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立式水轮发电机主轴轴线动态研究分析

2023-11-20 8 上传者：管理员

摘要：水轮发电机轴线分析对水电厂水轮发电机组运行具有重要意义，本文分析了机组日常检修轴线测量存在的弊端以及机组运行过程中轴线监测的重要性，提出一种基于各摆度波形动态研究机组轴线的方法。根据机组实际运行动态，360°采集各方位的摆度值及其相位，采用数学向量合成分析的方法，借助计算机实时计算分析，进行机组轴线动态监测并判断其是否存在曲折以及曲折的方位，从而指导机组检修时的轴线调整。通过对机组实际摆度的采集数据进行举例计算分析，验证了本文所提方法的有效性，对水轮发电机组运行监测以及状态分析具有良好的指导意义。

关键词：
主轴
摆度
机组轴线
水轮发电机
波形
状态监测
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立式水轮发电机组的主轴由发电机主轴和水轮机主轴组成，两者通过端部法兰和螺栓连接，用贯穿机组主轴的中心线来代表实际的机组轴线。理论上，发电机轴与水轮机轴连接后，所形成的机组轴线应当是一条直线。但由于受制造、安装误差的影响，以及机组长期运行振动和摆度的影响，若发电机轴或水轮机轴端部法兰面为斜面，则可能导致机组主轴轴线在法兰处出现曲折[1,2,3,4]。按照规定的技术要求，机组轴线曲折在某个偏差范围内即认为合格。在水轮发电机机组安装或大修时，对机组轴线的检查和调整是其中的重要环节。若机组轴线发生曲折且超过一定值时，对机组的振动、摆度及受力将造成很大的影响，甚至会影响水轮发电机以后的正常运行[5],长期运行将威胁到水轮发电机组的安全和稳定，对设备造成不可逆的损伤。因此，及时监测水轮发电机组轴线是否发生曲折且其值是否在允许的范围内，对水轮发电机组运行具有重要意义。

1、目前轴线测量方法

目前现有技术对水轮发电机组的轴线测量主要依靠盘车的方法，盘车主要分为人工盘车、机械盘车和电动盘车。其中人工盘车是人力推动机组摆动；机械盘车是用桥式起重机做牵引，通过钢丝绳和滑轮来拖动机组；电动盘车是在将电机通上直流电后，通过定转子磁场力作用使机组缓慢旋转[6,7]。无论何种盘车，都需要提前在水轮发电机主轴各部位临时加装百分表，通过外部作用力使机组转动或摆动，并不断地来回操作，从而获得各部位摆度数据，然后对各检测点获得的摆度数据进行分析，即可判断水轮发电机主轴轴线是否存在曲折[8,9]。盘车是一项复杂且系统的工作，对检修人员的技术水平要求较高而且存在一定安全操作风险，内容通常包括盘车前准备工作和盘车过程注意事项等，对得到的盘车数据进行分析也是一项繁杂工作，本文不做详细介绍。盘车一般是在机组的检修期较长时才会开展，而且水轮发电机组通常一年才检修一次，因此日常很难准确判断机组轴线是否存在曲折[10]。

2、基于波形的轴线动态分析方法

在水轮发电机组正常运行时，理论上机组的轴线、中心线和旋转中心线三线合一，即各自铅直且重合。实际情况往往是主轴的旋转中心线与机组中心线重合(都是铅直状态),而机组轴线曲折。由于机组轴线存在曲折，因此在机组旋转运行过程中，主轴不同的轴承部位就会产生不同的摆度[11,12]。为了实时准确监测水轮发电机组的主轴线曲折程度以及曲折方位，避免因主轴线曲折过大而造成机组振动和摆度增大，进而使设备受力增大，影响设备使用寿命等问题的出现，本文提出一种基于实时采集水轮发电机组摆度波形数据[13]进行动态实时计算分析，实时监测机组轴线状况，从而计算主轴线曲折方位的方法，来判断机组是否存在较大的曲折度，并在机组检修实际中应用该方法指导轴线调整工作。

3、轴线动态分析方法的技术特征与实现

本文基于摆度波形的立式水轮发电机主轴轴线动态分析的技术特征与实现方法主要包含以下步骤：

(1)通过水轮发电机组状态监测系统[14],采集上导、下导、水导三个轴承部位的+X方向、+Y方向的共六个位移传感器数据，以+X方向的键相传感器标记为起点，采集周向360°范围内平均256个位点的轴承摆度值，生成离散的周期数据序列，共8个周期，波形如图1所示。

(2)分别用X上[n]、X下[n]、X水[n]、Y上[n]、Y下[n]、Y水[n]表示上导、下导、水导相对+X、+Y方向得到的轴承摆度数据序列，采集到的同一时刻某一个周期数据序列绘制的图形如图2～4所示。

理论上，标准的旋转机械的余弦波形平均采样后各幅值的代数和的值为0,但机组实际运行时，各摆度并非呈标准余弦波形，且实际采样存在误差，会影响计算精度，因此，各幅值代数和无法为0。以一个周期为例，计算采集到的上导、下导、水导各摆度在+X、+Y方向上的实际代数和的平均值为：

(3)为提高分析精度，重新计算一个周期内256个方位测点实际的摆度值，即各点摆度采集值减去和的平均值，以消除采样误差，计算公式如下：

结果发现，重新计算的数据序列波形与采集到的初始数据序列波形基本一致。

(4)按照水平投影的原理在X、Y轴上计算各轴承摆度之差(净摆度)[15],用其可反映水轮发电机轴线的倾斜度，再根据倾斜度来计算曲折度，从而合成主轴相对+X、+Y方向各点位的曲折度序列。计算公式为：下导对上导的净摆度(发电机轴倾斜度)-水导对上导的净摆度(全轴倾斜度)[16],表达式如下：

(3)为提高分析精度，重新计算一个周期内256个方位测点实际的摆度值，即各点摆度采集值减去和的平均值，以消除采样误差，计算公式如下：

结果发现，重新计算的数据序列波形与采集到的初始数据序列波形基本一致。

(5)进一步根据+X、+Y方向曲折度序列Lx[n]、Ly[n],按照向量原理(如图6所示)合成一个曲折度序列(如图7所示),计算公式如下

(6)计算合成的轴线各点曲折度对应的实际相位值。

某一时刻+X、+Y向合成的当前相位可根据反三角函数来计算，公式如下：

(10)根据时间顺序标记基于+X方向的一周256个点的方位相位为：

(11)因此，可得合成的曲折度数据序列基于+X方向在各点位的实际相位，为：

β实[n]=β[n]+α[n],n=1,2,…,256 (12)

根据计算，各合成曲折度在+X方向-180°～+180°的实际相位如图8所示。

其中，L表示主轴轴线曲折程度；β表示主轴轴线曲折的方位。通过计算，主轴线曲折度为67μm,主轴线曲折方位78.6°,根据GB/T 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》9.5.7条检查调整机组轴线要求，多段轴结构的机组在盘车时应检查各段的折弯情况，偏差一般不大于0.04mm/m要求进行比较[17]。对于长度大于8m的主轴来说，曲折度小于320μm说明主轴曲折在允许的范围内，该机组轴线总曲折度计算结果为67μm,说明该机组曲折度良好。

(10)根据实时采集的波形数据，按步骤(2)～(9),可实时计算水轮发电机组主轴的曲折量及曲折方位，与技术规范进行比较，及时准确判断机组轴线是否处于正常范围，超过范围的可提前制定处置措施，按计划进行检修处理。

(11)水轮发电机组的振动、摆度很多是由于转子质量不平衡所造成[18],开展动平衡试验是水轮发电机组启动试验的一项重要内容，基于动态分析的主轴轴线曲折相位其反方向也是指导质量动平衡试验的试重块安装的相位，对动平衡试验首次安装配重块的方位具有很好的指导意义[19,20]。

整个分析计算过程如图10所示。

4、结论

采用盘车测量机组轴线是一项复杂且系统的工作，本文提出一种全新的通过采集水轮发电机组各轴承摆度波形进行机组轴线动态分析的方法，并结合采集的数据实际举例说明分析计算过程，计算出轴线曲折度及曲折方位，以指导水轮发电机组运行状态分析及轴线调整工作。并且通过计算还可准确找到动平衡试验的试重块安装相位，有效地改善机组的振动和摆度过大的问题，本方法可借助计算机进行实时计算并动态监测，对于分析水轮发电机组稳定性具有重要意义。

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