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摘要：电站技术改造后，重新整合有可能会引起振动，需要通过多方面地进行分析，采取有针对性的措施来降低机组的振动，对水轮发电机机组的安全稳定运行有着重要的意义。本文以陆河县南万镇合水水电站为例进行探讨，说明了机组的相关参数和电气试验，综合多方面因素来对水轮发电机机组在改造后发生的振动异常问题进行解决。
关键词：水轮发电机;振动;电气试验;轴线;动平衡;分析
0 引言
我市大部分水电站始建于60、70年代，由于当时的技术条件，水轮机等设备超负荷运行至今，且设备零件已短缺，造成许多设备无法正常运行。随着我国的经济发展，小型水电站技术改造项目提到日常议题。在水电站的运行当中，水轮发电机机组发挥了重要的作用，因为各种原因，经常需要对其进行改造施工，但是在改造完成后容易出现振动问题，如何找到振动的起因并从多方面来解决振动问题成为了工作人员需要解决的问题。下面结合实例对此进行讨论分析。
1 概述
合水水电站的水轮机组在更新改造的时候对转轮水力功能进行了升级转换，改造后的转轮结构与原来不同，叶片个数发生变化，径向方向正负差值增加;这些变化致使机组安装后振动大、摆度大。涉及原因十分多，主要是部件的变更和重新装配，改变了机组固有频率，从而引起振动。根据经验确定如下处理方案：对转子做电气试验，检测磁拉力，调整气隙间距;机械方面入手，转子外圆同轴度的测量和修正;对机组联轴后轴线进行调整分析;现场整体做低速动平衡试验，增减平衡块，从外因上减小振动，降低轴瓦温度。
2 机组相关参数
水轮机基本参数如下：额定转速ns=300r/min，机组转环直径Dh=700mm，联轴法兰直径Df=480mm，转环至法兰长度Lf=3 150mm，转环至水导轴承长度Ld=5400mm。按照《水轮发电机组安装技术规范》（GB 8564-1988）的规定，250～350r/min的机组，发电机上、下导轴承处轴颈及法兰处允许的相对摆度为0.02mm/m，水导轴承处轴颈允许的相对摆度为0.04mm/m。故对于本机组，法兰处允许最大摆度为φb=3.150×0.02=0.063mm，水导允许最大摆度为φc=5.400×0.04≈0.22mm。
3 电气试验
3.1 转子各状态时交流阻抗测量
（1）在静止状态下，主出线短路时的交流阻抗如下所示（见表1）。
表1 主出线短路时的交流阻抗
（2）在静止状态下，主出线开路时的交流阻抗如下所示（见表2）。
表2 主出线开路时的交流阻抗
（3）主出线短路，在各导叶开度下，动态交流阻抗如下所示（见表3）。
表3 动态交流阻抗
（4）主出线短路，在导叶开度28%的条件下升高转子电压如下所示（见表4）。
表4 转子电压
从上述测试数据来看，未发现磁极有匝间短路现象，故排除电气原因引起振动。由于定子、转子间隙只有3mm，从转子外圆直径方向看，出厂前加工尺寸已是设计值的公差下限。如果定子有圆度偏差或定转子的同心度存在偏差，将会造成磁场拉力分布不均匀，从而产生振动。鉴于目前转子圆度已很好，下一步调整定子的圆度和同心度是关键。
4 转子各配合档及外圆同轴度的测量和修正
将发电机转子返厂定位在12m卧车上，测定推力头档和法兰止口数据后，发现下导滑转子外圆和转子外圆确有偏心，重新加工处理;其中编号5、6、7、8极没有车出，4、9极刚擦到，其余极车去最大0.4m。目前尺寸为φ1423.6mm，滑转子外圆重新加工。
5 机组轴线的测量及调整
5.1 发电机单盘车时主轴轴线的测量
对发电机主轴轴线进行测量，检查主轴与镜板的不垂直度，测出它的大小数值和方向，便于通过有关组合面的处理，使各部位摆度符合规范要求（见表5）。在上导轴颈及法兰（或下导）处，沿圆
周均匀划8等分线，上、下两部位的等分线均在同一方向上。根据表1数据得上导处的全摆度：
φa5-1=-1-1=-2、φa6-2=-2-1=-3
φa7-3=-1-1=-2、φa8-4=0-0=0
法兰处的全摆度：
φb5-1=0-（-12）=12、φb6-2=8-（-24）=32
φb7-3=-1-（-19）=18、φb8-4=-7-（-11）=4
法兰处的净摆度：
φba5-1=12-（-2）=14、φba6-2=32-（-3）=35
φba7-3=18-（-2）=20、φba8-4=4-0=4
如果没有其他因素干扰，则法兰8点净摆度数值是1条正弦曲线，并可以在正弦曲线中找到最大摆度及其方位（见图1）。但在这次测量中，有许多其他因素干扰，使正弦曲线不规则。第一次正弦曲线发生较大变化，说明数值不可靠。有两种原因导致：一是测量错误，二是盘车时轴线发生变化。在排除测量错误后，发现推力卡环有松动，紧固后重盘车得到表1数据，并绘出法兰净摆度坐标曲线，此图基本上为正弦曲线，最大摆度在“6”点，其值为：j=φba6-2/2=0.035/2=0.175mm。
图1 法兰净摆度坐标曲线
5.2 绝缘垫的刮削量
轴线的处理方法是刮削调整推力头与镜板之间的绝缘垫（也可加薄铜片）（见图2）。根据2个三角形相似，最大刮削量：
式中，δ为绝缘垫或推力头底面的最大刮削量;φba6-2为法兰处最大净摆度;D为转环直径;L为转环至法兰的距离。
表5 发电机组单独盘车记录 0.01mm 沿绝缘垫最大摆度方向做一中心线，按此中心线等分6个刮削区（见图3），再按比例确定每一刮削区应刮削的厚度。1区为0.036、2区为0.03，以此类推，最后2处不刮削，而用细沙布修磨。刮垫后再次盘车，法兰净摆度：φba5-1=0、φba6-2=-1、φba7-3=-3.5、φba8-4=-2.5。对照规范要求，法兰摆度值已在允许范围。
5.3 联轴后盘车时主轴轴线的测量及调整
根据联轴盘车数据作出法兰和水导的净摆度曲线，并用前述方法计算出最大摆度值和方向。发现法兰最大摆度方位在7点，摆度值φba=0.02mm，水导轴颈的最大摆度方位在2点，摆度值φca=0.7mm（见图4）。二者不在同一方向，说明轴线有立体曲折，从转环到法兰偏向7点，从法兰到水导折向2点。根据规范要求，法兰摆度合格，水导摆度超标，需要调整。这也是设备安装和检修中，发电机单盘车后经常碰到的情况。水导摆度超标，可以在法兰接触面加薄铜片进行处理。加垫后盘车，水导净摆度为φca1-5=2、φca2-6=8、φca3-7=12、φca4-8=10，均在允许范围内，从而完成了轴线调整。
图4 轴线曲折示意
6 现场动平衡
当通过轴线的调整后，该机组的振动大幅度降低，但是还没有达到规范要求，此时需进行平衡试验;即在转子的风扇环位置加上或减去一定数量的平衡块，来减少转子的惯性主轴与旋转轴线的偏离，使转子系统的振动降到容许范围内。平衡的作用就是减少转子的挠曲、降低机组的振动并减少轴承及基础的动反力，保证机组安全平稳可靠的运行。具体方法是将传感器安装在轴承座上，测量水平、垂直方向的振动值。此外在轴上还需要作一个标记，此标记通过光电传感器时，产生一个电压脉冲;此脉冲作为相位的参考标记，便于确定安装配重的角位置。将振动、相位信号分别接入EN—900振动监测故障分析仪器进行智能数据采集，并使用其自带的动平衡软件进行分析，得到配重大小和方位如下所示（见图5、表7）。二次动平衡后，振动值合格。
表7 机组现场转子动平衡试验数据
7 结语
综上所述，对水轮发电机机组的振动进行分析处理时，可以先采用电气试验，再分析转子的圆度或定转子的同心度是否存在偏差而造成的磁场拉力分布不均匀，引起振动，观察轴线的情况，找出原因然后针对实际情况采取相应的措施，最大限度的处理水轮发电机机组的振动问题。
参考文献：
[1]姚泽，郭芸，黄青松，徐广文.高转速水轮发电机组振动故障分析与动平衡优化处理[J].大电机技术，2010年第6期.
[2]姚泽，黄青松，徐广文，阚伟民.枫树坝电厂增容改造后机组振动故障处理[J].水电能源科学，2010年第2期.
关键词：水轮发电机;振动;电气试验;轴线;动平衡;分析
0 引言
我市大部分水电站始建于60、70年代，由于当时的技术条件，水轮机等设备超负荷运行至今，且设备零件已短缺，造成许多设备无法正常运行。随着我国的经济发展，小型水电站技术改造项目提到日常议题。在水电站的运行当中，水轮发电机机组发挥了重要的作用，因为各种原因，经常需要对其进行改造施工，但是在改造完成后容易出现振动问题，如何找到振动的起因并从多方面来解决振动问题成为了工作人员需要解决的问题。下面结合实例对此进行讨论分析。
1 概述
合水水电站的水轮机组在更新改造的时候对转轮水力功能进行了升级转换，改造后的转轮结构与原来不同，叶片个数发生变化，径向方向正负差值增加;这些变化致使机组安装后振动大、摆度大。涉及原因十分多，主要是部件的变更和重新装配，改变了机组固有频率，从而引起振动。根据经验确定如下处理方案：对转子做电气试验，检测磁拉力，调整气隙间距;机械方面入手，转子外圆同轴度的测量和修正;对机组联轴后轴线进行调整分析;现场整体做低速动平衡试验，增减平衡块，从外因上减小振动，降低轴瓦温度。
2 机组相关参数
水轮机基本参数如下：额定转速ns=300r/min，机组转环直径Dh=700mm，联轴法兰直径Df=480mm，转环至法兰长度Lf=3 150mm，转环至水导轴承长度Ld=5400mm。按照《水轮发电机组安装技术规范》（GB 8564-1988）的规定，250～350r/min的机组，发电机上、下导轴承处轴颈及法兰处允许的相对摆度为0.02mm/m，水导轴承处轴颈允许的相对摆度为0.04mm/m。故对于本机组，法兰处允许最大摆度为φb=3.150×0.02=0.063mm，水导允许最大摆度为φc=5.400×0.04≈0.22mm。
3 电气试验
3.1 转子各状态时交流阻抗测量
（1）在静止状态下，主出线短路时的交流阻抗如下所示（见表1）。
表1 主出线短路时的交流阻抗
（2）在静止状态下，主出线开路时的交流阻抗如下所示（见表2）。
表2 主出线开路时的交流阻抗
（3）主出线短路，在各导叶开度下，动态交流阻抗如下所示（见表3）。
表3 动态交流阻抗
（4）主出线短路，在导叶开度28%的条件下升高转子电压如下所示（见表4）。
表4 转子电压
从上述测试数据来看，未发现磁极有匝间短路现象，故排除电气原因引起振动。由于定子、转子间隙只有3mm，从转子外圆直径方向看，出厂前加工尺寸已是设计值的公差下限。如果定子有圆度偏差或定转子的同心度存在偏差，将会造成磁场拉力分布不均匀，从而产生振动。鉴于目前转子圆度已很好，下一步调整定子的圆度和同心度是关键。
4 转子各配合档及外圆同轴度的测量和修正
将发电机转子返厂定位在12m卧车上，测定推力头档和法兰止口数据后，发现下导滑转子外圆和转子外圆确有偏心，重新加工处理;其中编号5、6、7、8极没有车出，4、9极刚擦到，其余极车去最大0.4m。目前尺寸为φ1423.6mm，滑转子外圆重新加工。
5 机组轴线的测量及调整
5.1 发电机单盘车时主轴轴线的测量
对发电机主轴轴线进行测量，检查主轴与镜板的不垂直度，测出它的大小数值和方向，便于通过有关组合面的处理，使各部位摆度符合规范要求（见表5）。在上导轴颈及法兰（或下导）处，沿圆
周均匀划8等分线，上、下两部位的等分线均在同一方向上。根据表1数据得上导处的全摆度：
φa5-1=-1-1=-2、φa6-2=-2-1=-3
φa7-3=-1-1=-2、φa8-4=0-0=0
法兰处的全摆度：
φb5-1=0-（-12）=12、φb6-2=8-（-24）=32
φb7-3=-1-（-19）=18、φb8-4=-7-（-11）=4
法兰处的净摆度：
φba5-1=12-（-2）=14、φba6-2=32-（-3）=35
φba7-3=18-（-2）=20、φba8-4=4-0=4
如果没有其他因素干扰，则法兰8点净摆度数值是1条正弦曲线，并可以在正弦曲线中找到最大摆度及其方位（见图1）。但在这次测量中，有许多其他因素干扰，使正弦曲线不规则。第一次正弦曲线发生较大变化，说明数值不可靠。有两种原因导致：一是测量错误，二是盘车时轴线发生变化。在排除测量错误后，发现推力卡环有松动，紧固后重盘车得到表1数据，并绘出法兰净摆度坐标曲线，此图基本上为正弦曲线，最大摆度在“6”点，其值为：j=φba6-2/2=0.035/2=0.175mm。
图1 法兰净摆度坐标曲线
5.2 绝缘垫的刮削量
轴线的处理方法是刮削调整推力头与镜板之间的绝缘垫（也可加薄铜片）（见图2）。根据2个三角形相似，最大刮削量：
式中，δ为绝缘垫或推力头底面的最大刮削量;φba6-2为法兰处最大净摆度;D为转环直径;L为转环至法兰的距离。
表5 发电机组单独盘车记录 0.01mm 沿绝缘垫最大摆度方向做一中心线，按此中心线等分6个刮削区（见图3），再按比例确定每一刮削区应刮削的厚度。1区为0.036、2区为0.03，以此类推，最后2处不刮削，而用细沙布修磨。刮垫后再次盘车，法兰净摆度：φba5-1=0、φba6-2=-1、φba7-3=-3.5、φba8-4=-2.5。对照规范要求，法兰摆度值已在允许范围。
5.3 联轴后盘车时主轴轴线的测量及调整
根据联轴盘车数据作出法兰和水导的净摆度曲线，并用前述方法计算出最大摆度值和方向。发现法兰最大摆度方位在7点，摆度值φba=0.02mm，水导轴颈的最大摆度方位在2点，摆度值φca=0.7mm（见图4）。二者不在同一方向，说明轴线有立体曲折，从转环到法兰偏向7点，从法兰到水导折向2点。根据规范要求，法兰摆度合格，水导摆度超标，需要调整。这也是设备安装和检修中，发电机单盘车后经常碰到的情况。水导摆度超标，可以在法兰接触面加薄铜片进行处理。加垫后盘车，水导净摆度为φca1-5=2、φca2-6=8、φca3-7=12、φca4-8=10，均在允许范围内，从而完成了轴线调整。
图4 轴线曲折示意
6 现场动平衡
当通过轴线的调整后，该机组的振动大幅度降低，但是还没有达到规范要求，此时需进行平衡试验;即在转子的风扇环位置加上或减去一定数量的平衡块，来减少转子的惯性主轴与旋转轴线的偏离，使转子系统的振动降到容许范围内。平衡的作用就是减少转子的挠曲、降低机组的振动并减少轴承及基础的动反力，保证机组安全平稳可靠的运行。具体方法是将传感器安装在轴承座上，测量水平、垂直方向的振动值。此外在轴上还需要作一个标记，此标记通过光电传感器时，产生一个电压脉冲;此脉冲作为相位的参考标记，便于确定安装配重的角位置。将振动、相位信号分别接入EN—900振动监测故障分析仪器进行智能数据采集，并使用其自带的动平衡软件进行分析，得到配重大小和方位如下所示（见图5、表7）。二次动平衡后，振动值合格。
表7 机组现场转子动平衡试验数据
7 结语
综上所述，对水轮发电机机组的振动进行分析处理时，可以先采用电气试验，再分析转子的圆度或定转子的同心度是否存在偏差而造成的磁场拉力分布不均匀，引起振动，观察轴线的情况，找出原因然后针对实际情况采取相应的措施，最大限度的处理水轮发电机机组的振动问题。
参考文献：
[1]姚泽，郭芸，黄青松，徐广文.高转速水轮发电机组振动故障分析与动平衡优化处理[J].大电机技术，2010年第6期.
[2]姚泽，黄青松，徐广文，阚伟民.枫树坝电厂增容改造后机组振动故障处理[J].水电能源科学，2010年第2期.