铁城水电站1#发电机组上导\下导摆度异常增大的原因分析及处理

摘 要：铁城水电站1#机组自投产以来，前期运行正常，随着运行时间的增长，发电机上导、下导摆度越来越大，经多次处理，仍没改观。后经转子动平衡试验、分析找出了机组上导、下导摆度增大的原因，提出了相应的处理办法。

关键词：水轮发电机组导轴承摆度动平衡试验处理

中图分类号：TV734文献标识码： A

0前言

铁城水电站位于大通河下游甘肃省永登县境内，电站安装3台14.5MW和1台8MW立式混流式水轮发电机组，电站总装机容量51.5MW。水轮机型号为HLJF3017－LJ－182，额定出力15.11MW，设计水头为56m，最低水头49.03m；发电机型号为SF14.5－20/4250，额定容量17.058MW，发电机额定电压10.5kv，额定转速300r/min，飞逸转速620r/min，功率因数0.85（滞后）。1#机组自2008年4月投产发电以来，前期运行工况良好，随着运行时间得增长，发现发电机上导和下导摆度逐渐增大。后对上导、下导轴承分解检查发现，上导和下导轴承间隙不均匀增大，最大达到1.5mm，轴瓦背垫块严重损坏。更换瓦背垫块后，再次投运，现象和以前一样，原因不明。严重的影响了机组的安全运行和电站的发电效益。为了尽快查明原因，于2008年5月18～23日对机组进行了动平衡试验，通过试验分析，弄清了故障原因，对机组存在的动不平衡问题进行了处理，并对通过试验不能解决的安装缺陷提出了下一步处理建议。

1试验情况简介

1.1试验仪器

水机振动测试分析仪，3300和7200型电涡流位移传感器、DPS和MLS型低频振动传感器、3277型压力传感器等，均由甘肃省电力科学研究院提供，设备均在鉴定有效期内。

1.2测点布置

振动测点：上机架水平振动＋X、＋Y各1点，上机架垂直振动＋Y方向1点；下机架水平振动＋X、＋Y各1点、顶盖水平和垂直振动各一点（方向均在＋Y）。

大轴摆度：发电机上导、下导摆度＋X、＋Y方向各1点，水导摆度＋X、＋Y各1点。

压力脉动：蜗壳、顶盖、尾水管水压脉动各一点。

机组转速（键相）：方向在水导＋Y方向。

1.3试验依据

根据国标GB/T17189-1997《水力机械振动和脉动现场测试规程》相关规定和“铁城电站1#机振动试验大纲”进行。

2试验及结果分析

2.1 水轮发电机组各部位振动允许值见表1

表1单位：mm

2.2 变转速 变励磁、变负荷试验及分析

变转速试验是为考查机组动平衡特性进行的试验，如果机组转动体（主要是发电机转子）存在质量不平衡，则机组上机架和下机架的水平振动幅值将随机组转速的升高而增大，其一倍转频幅值与转速的平方成正比关系。变励磁试验是考查发电机电磁力平衡状态的试验，如果发电机存在电磁力不平衡，则励磁电流增加，上下机架的振动和大轴摆度值将增大。变负荷试验的目的是考察机组在旋转体质量力、发电机电磁力和水轮机水动力综合作用下的稳定性特性，但主要考察水力因素对机组运行稳定性的影响，如果机组振动特性随负荷升高而变差，这主要是水力特性不好所至。

为了全面了解机组的整体稳定性状况，我们先按常规试验方法进行了变转速、变励磁和变负荷试验。见数据表2、数据表3。

表2铁城水电站一号机变转速、变励磁试验数据表

备注 表中振幅单位为μm，水压脉动单位为kPa

从表2知道，机组转速从111r/min逐渐升高到额定转速300r/min时，上机架、下机架水平振动值和上导、下导摆度值也逐渐增大，其中上机架＋X方向水平振动转频幅值从2μm增加到17μm，上机架＋Y方向水平振动转频幅值从3μm增加到22μm，通频幅值在额定转速时分别为27μm/+X和22μm/+Y，未超过标准允许值（规定不大于70μm）；下机架＋X方向水平振动转频幅值从4μm增加到21μm，下机架＋Y方向水平振动转频幅值从5μm增加到31μm，通频幅值在额定转速时分别为92μm/+X和142μm/+Y，超过了标准允许值，这说明发电机转子存在动不平衡。

由表2变励磁试验数据（列于表2右栏）知道，发电机励磁电流增加，即发电机端电压升高时，上、下机架的水平振动值和上导、下导摆度值变化不大，1倍频相位也基本未变，这说明发电机的电磁力平衡状态良好，机组动不平衡主要是由转子的质量不平衡所致，应通过动平衡试验改善之。

表3铁城水电站1#机配重前变负荷试验数据

备注 表中振幅单位为μm，水压脉动单位为kPa，相位角单位为 º

由表3的变负荷试验数据表明，该机组的水力稳定性也不太好，而且是中高负荷稳定性较差，具体运行稳定状态可粗略分成三个区，小负荷稳定运行区（0～5.5MW）、中负荷振动区（5.5～12.5MW）和高负荷稳定运行区（12.5MW以上），而且三个状态下振动特性不固定，间歇性的忽好忽差，运行安全受到威胁。除上机架水平振动、下导和水导摆度值满足标准要求外，下机架水平振动值、顶盖水平和垂直振动值在大部分工况均超过了标准要求值，上机架垂直振动在9.5MW工况也超过要求值。

2.3 综合分析

从以上试验数据分析知道，首先机组存在由发电机质量失衡引起的动不平衡。表4是发电机转子圆度测量偏差值，从测量值知道转子质量中心与旋转中心不重合，而且偏移较大，从试验测量的振动相位和转子磁极编号核对可知动不平衡力的方位与转子质量中心偏移的方位吻合，如示意图1所示，测得不平衡力方位在1号磁极附近。第二，从上导上部和上导下部摆度相位、下导上部和下导下部摆度相位可知导轴承上、下部位摆度相位不一样，这说明该机组轴线不好，这是引起该机组运行状态差的另一主要原因。第三，上导瓦由于受力过大而瓦背面垫块普遍损坏，但上机架水平振动幅值并不大（以前电站用百分表测量的上机架水平振动和上导摆度值与我们试验测量结果基本一致），这是因为上机架刚度大、四个支腿千斤顶预紧力大造成的，转动部件传来的不平衡力几乎都消耗在导轴承上。第四，试验测得的下导摆度值并不大，但下机架水平振动却很大（转频幅值小，低频幅值大），分析下机架支腿固定螺栓有松动现象，但需经过检查确认。下导瓦垫块损坏，除与动不平衡有关外，还与轴线不太好密切相关。因为调整下导瓦间隙时没考虑盘车摆度值，而均匀调整了上导、下导、水导瓦间隙，这样就造成了上导、下导、水导三个轴承不同心，轴承受力状态变差。

表4铁城一号机发电机转子圆度测量数据单位：0.01mm

图11#机磁极挂装偏心示意图

2.4 动平衡试验

动平衡试验共进行了七次，第一次在发电机转子上端加了11kg重块，第二次在同一位置又加了9.5kg重块，第三次在同一位置又加了5kg重快，三次总计加了25.5kg，此时振动特性已明显改善。在额定转速时，上机架＋X方向水平振动转频幅值从17μm减小到4μm，＋Y方向水平振动转频幅值从22μm减小到4μm，下机架＋X方向水平振动转频幅值从22μm减小到14μm，＋Y方向水平振动转频幅值从33μm减小到21μm，上导和下导摆度也均明显减小。因为此时下机架水平振动值仍大于标准要求值，故又进行了几次试配重试验，第四次在转子上端同一位置又加了6.3kg重快，后测量值显示，上、下机架水平振动值和上导、下导摆度值变化很小，但水导摆度值有增大趋势，所以决定从已加配重中取掉2.8kg，然后在转子下端加了11kg重块，目的是减轻下导和水导轴承受力，但开机试验发现，除水导摆度和顶盖水平振动值有所减小外，其它各部位振动摆度值都增大了，但这从另一角度说明说了转子质量不平衡力的方向与主轴曲折的方向不同向，很难用配重方法减小下导和下机架振动值，经综合分析，取掉第四次及此后加的配重块，只在转子上端保留25kg重块。

图2是各次配重后在额定转速额定端电压时的振动摆度转频幅值。

2.5 动平衡后变负荷试验分析

动平衡试验完成后，再次做了变负荷试验，图3是根据变负荷试验数据绘制的机组振动、摆度和水压脉动通频幅值随机组功率变化的趋势曲线。

试验数据显示1#机动平衡后，顶盖水平振动值除个别工况（空载和8.2MW）外满足标准要求，顶盖垂直振动值、上机架水平振动值和垂直振动值在全部试验工况均满足标准要求。据提供的安装资料知，1#机上导、下导和水导轴承安装间隙值均为300μm（双边），各部位摆度值均小于标准要求值（不大于75％安装间隙值）。下机架水平振动值超过标准值较多，但该值主要是低频分量，没法用动平衡解决。各部位水压脉动值，在小负荷较大，随着负荷升高逐渐减小。

2.6存在问题分析

1#机通过动平衡试验，改善了振动特性，机组能稳定运行，但试验数据显示，机组轴线不好，加上导轴承间隙调整不合理，稳定行特性有可能慢慢发生变化。1#机动平衡合格（上、下机架水平振动转频幅值很小）的条件下带负荷运行时，水导和上导瓦温度50 ºC以下，下导瓦温度超过了50ºC，这说明下导轴承所受的载荷偏大，这是轴承间隙调整不合适造成的。导轴承间隙不合适，对机组运行稳定性影响很大。另外，下机架水平振动通频幅值比较大，而且是低频分量占主要成份，可测得的各部位水压脉动低频分量却很小，也就是说，引起这个低频振动的原因尚不清晰。

3结论和建议

3.1 造成一号机主轴摆度大的主要原因，是发电机转子的动不平衡和轴线不正。通过动平衡试验，虽然减小了振动和摆度值，改善了机组的振动特性，使机组目前在振动区外的其它工况能安全稳定运行，但轴线问题会促使机组稳定性状态慢慢发生变化。

3.2在试验水头条件下，1#机除6.3～10.1MW振动区不宜运行外，空载至6.3MW和10.1MW以上负荷可以稳定运行，但水头变化时振动特性将会发生变化。

3.3 在机组轴线无法改变的条件下，建议找机会对1#机上导和下导轴承间隙重新进行调整，使轴承间隙符合实际轴线条件，即与实际盘车轴线相适应，并适当放大下导轴承间隙，而且要保证三导轴承和水轮机迷宫同心。

3.4 建议仔细检查下机架支腿固定螺栓和定位销子，看有无松动和移位，找出下机架低频振动幅值大的原因。核对并标明导轴承每块瓦的温度测量系统，为借助轴瓦温度分析轴承受力情况和调整轴瓦间隙提供帮助。

3.5 如要彻底解决1#机振动问题，必须拆机进行重新安装。因为质量不平衡问题可以通过动平衡试验解决，但因轴线不好造成的振动无法用配重解决。

3.6 以后机组不管是大修，还是局部检查调整，必须依据相关规程、规范等的要求，认真做好记录，以便日后帮助分析可能出现的故障。