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1、大型水轮发电机规场乎衡的龟侧法及其计算何题华中电亚管逸 局林侠森一、前?由 一? ?峨 ? ? ?关于大 型立 式水轮发电机转子上质量分布木平衡的校正问题,目前国内不少水电机组的安装或运行部门都采用水轮发电机的安装一书介绍的“三点试加重平衡法”。即在转子 同一固定半径的圆周上,相隔? ?“的三点上顺 次加试重块,在额是转速卞分别 厕量上、下机架或上、下导轴承的径向振动值,。 用画圆作图法或查图法确走配童块质量及其安放方位。从水电站现踢的实 践经验 看,“三点试加重平衡法”对手用裔单侧试工具?千分表?解决长径比比较小南转字的平衡问题,是有一定效果的,但对于毋现在 转手垂直截面上的力偶龙平衡向题,
2、尚一无把握解诀。近年来,、 随着高水头?高转速、大容量、?大尺寸机组的不断出现,对于水轮麦电机转子的现塌平衡工艺不仅提出了一些新问题,而且对平衡精度也提出了比较高的要求,因而迫切需要探索新的苹衡工艺、应用先进的测试技术和计算方法来适应技术发展的需要,提高机组的可靠性。本文首先对水轮发电机转子上产生静不平衡和动不平衡的原因进行了分析,指出失衡转子出现静动不平衡的一些特点,进而介绍用电测法确定转子不平衡质量的试验和分析方法,并举 实例说明为校正不平衡应加配重块质量及其安放角的计算向题。据作? 著所知,目前美国一些大电站所应用的水轮贺电机现塌平衡工艺也是基千本文所介绍的理论基础上的【?。二、失衡转子
3、上存 在静、动不平衡的概念众所周知,任何一个物体绕一个固走轴旋转时 都会产生一个离心力。如图?所示,宙?刃毓重朱伞杨产奎的禽心力 当橱袜重鳌为?,啧心在口点,橄角速麓。绕轴线卫方旋转,石点到扮方的距禽为,则滩的渝力尸、共些枷? 无?式中尸一物体重量,圣夕八?粼鸳弋径,。,? ?一岌转角速设,。力加速度,?。为加深对水心机组转子, 上严生不平衡离心力的认识,我石可根命式?计算两个实例。有“台立式水轮发电 机,转子童量了? ?,?,其质心距旋转轴线?二?。叨机组。海速为?。叮。认?即?韶、?,?, 。介?,殉运行中卜生的离心力为?。不平衡禽心力分解到?面上的力为户?,分解到?面上的力为?二。我们再
4、在另一个平行于?面?或?面?的平面口上作一个矢量三角形? 尸。?二,以?尸?。,以? ?二?尸二,连接?二,取中点为?,并作矢量?、?,、? 尸二。一?,一?,二一共扣 再在?面 上把力?,分解为?,和?。,使、 尹声,目?了卜、了、龙?了。同一台机组,假定转子的几何中,。轴线与旋转轴线重合,但存在一个?无?占转子质量的万分之一?的不平衡质量,离旋转轴线?。,就能产生 ? ?无?的离心力。根 据力学原理,运 行中作 用在立式水轮发电机转子 上的不平衡离心力,无论它们如何分布,都可以把 力系分解成两种力?一种力是作用在转子质心处 的不平衡离心 力,此力使转子产生平移运动,它所引起的转子不平衡称为
5、静不 平衡?另一种力不通过质心,而作用在转子的某一垂 直截面上,它是由两个方向相反、大小相等的力组成的力偶,使转动部分产生倾倒力矩,由这二力偶拒引起的转子不平衡称为动不 平衡。在一个失衡的转子上,通常都是既存在静不乎衡又存在动不平衡的,如图?所示。为说明这一问题,我们可研究一 卜 与 图?相对应的图?、设发 电机转子质心在?点,有一个平面?和 一个下平面?均与旋转轴线一?,二节一? 口? 尸?一?今 在?面上把力?二分 解为尸二?和?二,使、了 、,?一?口了?、? 、?争? “?口?,?卜?争 ?二岔二? 尸二。?一卜一的力东图?失衡转子上的静不平衡和动不平衡示意图、吕 ?琢 犷?交,?一戈
6、引昏?图?作用在水轮发电机转子上的力系及其 分解法卫?垂直,并且与?点等距,转子上的各种在式?一?中,?,和?二,是方?句 相同、 大小相等的离心力,并可合成为作用 在质心?的合力? ? ,在此,式二?式,、?式,?此力就是运行 中产生静不平衡的力?离心力加共卜一? ?和尸二组成一对方向相反、大 小 相等的力偶,形成了作用在转子某一 垂直截面 上 的动不平衡力偶矩。应 当指出,静不平衡力的作用 面和动不平衡力偶矩 的作用面大都是不重合 的。从 以上分析可 知,在仅仅存在静不平衡力的转一 子上,采用静平衡方法?即加一个配重块,使其产生的离心 力 通过质心口,并与一? ?,方向相反、大小相等?,就
7、可使转子获得平衡。这是在长径比比较小的?转子上采用“三点试加重平衡法”有一定效果 的原因。但对于存在动不平衡力偶矩的转子?尤其是那些长径比 比较大的转子?,单靠此法来平衡就没有把握了,显然,只有用一对反力偶矩,才能使转子平衡。水轮发电机现踢平衡的实际经验表明,在大多数情况下,失衡转子上都是既存在静不平衡力,又存在动不平衡力偶矩的,因此,常常需要 同时在转子上、下两个平面上?例如,在 转子 支臂的上、下两个平面上?加配重块,并且,上、二弓下两个配重块的质量和方位角?我们称它“配重块 矢量”?也常常是 不 一致的。在此说明一下,质量 本身是标量,在本文里,我们所研究的质量一配重块质量和试重块质量,
8、都同时考虑了它们在转子上的方位角,因而将它们均表示为矢量。对于大型水轮发电机转子,由于其制造和安装方面的原 因,运行中很难保证它的质心正好落在旋转轴线上。通过前面的实例计算也可体会到,即使是已经平衡得很好的转子,如果在转子 上进行过工 作?诸如,更换转子磁极线圈、励磁引线、风扇,改变转子磁辆紧量等?,有可能在投运后出现不平衡。有些校正过平衡的转子,甚至仅仅因运行时间长久些,也会变成 不平 衡,究其 原因,大多由于转子微小变形所致,也有的是由于发电机在热态下 的甩负荷后过速度,导致转子磁扼微小 的径向位移所致。所以说,对于校正过平衡的水轮发电机转子,也并不是都永远不会再出现机械不平衡的。三、确定
9、主轴 上各部振动特性的电测法简介如果把水轮发电机的主轴轴 线看作是一条直线,那么,当转子 旋转时,不平衡质量尔就会把整个转子向与饥有关 的方向拉过去?图凌、?,于 是就引起发电机轴浅的微小转转子子? ,参参匕匕匕? ? ?图?水轮发 电机转子?二的不平衡质量示意图弯曲和上、一?导轴承的径 向振动,而作用于转子 主轴上的激振力?不平衡离心 力?的大小是与主轴的弯曲值以及 上、下导轴承体的径向振动值成正比的,所以,准确测定位于发电机上、下导轴承附近的主轴振动 值?又称摆度值?,或者测定上、下导轴承?或上、下机架中心体?的径向振动值,都可 以作为判断不平衡离心力的参数,但前法检测到的是转子上不平衡力
10、系的直按效应,无疑准确度比较高?而后法常受导轴承结构、油膜刚度等因素的影响较大,因而准确度也比较差。本文介 绍的方法 以测定主轴径向振动值为计算依据。由于引起水轮发 电机在 空载无励磁工况下的主轴径 向振动原因 比较复杂,所 以要注意转子上质量分布不平衡引起主轴振 动的 一些主要特点?,主轴振动特性曲线 的 波形应 是比较规则的正弦波,其相位也应是比较稳定的?振动特性的频率应与机组转频相等?因为主轴振动值大小与激振力?不平衡离心力?成正比,不平衡离心力又与转速平方成正比,所以,主轴振动值应与转 速平方成正比。以上特点,可以供 判断参考之 用。显然,根据电测法得的 波形,是很容易确定是否存在上述
11、特点的。从振动理论可 以知道,失衡转子 的振动是强迫振动,因而其振动相位滞后于不平衡离心力。而水轮发 电机转子 又都属于刚性转子?运行转速通常低于临界转速?,所以可以认为,转子上不平衡离心力合力的 矢量方位与高点方位?即轴颈圆周上 的最大振动点方位?之间存在一个不变的相角差刃,并且。?“?“?,它们的相 互关系如图?、?所示。按以上要求,对主轴振动的 测量就是要测定其频率、振幅 和相位,并要记 录振动的波 形。通常,水 轮发 电机的 测 振,只选用 自振频率在? ?以下的低频测振仪,测 振系统应由传感器、放大器和记录设备三部分组成。最好应用直接记录式示 波器,配 用非接触式位移传感器?如电涡
12、流 式 振 动传感火器?,也有采用应变仪或地震速度转换器等仪器的。测 振时,需要在主轴上选定“个方位?通常取对应于转子?号支臂的方 位?作基准点,在主轴上的该处装上方位讯号发生器?有时,可贴上一条金属片作记 号?,这样,当 这个记号经过 振动传感器时,在示 波图上便会显示一个特征记号,于是,就可定出主轴轴颈圆上最大振动点所处的方位角。关于振动振幅值的标 定,也有应用千分表配合频闪仪的。电测法的优点是能同时准确地确 定主轴上各待测部位的 振动值,并能实现自动记录。在水轮发电机转子上作平衡试验时,传感器 的布置如图?所示。待测部位常有三处,即?上部导轴承处、下部导轴承处、水轮机导轴承处。应当注意,
13、上、中、下兰个传感器要布置在同一个垂直平面上。在此应当说明一下,为简化试验及计算,仅仅把在上、下? ? ? ? ? ? ?转子子 ? ? ? ? ? ? ? ? ?振动振幅值都降到零,故不必同时对三个导轴承处进行平衡计算。还应指出,由于在下导轴承处测振 或进行标定工作都比较困难,而下导轴领下部的主轴段柱面加工光洁度又较差,故常常以测定发 电机主轴法兰柱面的振动值来代替。在美国,作大型水轮发电机平 衡 试验时,所选试重块的质量大约等于机组转动部分质量的 万分之一仁?。照理讲,为抵消不平衡质量,试重块 的安放方位应当是高点的对侧加以相角差?即把高点的 对侧点顺主轴旋转方向转过一个相角差。?。不过在
14、不少情况下。是未知数,故可先假设它是续 ?“,再设法在计算时予以校正。为统一量度基准并且便于计算,在本文 里,我们除了选取转子 上?号支臂的方位作为荃准方位?即。“方位角?以外,并把规定转子上各方 位角均以顺时针方向?即转子旋转方向?为正值,各转子支臂或者轴颈圆上各等分点也均按顺时针方 向依 次编号。,则报告户,立图?测定 主轴 振动时传感器的布置导轴承处测得的主轴振动值作为校正机组不平衡的依据,而把在水导轴承处侧得的主轴振动值作为监视之用,即保证发 电机转子的平衡对水轮机导轴承不产生不良影响。此外,上面所指的“发 电机转子”,实际上常常是与水轮机转轮?有时,还 有励磁机转子?连在户起的,统称
15、为“机组转动部分”,只因为后者的质量远没有 发 电机转子大,并且在安装前一般都作过静平衡,加上,对机组转动部分的乎衡要求也并非一定要把主轴各处四、矢量计算简介在本文后面所介绍 的计算方法里,我们将用矢量来表示不平衡质量,或者用矢量来表示不平衡离心力的 作 用效应主 轴径 向振动值,还将 用到矢量的 四则运算方法,为此,有必要先扼要 地说明一下矢量的计算问题。定义一个矢量,要有两个值?大小和方位角,在同一图 上,各矢量大小的表示,应按统一的比例来量度,矢量方位角的量度,也应相 对于 同一条基准线。例如,有一个矢量?。? ?“迎卫犷,它表示?这个矢量的起点在。点,终点在?点,代表的是长度,矢量的大
16、小?又称矢量的模?是? ?,在平面上处于与基准线成?。角的方位,如图?上的口?所示。矢量的加法和减法应用三角形法则。在图?上,有?,?卜?一备一今 ? ? ?一?。?矢量的乘法和除法计算,基 于 下列法则?臂,以顺时针方向?俯视?旋转。安装后,在各导轴承处测得 的主轴原始振动值如表?所示,试确定配重块质量及安放方位。表?主轴各部原始振动值。试部 位?主轴振动?双倍振幅值?斌?那饥?。?尔仇? ?“奎丝些口上导轴承下导轴承水导轴承?仍 哪八?,乙、?竺型二二,瑞,图?矢量的表示 法两个矢量的乘积仍然是一个矢量,乘积的模等于它们的模的乘积?乘积的方位角等于它们的方位角之和。两个矢量为商仍然是一个矢量,商的模等于 它们的模的商?商的方位角等于被除数矢量与除数矢量方位之差。五、静 平衡严格地说,静平衡法 仅适用
