、16bit以上分辨率数据采集器、绝对振动速度传感器、信号转换器放大器、信号记录分析软件、频谱分析（高通、低通、带通滤波分析程序）、轴相位信号（光电、磁电、电涡流传感器）组成的动平衡测试系统。
　　1）变速试验：在50%、70%、90%、100%额定转速时，检测上机架、上导、法兰、水导等部位X、Y两个方向振动幅值。同步测量轴相位信号。
　　2）对检测导轴承水平振动信号进行转频带通滤波，转速平方与振动振幅值成线性关系。
　　3）试重块重量确定：对大中型机组，如导轴承转频振动幅值大于0.05mm,第一块试重量为100kg，第二块试重量视第一次试重结果而定，试重半径取转子上能挂重物最大半径位置。
　　4）根据轴位信号与振动信号相位差测试结果直接确定配重方位。
　　5）进行两次配重试验
　　6）以机架水平转频振动幅值为零为目标，根据试重测试结果计算确定最终平衡重量、方位，固定平衡块。
　　3.3电磁不平衡、水力不平衡及机械不平衡的相互影响分析
　　水轮发电机组的电磁不平衡主要由于定子或转子的椭圆度较大，空气间隙不均匀，以及转子绕组匝间短路产生的磁力不平衡等造成。它们二者与机械不平衡相互影响，共同作用于机组上。
　　当一台机组轴线调整居中，满足规范要求；解决的最有效方法是：通过在发电机转子上配重，消除转子的质量不平衡和磁拉力不平衡。
　　可以把机械不平衡、电磁不平衡及水力不平衡三者的相互影响关系归结为两类：当三者中任意两者的夹角在90度以内时，有相互促进的作用，当三者中任意两者的夹角大于90度时，有相互减弱的作用。
　　正因为三者的相互作用，当水轮发电机组在运行时振动、摆度较大时，可采用综合平衡法进行消除或消减其不平衡力,即以机组在额定出力，额定功率因数下发电机导轴承支架水平转频振动量为零为目标，进行平衡配重，效果更好。
　　参考文献《水力机组现场测试手册》水利电力出版社刘晓亭、李维藩主编

《大、中型水轮发电机动平衡指标和动平衡试验》

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