【摘 要】：在水轮机组的发展过程中，最为关键的问题，就是水轮机组稳定运行的问题，水轮机组的振动模式以及稳定性是业内人士亟需解决的关键问题。本文通过对机组动力学模型的建立，简要的研究了水轮发电机组轴系动力的特性，以及保证机组稳定运行的轴线精度的检测方法。
【关键词】：水轮发电机组；动力特性；轴线检测
随着水电产业的快速发展，水轮发电机作为水电工业中的重要设备，也开始向大功率、大规格、复杂化的方向发展。而机组结构的转变，使其内部集成程度加深，部件之间的联系也更为紧密，这无疑给机组的运维管理提出了更高的要求。而机组的震动及稳定性问题一直以来都是业界关注的重点。通过对机组的理论研究来加强机组的实用性，具有巨大的理论以及应用价值。
1 机组轴系建模
1.1 计算模型
利用机组轴系横向振动力学和响应计算方法［1］，建立起水轮发电机组的轴系模型，其主要参数如下：
（1）导轴承：导轴承长度L=0.635m，半径R=0.67m，半径间隙C=0.0005m；油膜粘度μ=0.033N·s/m2；油膜刚度系数K=2· 108N/m；阻尼系数C=4·106N·s。
（2）发电机转子：转子长度L=1.597m，直径D=2.52m，磁通密度B=7500Gs。
（3）密封：上止漏环长度0.091m、直径1.661m，压差1MPa、间隙0.0007m；下止漏环长度0.105m，直径1.661m，压差1.2MPa，间隙0.0007m，上下止漏环结构都为直通式。
1.2 瞬态响应计算
在上述模型的基础上。若假定轴系中各节点没有质量偏心现象，转子整体沿x轴初位移为0.01mm，沿y轴初速度为0.52mm/s，轴系中的结点位移情况在线性油膜力模型如图1所示，在非线性油膜力模型如图2所示。由图可知，线性模型计算的震荡轨迹收敛快，非线性模型计算的震荡轨迹收敛较慢。造成这种差异的原因在于，线性模型中的油膜力阻尼值以及刚度不变，计算过程一直保持较大的油膜力［2］。但就油膜本质而言，具有非线性特点，因此在计算中仍采用非线性油膜力模型计算。另外在水导轴承位置的震荡收敛平稳后，其它部位仍处于震荡状态，且具一定浮动范围，这种情况是油膜力与不平衡电磁拉力均匀化的效果，在连接关系的作用下，相应的转轮位置的震荡幅度也会降低。
1.3 不平衡激励响应
如果在发电机的转子或者是水轮机的转轮质量不均匀的时候，会产生垂直于大轴的径向离心力，进而引发机组的震动现象发生。在发电机的转子部位发生质量不均匀时，将会引发结点的不平衡相应瞬态混乱，最终限定与圆形轨迹范围内，是符合不平衡相应形式的。另外出现转子质量不均匀，会使法兰处上方的结点产生的运动轨迹增大，引发转轮以及下导轴承的震动。在其它条件不变的情况下，适当减小导轴承之间的间隙，能够有效的降低轴系各部位的位移震动值，但间隙过小，则会导致油膜力供应不足。在油膜粘度加大时，各结点的震动情况将会降低。导轴承长径比增大时，各结点震动幅值减小，导轴承长径比减小时，各节点震动幅值增大。在励磁电流进入发电机转子后，若机组轴系具有横向振动情况，加之受电磁场影响，在定子和转子中产生不平衡电磁拉力，导致转子横向震动的幅值增加。因此，为降低不平衡电磁拉力影响产生的震动，需要适当的将定子与转子之间的半径间隙加大。
鉴于质量不均匀对机组造成的负面影响，我们必须在机组安装时严格保证轴系的垂直度和同心度，那么对轴线的精度检测就显得尤为重要。
图1 线性模型下机组轴系结点位移情况
图2 非线性模型下机组轴系结点位移情况
2 立式水轮发电机的轴线精度检测方法
2.1 常规检测方法
2.1.1 盘车法
此种方法是最为传统的轴线测量方法，利用盘车人为的将机组的转轮部分转动，并用位移传感器或者是千分表等仪器，对相关的测量部位进行摆度值的确定，通过摆渡值对轴线出现摆度情况的原因、方向以及大小进行分析［3］。另外对相关的组合面进行人为刮削，从而纠正轴线与镜面摩擦面，轴线与法兰组合面的不垂直问题，将摆度降至规范值内。这种方法既能进行分段逐次的测量，也能够进行综合的测量。盘车法主要测量的轴线为主轴线、连轴后的总轴线等。
产生轴线和镜面摩擦面不垂直的主要原因是：推力头和镜板之间的绝缘垫厚薄不匀、主轴与推力头的底面不垂直。常规机组的轴线摆度规范值见表1。
表1 常规机组轴线摆度值规范
除应用于发电机主轴轴线的测量以外，盘车法还应用于机组总轴线的测量中，测量方法基本与前者相同，但需要在水导轴颈位置增加一对千分表，用来对水导处的摆度进行测量。利用测量出的数据计算出轴线与主轴法兰结合面不垂直所产生的轴线曲折，了解轴线状态。在轴线曲折极小而摆度又大的情况时，可以将推力头底面或者是绝缘垫进行部分刮削，以达到调整的效果，若经过此种处理后摆度值仍不正常，还需对法兰结合面进行处理。
2.1.2 钢琴线重锤耳机法
将钢琴线悬挂于大轴的中心点，计算出大轴的垂直度、旋转中心以及轴摆度，这种方法通常运用于大型的机组轴线测量中，其测量难度较大，但对了解轴线状态、分析调整轴线十分有用［4］。此种方法所需要用到的工具主要有：钢琴线、求心器、耳机、内径千分尺等。利用求心架将求心器固定，用求心器对钢琴线的位置以及高度进行调整，同时用具有一定重量的重锤绷紧钢琴线。测量时，将四条专用于垂直测量的环带，分别布置在水轮机轴以及发电机轴的法兰内堂口位置，然后在轴心悬挂钢琴线一根，在轴的360°位置内，用千分尺测量出四条环带与钢琴线的距离，从而确定大轴是否垂直［5］。
2.2 传统测量方法的弊端
尽管盘车法以及钢琴线重锤耳机法在实际的轴线精度检测工作中得到了广泛的认可以及应用，但在某些方面仍存有缺陷：
2.2.1 效率不高
例如，在利用盘车法进行轴线精度测量时，需要在盘车时准确的停留在之前设置的8个等分测点，且每个测点都需要相关的设置人员对盘车情况进行监视记录，准确填写千分表的变化情况。而钢琴线重锤耳机法则为了更大程度的保证测量值的进度，需要不断地对钢琴线进行找正工作，并反复测量。所以利用这两种方法进行轴线精度测量时，会耗费大量的时间以及精力，检测效率难以提高。
2.2.2 精度值不高
例如钢琴重锤耳机法主要的测量方式，是人工接触，而在人工设置的过程中，往往存有一定的误差，同时，在测量过程中如若某部分零件出现振动情况，都会直接影响到钢琴线的位置，造成最终测量结果的偏差。而盘车法同样具有这一问题，由此看来，这两种传统方法，虽然应用广泛，但就精确度而言却具有极大的不稳定性，测量受外界以及人工方面的影响极大，不利于得到准确的轴线值。
2.3 新型测量方法
结合目前大力推广的新型轴线精度测量方法，直线度测量法，从实际运用方面出发，本文将介绍一种准确率高、操作方便、快捷的新型机组轴线精度检测方法，为提升机组安装效率以及安装质量创建新思路。具体测量方法如下：
（1）准备四根符合抗拉强度标准的钢琴线或者其它金属线，要保证其不会弯折，一个重量能够将钢琴线或金属线拉直的重锤，以及四个用作阻尼介质的油盆。
（2）准备一个符合测量需求的CCD位置测量仪器，现在CCD位置测量仪器的精度普遍高于0.01mm，完全能满足安装找摆的精度要求。
（3）对推力瓦受力进行调整并利用水平仪将镜板保持在水平位置。
（4）将推力头以及下导轴瓦之间的间隙调整在0.02～0.05mm之间，并锁定下导轴颈，保证其位于轴线中心，能作为轴线基准中心位置使用。
（5）在主轴圆周的x轴以及y轴的四个方位上均匀布置四根悬有重锤的钢琴线或金属线，将重锤放入油盆，再将油盆放于顶盖，确保测量的统一。
（6）测量全过程保证主轴属于自由状态。
（7）利用CCD测量仪器对机组的发电机下方、水导轴承、法兰上方等位置进行四个方向的测量，得出其与主轴面的距离。
（8）最后通过数据处理分析出轴线的垂直度以及摆度大小。
3 结束语
综上所述，水轮发电机组出现振动情况多数是由于机组本身制造和安装产生，而内在的机理情况是依据轴系的动力学特性而定的。机组的振动情况以及振动轨迹，仅仅是动力学特性的外在形式。要从根本上保证机组的安全稳定运行，就需要以动力学入手，充分了解其内在信息，继而进行有针对性的故障诊断和机组安装。通过不断的更新改进现有的故障诊断、机组安装等方面的方法，促进水轮发电机组应用的长足稳定发展。
