中小型立式水轮发电机转子动平衡分析
摘要
转子动平衡试验首先要有振动测试条件，振动测试方法大体有三种：百分表测振法；应变梁测振法；拾振器测振法。目前中小型水电站对发电机转子进行动平衡的常用方法即三次试加重法。
关键词 水轮发电机转子 动平衡 三次加重法
中图分类号 TK730.8 文献标识码 B
一、水轮发电机组振动与动不平衡
立式水轮发电机组的振动，虽然说有水力、电气、机械三方面的原因，但是多数是由于发电机转子质量不平衡所引起的。因为水轮发电机转子体积大、重量也大，由多个部分组成，加工、组装工艺很难保证平衡，并且也难以进行静平衡试验，即使做了静平衡试验也难以保证动平衡。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。
二、动平衡试验条件
转子动平衡试验首先要有振动测试条件，振动的测试方法大体有三种：百分表测振法；应变梁测振法和拾振器测振法。这中间第一种方法各电站都具备条件，就是用桥机吊着静止重物，重物上吸一只带有磁力表座的百分表，表的量杆垂直顶在被测物上。要选择适当重量的试重块，选择试重块的重量时，应使机组振动大小比原来有显著区别，但为避免发生剧烈振动，也不宜加得太重，一般可根据在额定转速下，该试重所产生离心力的允许值而定，也可以根据机组振动值的大小来确定。
1．确定试加重块的重量
按试加重块所产生的离心力，约为发电机转子重量的0.5%~2.5％来确定试加重块的重量。
P=[(0.5~2.5)Gg]/Rn2 ,N
式中 P一试加重物的重量，N
G—发电机转子重量，N
g一重力加速度，cm/s2
R—试加重块固定半径，cm
n—额定转速，r/min
对低转速机组，式中的0.5%~2.5％取小值，对高转速机组，则取大值。
2．使试加重块产生的离心力约为实际最大不平衡力的一半，而最大不平衡力在试验前是难以确定的，可大致按每增加转子重量的1％的离心力，其振动增加0.01mm的关系来决定试加重块的大小，即：
式中 P一试加重物的重量，N
μ—机组未加试重时的最大振幅值，mm
G—转子重量，kN
g一重力加速度。cm/s2
R—试加重块固定半径，10-2mm
n—额定转速，r/min
这个公式比较适合高转速机组。
三、动平衡试验方法
三次试加重法是水电站对发电机转子进行动平衡的常用方法。在机组无励磁空转时，测量机组振动，若机组振动过大，超过规定的允许值时，应进行动平衡试验。
三次试加重法就是顺序地在发电机转子的同一半径互成120°的三点逐次加试重块，分别启动机组至额定转速，并测记轴承所在机架各次的振幅值连同未加重所测得的振幅值共四个值，根据这四个振幅值求出转子存在的不平衡力和方位。
然而，在实际工作中，往往由于转子本身条件限制，在同一平面、同一固定半径上，很难精确分出互成120°的三等分，所测的振动值必然出现误差，有时导致无法按公式计算出应加配重块的重量，例如：表1数据是湖北省恩施州天楼地枕水力发电公司于2006年9月3日动平衡试验数据。
根据公式计算试加配重产生的振动值μP应为：
式中μP—试加配重产生的振动值
μ1—第一点试加配重产生的振动值
μ2—第二点试加配重产生的振动值
μ3—第三点试加配重产生的振动值
μ0一原始振动值
但是将所测得的振动值代入上式后、继续开方无意义，原因就在于，其一是所选取的试重块偏小，其二是所选取的试重块固定点由于条件限制，既不在同一平面，也不在同一半径，试验转子磁极个数为10，没办法分成均等的三等分来固定配重块，根据现场条件只好将不在同一平面和同一半径的风扇螺孔也作为固定点。鉴于此，依照公式来求配重块固定角α
(μ1为最大振动值）：
求得的固定角α，未必在现场有固定条件，依照上述试验数据，在振动最小值向中间值偏移60°这个范围内找到合适的试重块固定点，测得振动值为0.028mm，按照在额定转速下，转子上不同的不平衡离心力反映在承重机架上就能测出相应的径向振动值。对同一机组，振动值大小与不平衡力的大小成正比，即μ0：μ1：μ2：μ3=P0：P1：P2：P3，根据这一关系有：5.2：P0=2.8：(P0-2.5)，据此求出试加重块P0=5.42kg。
将2.5kg试重块换成5.42kg永久配重块固定可靠后，最后测得的振动值为0.007mm，符合现行规程GB/T 8564-2003要求，相当理想。
四、结论
在实际情况中，机组振动不可能由单一的动不平衡所引起，电磁及水力影响也或多或少地起作用，是一种综合性的因素。无论采取哪种方法，都会产生计算误差，其值与其他方面干扰的大小及所测数值的精确度有很大关系，也不可能完全消除振动现象。此种动平衡试验方法，虽然有些偏离理论计算，但是依据充分，是许多中小水电站值得借鉴的方法，相比大中型电站而言，中小型电站技术力量薄弱，实地测试条件相对较差，虽然试验测试中可能次数多一点，但是仍然能够有效地解决运行中的发电机转子不平衡问题。
