水輪發(fā)電機(jī)組軸系動(dòng)力特性及軸線精度檢測(cè)方法研究

吳松建（成都天翔環(huán)境股份有限公司，四川成都610300）

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水輪發(fā)電機(jī)組軸系動(dòng)力特性及軸線精度檢測(cè)方法研究

吳松建（成都天翔環(huán)境股份有限公司，四川成都610300）

在水輪機(jī)組的發(fā)展過(guò)程中，最為關(guān)鍵的問(wèn)題，就是水輪機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，水輪機(jī)組的振動(dòng)模式以及穩(wěn)定性是業(yè)內(nèi)人士亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)機(jī)組動(dòng)力學(xué)模型的建立，簡(jiǎn)要的研究了水輪發(fā)電機(jī)組軸系動(dòng)力的特性，以及保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的軸線精度的檢測(cè)方法。

水輪發(fā)電機(jī)組；動(dòng)力特性；軸線檢測(cè)

隨著水電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)作為水電工業(yè)中的重要設(shè)備，也開(kāi)始向大功率、大規(guī)格、復(fù)雜化的方向發(fā)展。而機(jī)組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，使其內(nèi)部集成程度加深，部件之間的聯(lián)系也更為緊密，這無(wú)疑給機(jī)組的運(yùn)維管理提出了更高的要求。而機(jī)組的震動(dòng)及穩(wěn)定性問(wèn)題一直以來(lái)都是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)機(jī)組的理論研究來(lái)加強(qiáng)機(jī)組的實(shí)用性，具有巨大的理論以及應(yīng)用價(jià)值。

1　機(jī)組軸系建模

1.1計(jì)算模型

利用機(jī)組軸系橫向振動(dòng)力學(xué)和響應(yīng)計(jì)算方法［1］，建立起水輪發(fā)電機(jī)組的軸系模型，其主要參數(shù)如下：

（1）導(dǎo)軸承：導(dǎo)軸承長(zhǎng)度L=0.635m，半徑R=0.67m，半徑間隙C=0.0005m；油膜粘度μ=0.033N·s/m2；油膜剛度系數(shù)K=2· 108N/m；阻尼系數(shù)C=4·106N·s。

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L=1.597m，直徑D=2.52m，磁通密度B=7500Gs。

（3）密封：上止漏環(huán)長(zhǎng)度0.091m、直徑1.661m，壓差1MPa、間隙0.0007m；下止漏環(huán)長(zhǎng)度0.105m，直徑1.661m，壓差1.2MPa，間隙0.0007m，上下止漏環(huán)結(jié)構(gòu)都為直通式。

1.2瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算

在上述模型的基礎(chǔ)上。若假定軸系中各節(jié)點(diǎn)沒(méi)有質(zhì)量偏心現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子整體沿x軸初位移為0.01mm，沿y軸初速度為0.52mm/s，軸系中的結(jié)點(diǎn)位移情況在線性油膜力模型如圖1所示，在非線性油膜力模型如圖2所示。由圖可知，線性模型計(jì)算的震蕩軌跡收斂快，非線性模型計(jì)算的震蕩軌跡收斂較慢。造成這種差異的原因在于，線性模型中的油膜力阻尼值以及剛度不變，計(jì)算過(guò)程一直保持較大的油膜力［2］。但就油膜本質(zhì)而言，具有非線性特點(diǎn)，因此在計(jì)算中仍采用非線性油膜力模型計(jì)算。另外在水導(dǎo)軸承位置的震蕩收斂平穩(wěn)后，其它部位仍處于震蕩狀態(tài)，且具一定浮動(dòng)范圍，這種情況是油膜力與不平衡電磁拉力均勻化的效果，在連接關(guān)系的作用下，相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪位置的震蕩幅度也會(huì)降低。

1.3不平衡激勵(lì)響應(yīng)

如果在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子或者是水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不均勻的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生垂直于大軸的徑向離心力，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組的震動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部位發(fā)生質(zhì)量不均勻時(shí)，將會(huì)引發(fā)結(jié)點(diǎn)的不平衡相應(yīng)瞬態(tài)混亂，最終限定與圓形軌跡范圍內(nèi)，是符合不平衡相應(yīng)形式的。另外出現(xiàn)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均勻，會(huì)使法蘭處上方的結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡增大，引發(fā)轉(zhuǎn)輪以及下導(dǎo)軸承的震動(dòng)。在其它條件不變的情況下，適當(dāng)減小導(dǎo)軸承之間的間隙，能夠有效的降低軸系各部位的位移震動(dòng)值，但間隙過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致油膜力供應(yīng)不足。在油膜粘度加大時(shí)，各結(jié)點(diǎn)的震動(dòng)情況將會(huì)降低。導(dǎo)軸承長(zhǎng)徑比增大時(shí)，各結(jié)點(diǎn)震動(dòng)幅值減小，導(dǎo)軸承長(zhǎng)徑比減小時(shí)，各節(jié)點(diǎn)震動(dòng)幅值增大。在勵(lì)磁電流進(jìn)入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，若機(jī)組軸系具有橫向振動(dòng)情況，加之受電磁場(chǎng)影響，在定子和轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生不平衡電磁拉力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子橫向震動(dòng)的幅值增加。因此，為降低不平衡電磁拉力影響產(chǎn)生的震動(dòng)，需要適當(dāng)?shù)膶⒍ㄗ优c轉(zhuǎn)子之間的半徑間隙加大。

鑒于質(zhì)量不均勻?qū)C(jī)組造成的負(fù)面影響，我們必須在機(jī)組安裝時(shí)嚴(yán)格保證軸系的垂直度和同心度，那么對(duì)軸線的精度檢測(cè)就顯得尤為重要。

圖1　線性模型下機(jī)組軸系結(jié)點(diǎn)位移情況

圖2　非線性模型下機(jī)組軸系結(jié)點(diǎn)位移情況

2　立式水輪發(fā)電機(jī)的軸線精度檢測(cè)方法

2.1常規(guī)檢測(cè)方法

2.1.1盤車法

此種方法是最為傳統(tǒng)的軸線測(cè)量方法，利用盤車人為的將機(jī)組的轉(zhuǎn)輪部分轉(zhuǎn)動(dòng)，并用位移傳感器或者是千分表等儀器，對(duì)相關(guān)的測(cè)量部位進(jìn)行擺度值的確定，通過(guò)擺渡值對(duì)軸線出現(xiàn)擺度情況的原因、方向以及大小進(jìn)行分析［3］。另外對(duì)相關(guān)的組合面進(jìn)行人為刮削，從而糾正軸線與鏡面摩擦面，軸線與法蘭組合面的不垂直問(wèn)題，將擺度降至規(guī)范值內(nèi)。這種方法既能進(jìn)行分段逐次的測(cè)量，也能夠進(jìn)行綜合的測(cè)量。盤車法主要測(cè)量的軸線為主軸線、連軸后的總軸線等。

產(chǎn)生軸線和鏡面摩擦面不垂直的主要原因是：推力頭和鏡板之間的絕緣墊厚薄不勻、主軸與推力頭的底面不垂直。常規(guī)機(jī)組的軸線擺度規(guī)范值見(jiàn)表1。

表1　常規(guī)機(jī)組軸線擺度值規(guī)范

除應(yīng)用于發(fā)電機(jī)主軸軸線的測(cè)量以外，盤車法還應(yīng)用于機(jī)組總軸線的測(cè)量中，測(cè)量方法基本與前者相同，但需要在水導(dǎo)軸頸位置增加一對(duì)千分表，用來(lái)對(duì)水導(dǎo)處的擺度進(jìn)行測(cè)量。利用測(cè)量出的數(shù)據(jù)計(jì)算出軸線與主軸法蘭結(jié)合面不垂直所產(chǎn)生的軸線曲折，了解軸線狀態(tài)。在軸線曲折極小而擺度又大的情況時(shí)，可以將推力頭底面或者是絕緣墊進(jìn)行部分刮削，以達(dá)到調(diào)整的效果，若經(jīng)過(guò)此種處理后擺度值仍不正常，還需對(duì)法蘭結(jié)合面進(jìn)行處理。

2.1.2鋼琴線重錘耳機(jī)法

將鋼琴線懸掛于大軸的中心點(diǎn)，計(jì)算出大軸的垂直度、旋轉(zhuǎn)中心以及軸擺度，這種方法通常運(yùn)用于大型的機(jī)組軸線測(cè)量中，其測(cè)量難度較大，但對(duì)了解軸線狀態(tài)、分析調(diào)整軸線十分有用［4］。此種方法所需要用到的工具主要有：鋼琴線、求心器、耳機(jī)、內(nèi)徑千分尺等。利用求心架將求心器固定，用求心器對(duì)鋼琴線的位置以及高度進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)用具有一定重量的重錘繃緊鋼琴線。測(cè)量時(shí)，將四條專用于垂直測(cè)量的環(huán)帶，分別布置在水輪機(jī)軸以及發(fā)電機(jī)軸的法蘭內(nèi)堂口位置，然后在軸心懸掛鋼琴線一根，在軸的360°位置內(nèi)，用千分尺測(cè)量出四條環(huán)帶與鋼琴線的距離，從而確定大軸是否垂直［5］。

2.2傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端

盡管盤車法以及鋼琴線重錘耳機(jī)法在實(shí)際的軸線精度檢測(cè)工作中得到了廣泛的認(rèn)可以及應(yīng)用，但在某些方面仍存有缺陷：

2.2.1效率不高

例如，在利用盤車法進(jìn)行軸線精度測(cè)量時(shí)，需要在盤車時(shí)準(zhǔn)確的停留在之前設(shè)置的8個(gè)等分測(cè)點(diǎn)，且每個(gè)測(cè)點(diǎn)都需要相關(guān)的設(shè)置人員對(duì)盤車情況進(jìn)行監(jiān)視記錄，準(zhǔn)確填寫千分表的變化情況。而鋼琴線重錘耳機(jī)法則為了更大程度的保證測(cè)量值的進(jìn)度，需要不斷地對(duì)鋼琴線進(jìn)行找正工作，并反復(fù)測(cè)量。所以利用這兩種方法進(jìn)行軸線精度測(cè)量時(shí)，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間以及精力，檢測(cè)效率難以提高。

2.2.2精度值不高

例如鋼琴重錘耳機(jī)法主要的測(cè)量方式，是人工接觸，而在人工設(shè)置的過(guò)程中，往往存有一定的誤差，同時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中如若某部分零件出現(xiàn)振動(dòng)情況，都會(huì)直接影響到鋼琴線的位置，造成最終測(cè)量結(jié)果的偏差。而盤車法同樣具有這一問(wèn)題，由此看來(lái)，這兩種傳統(tǒng)方法，雖然應(yīng)用廣泛，但就精確度而言卻具有極大的不穩(wěn)定性，測(cè)量受外界以及人工方面的影響極大，不利于得到準(zhǔn)確的軸線值。

2.3新型測(cè)量方法

結(jié)合目前大力推廣的新型軸線精度測(cè)量方法，直線度測(cè)量法，從實(shí)際運(yùn)用方面出發(fā)，本文將介紹一種準(zhǔn)確率高、操作方便、快捷的新型機(jī)組軸線精度檢測(cè)方法，為提升機(jī)組安裝效率以及安裝質(zhì)量創(chuàng)建新思路。具體測(cè)量方法如下：

（1）準(zhǔn)備四根符合抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的鋼琴線或者其它金屬線，要保證其不會(huì)彎折，一個(gè)重量能夠?qū)撉倬€或金屬線拉直的重錘，以及四個(gè)用作阻尼介質(zhì)的油盆。

（2）準(zhǔn)備一個(gè)符合測(cè)量需求的CCD位置測(cè)量?jī)x器，現(xiàn)在CCD位置測(cè)量?jī)x器的精度普遍高于0.01mm，完全能滿足安裝找擺的精度要求。

（3）對(duì)推力瓦受力進(jìn)行調(diào)整并利用水平儀將鏡板保持在水平位置。

（4）將推力頭以及下導(dǎo)軸瓦之間的間隙調(diào)整在0.02～0.05mm之間，并鎖定下導(dǎo)軸頸，保證其位于軸線中心，能作為軸線基準(zhǔn)中心位置使用。

（5）在主軸圓周的x軸以及y軸的四個(gè)方位上均勻布置四根懸有重錘的鋼琴線或金屬線，將重錘放入油盆，再將油盆放于頂蓋，確保測(cè)量的統(tǒng)一。

（6）測(cè)量全過(guò)程保證主軸屬于自由狀態(tài)。

（7）利用CCD測(cè)量?jī)x器對(duì)機(jī)組的發(fā)電機(jī)下方、水導(dǎo)軸承、法蘭上方等位置進(jìn)行四個(gè)方向的測(cè)量，得出其與主軸面的距離。

（8）最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析出軸線的垂直度以及擺度大小。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)情況多數(shù)是由于機(jī)組本身制造和安裝產(chǎn)生，而內(nèi)在的機(jī)理情況是依據(jù)軸系的動(dòng)力學(xué)特性而定的。機(jī)組的振動(dòng)情況以及振動(dòng)軌跡，僅僅是動(dòng)力學(xué)特性的外在形式。要從根本上保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，就需要以動(dòng)力學(xué)入手，充分了解其內(nèi)在信息，繼而進(jìn)行有針對(duì)性的故障診斷和機(jī)組安裝。通過(guò)不斷的更新改進(jìn)現(xiàn)有的故障診斷、機(jī)組安裝等方面的方法，促進(jìn)水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的長(zhǎng)足穩(wěn)定發(fā)展。

［1］林祖建，張祥彬，陳國(guó)棟，關(guān)英波.混流式水輪發(fā)電機(jī)組軸系動(dòng)力特性分析［J］.電力與電工，2011，03（02）：118～122.

［2］喬衛(wèi)東，馬 薇，劉宏昭，李郁俠.基于非線性模型的水輪發(fā)電機(jī)組軸系耦合動(dòng)力特性分析［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2010，03（13）：312～315.

［3］成本良，劉向陽(yáng).懸吊式水輪發(fā)電機(jī)組軸線測(cè)量、分析及處理［J］.小水電，2010，06（07）：45～49.

［4］唐策乾.立式水輪發(fā)電機(jī)組檢修中中軸線找正研究［J］.科技與企業(yè)，2014，14（16）：371.

［5］王春旭.水電站水輪發(fā)電機(jī)組軸線檢查及調(diào)整［J］.黑龍江科技信息，2014，24（18）：86～88.

吳松建（1984-），男，漢族，工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)備制造工作。

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2095-2066（2016）10-0039-02

2016-3-8