一种混流式水轮机现场动不平衡诊断和分析方法与流程

1.本发明涉及水力机械故障诊断与处理技术领域，特别涉及一种混流式水轮机现场动不平衡诊断和分析方法。


背景技术：

2.水轮发电机组是一个复杂的旋转机械动力系统，主要由水轮机和发电机组成，通过水轮机将水流的势能(动能)转变为机械能，再由与水轮机同轴连接的发电机将机械能转变为电能，实现电力的生产。在这个过程中，水力(驱动力来源)、机械(设备本身)、电气(机-电转换过程)等三个因素都会对机组的运行产生影响，水轮发电机组动力学研究指出，水力、机械、电气三者之间的关系是耦合的，不同因素所致的故障表现出来的特性难以区分，对于通过外在特性的测试，分析和判别故障类型，从而有针对性的制定整治措施，这种情况十分不利。动不平衡是旋转机械常见的故障形态，根源在于旋转部件质量分布不均、力矩不同心，围绕旋转中心产生了不平衡离心力。水轮机作为一种旋转机械，不可避免也会出现动不平衡问题，与其他旋转机械相比较，水轮机动不平衡的诊断和处理主要存在三个方面的问题。一是水轮机由高速水流驱动，一直运行于充满水的水轮机转轮室内，水流形态的不确定性，同轴运行的发电机对水轮机的影响，使水轮机受到的机械、电气和水力因素的耦合作用更复杂，更难以判别某个因素的具体影响。二是水轮机作为流体机械，过流面如存在较大的扰流，易造成效率降低、出力不足等情况，严重时甚至危及转轮寿命。三是已试运或投运的水轮机，如按照常规的转子动平衡处理方法，需至少拆卸两次以上，通常水轮发电机组为立式安装，水轮机安装在下部密闭的转轮室内，拆装极其复杂，耗时费力，每减少一次拆装，节约的安装工作量和时间成本是十分巨大的。


技术实现要素：

3.本发明的目的为：本发明提出了一种混流式水轮机现场动不平衡诊断与处理方法，旨在解决混流式水轮机现场运行时受水力、机械、电气耦合作用动不平衡特征不明显、所加配重块干扰水轮机过流流态、配重过程中拆装顶盖耗时费力等问题，理论上一次配重即可消除水轮机动不平衡，显著提高机组运行的安全性和经济性。
4.本发明的技术方案：
5.一种混流式水轮机现场动不平衡诊断和分析方法，包括以下步骤：
6.s1，混流式水轮发电机组切手动运行方式，采集在变转速、变励磁工况下机组稳定性参数；
7.s2，根据步骤s1采集的稳定性参数，分析混流式水轮发电机组中的发电机转子是否存在动不平衡；如果存在动不平衡，则对发电机转子动不平衡分量进行处理，随后进入步骤s3；如果不存在动不平衡，直接进入步骤s3；
8.s3，在额定转速工况时模拟事故信号，水轮发电机组紧急停机，采集停机过程中机组的稳定性参数；
9.s4，根据步骤s3采集的稳定性参数，分析水轮机转轮是否存在动不平衡；如果存在动不平衡，则进入步骤s5；如果不存在动不平衡，则诊断和处理试验结束；
10.s5，确定水轮机转轮的试配重方位，制作与水导轴承处主轴形状相配的试配重块，并将试配重块固定到水导轴承处主轴上；
11.s6，开机，重复步骤s3，对比两次采集的停机过程中的稳定性参数，评估试配重效果；试配重效果满足要求后，将试配重块挪动位置，再进行校核测试，确定水轮机转轮动平衡单位质量影响系数，之后拆除试配重块；
12.s7，关闭混流式水轮发电机组进口主阀和尾水闸门，水轮机转轮室排水完毕后，拆除水轮机顶盖，确定水轮机转轮上可安装配重块的空位，并在空位上安装配重块；
13.s8，回装顶盖，充水，手动开机至额定转速，重复步骤s3，检验水轮机转轮配重效果，完成混流式水轮机现场动不平衡诊断和处理。
14.进一步，在进行步骤s1前，先分别在机组中发电机的上导、下导以及水轮机的水导处互成90
°
的轴承油槽盖上安装电涡流位移传感器，在上、下机架互成90
°
的支腿上安装位移输出型低频速度传感器，在顶盖上互成90
°
的方位上安装位移输出型低频速度传感器；
15.其中，上导、下导处安装的电涡流位移传感器分别用于测量发电机上导摆度、下导摆度；水导处安装的电涡流位移传感器用于测量发电机转速以及水导摆度；低频速度传感器用于测量机架振动和顶盖振动信号。
16.进一步，步骤s1中，混流式水轮发电机组切手动运行方式后，分别在50％nr、75％nr和100％nr三个转速工况以及分别在25％ur、50％ur、75％ur和100％ur四个变励磁工况下运行，每个工况下稳定运行3min，并采集每个工况下电涡流位移传感器和低频速度传感器测量的机组转速、上导摆度、下导摆度、机架振动和顶盖振动参数，其中nr为混流式水轮发电机组的额定转速，ur为混流式水轮发电机组的额定电压。
17.进一步，步骤s2中，先将步骤s1采集的上导摆度、下导摆度、机架振动和顶盖振动参数，进行快速傅里叶变换，获得转频分量幅值和相位，通过变转速和变励磁工况的上导摆度、下导摆度、机架水平振动的转频分量幅值和相位，分析发电机转子是否存在动不平衡。
18.进一步，步骤s2中，如果存在动不平衡，则采用配重的方式消除或抵消大部分发电机转子动不平衡分量。
19.进一步，步骤s3中，采用瓦温或低油压保护信号模拟事故信号，混流式水轮发电机组紧急停机后，采集停机过程中的发电机转速、水导摆度、机架振动和顶盖振动信号。
20.进一步，步骤s4具体是：风闸制动前，分析水导摆度、机架水平振动转频分量和相位随转速逐渐减小的变化趋势，运用解耦理论排除水轮机水力和发电机电气干扰，分析混流式水轮机是否存在动不平衡，具体分析过程如下：
21.刚性转子如果存在不平衡质量力，其与转速有关的转频分量与不平衡离心力的大小呈正比关系，而不平衡离心力与转速的平方n2呈正比关系，因此，通过转频幅值与n2的关系来判断转轮是否动不平衡；
22.通过水导摆度转频分量进行分析水轮机是否存在动不平衡:水导摆度转频分量分为两个部分，即与转速有关的转频分量和与转速无关的转频分量，在转速降低过程中，与转速无关的转频分量近似为固定值γ；当50％nr时水导某方向摆度与转速有关转频值为a0，75％nr时水导某方向摆度与转速有关转频值为b0，100％nr时水导某方向摆度与转速有关转
频值为c0，测试得到三个变转速工况下水导摆度转频值，分别为a，b，c，数值分别等于固定值γ与各工况与转速有关的转频值代数和，即a＝a0+γ，b＝b0+γ，c＝c0+γ；当水轮机转轮存在动不平衡时，a、b、c三者基本呈正比关系，按照转速的关系，这时c0/a0≈4，b0/a0≈2.25，当水轮机转轮不存在动不平衡时，a、b、c三者数值相同或仅有较小增幅，a0≈b0≈c0≈0。
23.进一步，步骤s5具体是：根据水轮机转轮的键相位置确定水轮机试配重方位，并在水导轴承处的主轴上标记，制作与主轴外圆弧向适配的试配重块，采用足够强度的尼龙带绑扎将试配重块固定到水导轴承处主轴上；试配重块的质量p
试
由以下公式计算得到：
24.p
试
＝(5～10)g/(n
r2
·
r)
25.g—水轮机转轮重量，kg；nr—额定转速，rpm；r—试配重半径，m。
26.进一步，步骤s6具体是：
27.手动开机至额定转速后，重复步骤s3，对比两次混流式水轮发电机组停机过程中水导摆度、机架水平振动转频以及顶盖振动转频分量幅值和相位的变化，运用矢量法，评估试配重效果，试配重效果满足要求后拆除试配重块，矢量法具体评估过程如下：
28.水导摆度转频分量试配前后的矢量值分别为矢量差为为试配重效果矢量，即为水轮机转轮动平衡单位质量影响系数，设为k，与两矢量的夹角为配重校正角度，设为ψ；为更好评估和校核试配效果，挪动试配重块至其他方位，重复测试，再按照同样的方法，计算试配重块挪动至其他方位后的水轮机转轮动平衡单位质量影响系数k1值和配重校正角度ψ1值，理论上k与k1应基本一致，则认为试配重效果较好，其中ψ1与ψ的差为配重块挪动角度。
29.进一步，步骤s7中配重块的配重质量p
配
通过以下公式计算得到：
[0030][0031]
其中，d为空位处距水轮机旋转中心的距离，r为试配半径，k为根据试配得出的单位质量影响系数，c为100％nr时水导摆度某方向的转频幅值，s为水导摆度某方向的转频幅值的最大允许值，t为裕度系数，裕量系数t选取在1～1.2。
[0032]
进一步，按照计算得到的配重质量p
配
，将配重块制作成与空位相配的形状，边缘修圆，在空位处焊接配重块，焊接后做退火处理，对焊缝进行无损探伤。
[0033]
本发明的有益效果：与现有技术相比：
[0034]
本发明的诊断和处理方法，运用解耦理论，首先诊断、排除水轮发电机组发电机部分可能存在的不平衡质量力和磁拉力，消除发电机部分对水轮机部分的机械和电气影响，然后通过紧急停机工况，快速关闭导叶，消除水力不平衡对水轮机运行的影响，不拆除顶盖、不吊装转轮情况下，在水导轴承处主轴上试加配重以获得影响系数，减少拆装次数，大幅节省时间和提高经济效益，配重块修型处理，适应转轮复杂的水力环境，通过上述的诊断和处理方法，解决混流式水轮机现场运行的动不平衡问题，提升水轮发电机组安全稳定水平。
附图说明
[0035]
图1是一种混流式水轮机现场动不平衡诊断与处理方法的流程图；
[0036]
图2是混流式水轮机现场动平衡诊断原理图；
[0037]
图3是试配重块装配示意图；
[0038]
图4是水轮机转轮空位处配重块装配示意图。
具体实施方式
[0039]
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解：
[0040]
如图1所示，本实施例的一种混流式水轮机现场动不平衡诊断与处理方法包括以下步骤：
[0041]
(1)分别在混流式水轮发电机组中发电机的上导、下导以及水轮机的水导处互成90
°
的轴承油槽盖上安装电涡流位移传感器，注意三部导轴承同一方向的传感器在铅垂面上，在上、下机架互成90
°
的支腿上安装位移输出型低频速度传感器，顶盖互成90
°
的方位上安装位移输出型低频速度传感器，水导处安装电涡流位移传感器测试转速。
[0042]
其中，上导、下导处安装的电涡流位移传感器分别用于测量混流式水轮发电机组中发电机上导摆度、下导摆度；水导处安装的电涡流位移传感器用于测量发电机转速(即键相，设置相位为“失重”点)以及混流式水轮发电机组中水轮机水导摆度；低频速度传感器用于测量机架振动和顶盖振动信号。
[0043]
测点安装完毕后，水轮发电机组切手动运行方式，分别在三个变转速工况(50％nr、75％nr和100％nr)、四个变励磁工况(25％ur、50％ur、75％ur和100％ur)运行，每个工况点稳定运行3min，采集每个工况下电涡流位移传感器和低频速度传感器测量的机组转速(键相)、上导摆度、下导摆度、机架振动和顶盖振动参数，其中nr为混流式水轮发电机组的额定转速，ur为混流式水轮发电机组的额定电压。
[0044]
(2)步骤(1)采集的上导摆度、下导摆度、机架振动和顶盖振动参数利用水力机械综合测试仪自带软件进行快速傅里叶变换(fft)，获得转频分量幅值和相位，通过变转速和变励磁工况的上导摆度、下导摆度和机架水平振动转频分量和相位，分析发电机转动部分是否存在动不平衡。
[0045]
(3)如步骤(2)分析结果为“是”，采用配重消除或抵消大部分发电机转子动不平衡分量，随后进入步骤(4)；如步骤(2)分析结果为“否”，则直接进入步骤(4)；
[0046]
(4)混流式水轮发电机组在额定转速工况时模拟事故信号(模拟事故信号采用瓦温或低油压等保护信号均可)紧急停机后，采集停机过程中的发电机转速、水导摆度、机架振动和顶盖振动信号；
[0047]
(5)分析风闸制动前，水导摆度、机架水平振动转频分量和相位随转速逐渐减小的变化趋势，运用解耦理论排除水轮机水力和发电机电气干扰，分析混流式水轮机是否存在动不平衡：
[0048]
具体分析过程如下：
[0049]
刚性转子如果存在不平衡质量力，其与转速有关的转频分量与不平衡离心力的大小呈正比关系，而不平衡离心力与n2(转速的平方)呈正比关系，因此，可通过转频幅值与n2的关系来判断转轮是否动不平衡；
[0050]
通过水导摆度转频分量分析水轮机是否存在动不平衡。水导摆度转频分量分为两个部分，即与转速有关的转频分量和与转速无关的转频分量，在转速降低过程中，与转速无关的转频分量近似为固定值γ；当50％nr时水导某方向摆度与转速有关转频值为a0，75％nr时水导某方向摆度与转速有关转频值为b0，100％nr时水导某方向摆度与转速有关转频值为c0，测试得到三个变转速工况下水导摆度转频值，分别为a，b，c，数值分别等于固定值γ与各工况与转速有关的转频值代数和，即a＝a0+γ，b＝b0+γ，c＝c0+γ，如图2所示；当水轮机转轮存在动不平衡时，a、b、c三者基本呈正比关系，按照转速的关系，这时c0/a0≈4，b0/a0≈2.25，当水轮机转轮不存在动不平衡时，a、b、c三者数值相同或仅有较小增幅，a0≈b0≈c0≈0。
[0051]
尤其注意，c与a之差可视为不平衡引起的转频幅值增量，对于指导后续动平衡处理具有指导意义。
[0052]
(6)如步骤(5)分析结果为“否”，得出诊断结论：水轮机转轮不存在明显的动不平衡，本次诊断和处理试验结束；如步骤(5)分析结果为“是”，根据键相位置确定水轮机转轮试配重方位，并在水导轴承处的主轴上标记，制作与主轴外圆弧向形状相配的试配重块，试配重块质量由式1算出，如图3所示，选取足够强度的尼龙带绑扎牢固；
[0053]
p
试
＝(5～10)g/(n
r2
·
r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0054]
式中：g—水轮机转轮重量，kg；nr—额定转速，rpm；r—试配重半径，m。系数的选择根据机组转速高低及水导摆度值大小情况而定，目的是既要使水导摆度在配重后有较明显的反应，又要控制不至于使摆度值增加过大危及机组安全运行。
[0055]
(7)手动开机至额定转速后，重复步骤(4)，对比两次停机过程中水导摆度、机架水平振动转频以及顶盖振动转频分量幅值和相位的变化，运用矢量法，评估试配重效果，试配重效果满足要求后拆除试配重块，矢量法具体评估过程如下：
[0056]
水导摆度转频分量试配前后的矢量值分别为矢量差为为试配重效果矢量，即为水轮机转轮动平衡单位质量影响系数，设为k，与两矢量的夹角为配重校正角度，设为ψ；为更好评估和校核试配效果，挪动试配重块至其他方位，重复测试，再按照同样的方法，计算试配重块挪动至其他方位后的水轮机转轮动平衡单位质量影响系数k1值和配重校正角度ψ1值，理论上k与k1应基本一致，则认为试配重效果较好，其中ψ1与ψ的差为配重块挪动角度。
[0057]
(8)关闭水轮发电机组进口主阀和尾水闸门，转轮室排水完毕后，拆除水轮机顶盖，确定水轮机转轮上可加配重的空位，示例如图4所示，测量空位处距旋转中心的距离d，与试配半径r进行比较，根据试配得出的单位质量影响系数k和100％额定转速时水导摆度某方向的转频幅值c，计算配重质量p
配
，计算公式见式2；
[0058][0059]
其中，d为空位处距水轮机旋转中心的距离，r为试配半径，k为根据试配得出的单
位质量影响系数，c为100％nr时水导摆度某方向的转频幅值，需要注意的是，s为水导摆度某方向的转频幅值的最大允许值，考虑配重块位置变化后对影响系数的不可控因素，实际配重质量需估算裕量，根据空位和试配方位的偏差而定，t为裕度系数，裕量系数t选取在1～1.2，实际配重位置与试配方位偏差为ψ值。
[0060]
(9)将配重块制作成与空位相配的形状，边缘修圆，按照试配重后确定的不平衡分量方位的空位处焊接配重块，焊接后做退火处理，对焊缝进行无损探伤，确保焊接强度满足运行要求；
[0061]
(10)回装顶盖，手动开机至额定转速，重复步骤(4)，验收动平衡处理效果，试验结束。
[0062]
本发明的诊断和处理方法，运用解耦理论，首先诊断、排除水轮发电机组发电机部分可能存在的不平衡质量力和磁拉力，消除发电机部分对水轮机部分的机械和电气影响，然后通过紧急停机工况，快速关闭导叶，消除水力不平衡对水轮机运行的影响，不拆除顶盖、不吊装转轮情况下，在水导轴承处主轴上试加配重以获得影响系数，减少拆装次数，大幅节省时间和提高经济效益，配重块修型处理，适应转轮复杂的水力环境，通过上述的诊断和处理方法，解决混流式水轮机现场运行的动不平衡问题，提升水轮发电机组安全稳定水平。
[0063]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。