水轮发电机组转子不平衡智能诊断

刘军 周媛

摘要：水轮发电机组的振动一般是由于机组转子不平衡造成的，开展不轮发电机组转子不平衡诊断是水轮发电机组安全可靠运行的一项重要内容。本文首先介绍了动平衡试验的现象及危害，并分析其原因，提出了相对水轮发电机组转子不平衡智能诊断方案。

关键词：水轮发电机组转子;动平衡; 智能诊断 ;

ABSTRACT： The vibration of hydro generator unit is usually caused by the unbalance of rotor. It is an important content of safe and reliable operation to carry out the diagnosis of rotor unbalance of turbine generator set. This paper first introduces the phenomenon and harm of dynamic balance test， and analyzes its causes， and puts forward the intelligent diagnosis scheme of rotor unbalance of relative hydraulic turbine generator set.

KEY WORDS：Turbine generator rotor; dynamic balance; intelligent diagnosis;

0  绪论

由发电机转子不平衡引起的振动是发电机设计和维护中最关键的问题之一，它产生的动态不平衡力对发电机运行状态有不利影响。发电机的振动会产生很大的噪声，加速发电机轴瓦磨损，严重影响发电机的性能和安全运行。为降低或消除发电机振动，发电机转子的动平衡是转子生产制造过程中必不可少的重要环节。发电机新转子安装好在发电厂运行前，由制造厂在专门设计的平衡机上进行动平衡。动平衡调试工序是一个检查发电机转子结构状态是否合理、质量分布是否均匀的重要步骤，通过必要调整，使转子在整个升速范围内和工作转速时的振动降低至规定限值内。

1  水轮发电机转子不平衡

水轮发电机组的振动有水力、电气和机械三方面的原因，但多数由于发电机转子质量不平衡所引起。因为水轮发电机转子体积大和重量大，由多个部分组成，加工和组装工艺很难保证平衡，也难以进行静平衡试验。转子在静止时并不产生不平衡力矩，当转子以某一角速度旋转时，却会产生一个不平衡力偶。这种不平衡，做静平衡试验也是无法发现的，只有在转子做旋转运动时才会出现，故称之为动不平衡。

1.1动不平衡

发电机转子属于挠性转子范畴。根据动力学理论，挠性转子拥有无穷多个临界转速，各阶临界对应着各自的振型。实际工作中，对发电机转子动平衡来说，一般只需考虑零到额定转速范围内的1阶和2阶临界振型的平衡，只有极少数发电机转子要考虑三阶临界振型的平衡。

发电机转子通过临界转速的振动幅值主要取决于相应的振型不平衡量的大小。由于临界转速附近振动响应比较敏感 ，通常在发电机转子设计时，首先要考虑使转子的临界转速设计值避开工作转速的±lO%。

忽略阻尼是当发电机转子支承在径向刚度各向同性的轴承上时，发电机转子挠曲主振型是繞转子轴线旋转的平面曲线。

不平衡量沿发电机转子轴向的分布是不可预测的，即使是同一类型的两根发电机转子其不平衡量的分布也不相同。对发电机转子来说，不同转速时的平衡校正质量的轴向位置的选择和组合，会严重影响发电机转子的动平衡效果。

通常用振型分量来表示发电机转子不平衡量的分布，每阶振型的动挠度大小取决于该阶振型不平衡量的大小，两者成正比关系。当发电机转子的转速在临界转速时发生共振，振动达到最大。

常用加校正质量的办法将发电机转子初始不平衡量降低到合格范围。每台发电机转子的初始不平衡量都是不一样的，所以添加的校正质量及其在发电机转子上的位置和角度也是不同的。不同类型的发电机转子所需要的校正平面数也是有区别的。

在设计转子时应考虑转子的结构品质;设计平衡槽或平衡块时，应考虑平衡操作的可行性;考虑转子机械结构强度和变形，应说明每个校正面上的配重上限。在进行工装设计时应考虑传感器要易于安装，轴相对振动测点处的轴表面晃度和粗糙度应满足国家标准要求。转子动平衡总装时，各零部件不能有松动。在进行发电机转子动平衡前，首先应该了解发电机转子在工作转速内的各阶临界转速和振型，熟悉每个校正平面的具体位置，并且掌握一定的平衡经验和必要的动平衡知识 。

1.2转子不平衡异常现象

1）机组异常的轰鸣声。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。除声音异常大外，机组上导水平振动偏大，人站在止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、大轴摆度均满足要求的，水导的轴承支架水平、垂直振动、大轴摆度基本均满足要求。

3）机组下导油盆盖迷宫环对大轴瓦裙有明显的“吞食”。

4）机组上导支架水平振动值偏大的危害。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;引起零部件或焊缝疲劳，形成并广大裂缝甚至断裂。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。

2  转子不平衡原因分析

分析水轮机组上机架水平振动偏大，主要从水力、机械和电气三个方面的因素进行，分别对转子的叠加工艺、磁极重量和圆度、发电机气隙、导瓦间隙、导轴承摆度、导轴承机架的水平和垂直振动等数据进行了分析，确定水轮发电机机组振动过大是由于发电机偏心、推力瓦不和镜板倾斜以及转子质量不平衡引起的机械方面振动。

3  智能诊断

随着现代化生产的发展和科学技术的进步，设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。由于许多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种各样故障，以致降低或失去预定的功能，甚至造成严重的以致灾难性的事故。

设备故障诊断的目的是：

能及时的、准确的对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性以及把故障损失降低到最低水平;

保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检查维修制度，以便在允许的条件下，充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用;

通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。

本系统采用有以下几种技术优势：

动态故障仿真：本系统采用动态仿真图动态展示设备的实际传动关系，出现故障时模拟故障现象直观的显示在监测界面。

故障追踪功能：对每个测点不仅可以监测其通频值，还可以监控192个特诊故障频率的趋势，根据实际发生的故障也可专门设定频段及该频段的报警值及危险值做实时追踪。

变工况监测：变工况设备在不区分工况时的趋势分析意義不大，系统可取变工况设备在某一个工况（如某一转速或功率）时的振幅来做趋势分析，这样可以排除变工况影响做故障预测。

阶次分析：无论转速如何变化，可直观的展示各阶次在不同转速下的振动幅值，从而判定各阶次的故障严重程度。

分频伯德图：在常规伯德图不仅只针对单一频率监测的基础上，还可以对任意倍频的伯德图进行精准追踪监测。

极速查找关注图谱：在若干测点（可高达数十条）时间趋势图上点中一个时间点，可以对比这些测点该时间点的时域、频域、各分频、各频段、三维、极坐标、阶次分析等图谱分析功能。

专家智能诊断：专家系统根据设备结构转速确定诊断逻辑模式输入设备资料库;根据诊断知识、故障现象、行业标准、历史趋势、相对比较等针对各类设备、各种故障设置门槛值和诊断权重，智能诊断系统自动得出诊断结论并给出维修建议。

4  结束语

在实际情况应用中，机组振动不可能由单一的动不平衡所引起，电磁及水力影响也会起作用，是一种综合性的因素。智能诊断方法依据充分，是许多水电站水轮发电机组转子不平衡智能诊断方法是值得推广的方法，是能够有效地解决运行中的发电机转子不平衡问题。

参 考 文 献

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