CN109115408B - 一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法，涉及旋转机械安全稳定运行及故障诊断技术领域。针对大型水电机组转子质量不平衡引起的振动问题，在大量现场试验的基础上，利用回归分析法对传统经验试配重公式进行了修正，得到了精确的回归系数；同时提出了寻找离心力平衡点构建方程的分析方法，通过对离心力方程的计算求解，最终得到动不平衡质量。相比现有方法，离心力方程方法在于只需两次加装配重块，即可达到精准配重的目的。

Description

一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法

技术领域

本发明属于旋转机械安全稳定运行及故障诊断技术领域，尤其涉及大型水电机组转子质量不平衡引起的振动问题处理，具体为一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验和分析的方法。

背景技术

水轮发电机组振动是机组运行中一种非常有害的现象，它严重威胁着机组的供电质量、机组的使用寿命和安全经济运行。水轮发电机组的振动和摆度超标容易破坏机组的各零部件，威胁机组的安全运行，缩短水轮发电机组的检修周期和使用寿命。根据国家和电力行业技术标准要求，对水电机组，在新机安装和启动过程中应时刻进行振动监测，满足国家和行业相应规范要求，确保机组安全稳定运行。

水轮发电机组启动阶段大多数振动是由于转子质量不平衡引起，主要原因是由于设计、制造、现场安装过程误差所致。目前，对水轮机组动平衡试验方法的研究很多，主要是传统的三次适配重法、影响系数法。传统的三次适配重法设备简单，只需要用百分表测量出机架振动幅值不需要测量振动相位，方法也易掌握，但此方法加装配重块次数较多且对小机组焊接配重块较为麻烦，费时且配重精度也较低。影响系数法需要加装振摆测试设备，需配重至少两次甚至以上可获得机组动平衡的方位和大小，但该方法要求有能测量振动相位的装置及跟踪滤波，对仪器设备和试验人员要求经验较高，在实际应用中达到精确计算仍存在难度。

基于此，本发明提出一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法，对大型水电机组动平衡处理利用回归分析法对传统经验试配重公式进行了修正，得到精确的回归系数；同时提出寻找离心力平衡点构建方程的分析方法，该方法简单易懂、可靠、精度较高，适合及时处理现场动平衡问题。

发明内容

针对大型水电机组转子质量不平衡引起的振动问题，在大量现场试验的基础上，本发明提出的基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法，利用回归分析法对传统经验试配重公式进行修正，得到精确的回归系数；通过第一次变转速试验测试结果，找出不平衡力的相位，根据修正后的经验公式选取试配重块；加试配重块后，通过第二次变转速试验测试结果与第一次对比，找出不同转速下振动相同的平衡点，建立离心力方程，求解最终不平衡质量，通过对离心力方程的计算求解，最终得到动不平衡质量。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法，包括以下几个步骤：

步骤1：水电机组振动状态下监测信号的获取；

根据国家标准结合机组结构，采用包含多个代表性测点的水力机械信号采集系统，通过第一次变转速试验获取水电机组振动状态的监测信号；

步骤2：第一次试配重质量的确定；

结合每个代表性测点的监测信号测量数据，利用传统的经验试配重公式和线性回归分析法得到修正后的试配重公式，确定第一次试配重质量；

步骤3：离心力方程的建立和总不平衡质量的计算；

根据所述步骤2的第一次试配重质量，加装第一次试配重块后，进行第二次变转速试验，并将第二次变转速试验结果与第一变转速试验结果进行对比，找出不同转速下振动相同的平衡点，建立离心力方程，求取总不平衡质量；

步骤4：第二次试配重质量的确定；

根据第一次试配重质量和总不平衡质量计算第二次试配重质量，加装第二次配重块，转动机组，检验动平衡处理效果。

进一步的，所述步骤1中，多个代表性测点分别位于上导摆度、下导摆度、上机架振动和下机架振动。

进一步的，所述步骤2中，确定第一次试配重质量的具体操作为：利用线性回归分析法对传统的经验试配重公式进行修正，得到精确的回归系数，再采用判定系数对样本回归的相关性进行检验；根据空转测试分析结果，确定特征振动值和国家标准值的比值，确定第一次试配重质量。

进一步的，所述回归系数的计算公式为：

其中，a、b均表示回归系数，x_i、y_i均表示样本点，

分别表示样本点x_i和y_i对应的平均值，k表示样本点的个数。

进一步的，所述判定系数的计算公式为：

其中，R²表示判定系数，xi，yi均表示样本点，

分别表示样本点xi和yi对应的平均值，k表示样本点的个数；越接近于1，表示回归方程描述实际数据的近似程度越好，样本回归的相关性越好。

进一步的，所述第一次试配重质量的计算公式为：

m₀＝b(s/s₀)G/n²r+a

其中，m₀表示第一次试配重质量；a、b均表示回归系数；s和s₀分别表示特征振动值和国家标准值；G表示转子重量，单位为kg；n表示动平衡试验时机组额定转速，单位为r/min；r表示第一次试配重半径，单位为m。

进一步的，所述步骤3中，离心力方程和总不平衡质量的计算公式分别为：

离心力方程：(m-m₀)rw²＝mrw′²

总不平衡质量：m＝m₀w²/(w²-w′²)

其中，m表示总的引起转子不平衡质量，m₀表示第一次试配重质量，r表示第一次试配重半径，w表示第一次试配重后角速度大小，w’表示与第一次试配重后不平衡力相同的平衡点的角速度大小。

与现有技术相比，本发明所提供的基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法，利用线性回归分析法对传统试配重公式进行修正，通过第一次变转速试验测试结果，找出不平衡力的相位，根据修正后的试配重公式选取第一次试配重块；加装第一次试配重块后，通过第二次变转速试验测试结果与第一次对比，找出不同转速下振动相同的平衡点，建立离心力方程，求解最终不平衡质量；修正后的试配重公式考虑了特征振动值，提高了计算的准确性和可靠性；根据水电机组动转子的特点，利用离心力原理巧妙寻找平衡点构建了离心力方程，得到总不平衡质量，达到精准配重的目的；

运用本发明所述方法处理机组动平衡，机组振动、摆度得到极好的控制，且动平衡效果较好，平衡精度较高；相比现有方法，本发明只需两次加装配重块就能很好的解决机组动平衡引起的振动问题；本发明所述方法已获得多台次机组动平衡试验的严重，其研究结果对其他水电机组动平衡具有较强的指导意义和参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法的流程图；

图2是本发明动平衡多个代表性测点的设置位置；

图3是本发明10个试配重数据样本的回归趋势图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所提供的一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法，包括以下几个步骤：

步骤1：水电机组振动状态下监测信号的获取；

根据国家标准结合机组结构，采用包含多个代表性测点的水力机械信号采集系统，通过第一次变转速试验获取水电机组振动状态的监测信号。

为了获取动平衡状态信息，多个代表性测点分别位于上导摆度x,y、下导摆度x,y、上机架振动x,y,z和下机架振动x,y，其中，x,y为水平方向，z为垂直方向，如图2所示。

步骤2：第一次试配重质量的确定；

结合每个代表性测点的监测信号测量数据，利用传统的经验试配重公式和线性回归分析法得到修正后的试配重公式，确定第一次试配重质量。

大型水电机组相对于其它旋转机械而言，有其自身特点，具体为：发电机转子为刚性转子，其转速一般在60～375r/min之间，转子长径比一般的转子长径小于1/4。因此，其转子动力学原理相对较为简单。

物体在绕一固定中心轴旋转时，所产生的离心力F的可表示为：

其中M为物体的质量，

为旋转半径矢量，ω为角速度。

一个质量均匀分布的转子其重心正好在旋转的中心，在旋转时各部分产生的离心力大小一样，其合力为零。若由于转子质量产生偏心，造成转子质量不平衡，即转子中心O'和旋转轴的中心O之间存在偏心距

时，各部分离心力就不相等，其合力也不为零。设不平衡质量为m，则质量不平衡造成的离心力为：

对传统的经验试配重公式的修正：传统的经验试配重公式表示为

m₀＝(5～25)G/n²r (3)

其中，m₀为试配重质量(kg)；G为转子重量(kg)，一般以电机转子装配重量计算；n(r/min)为动平衡试验时机组额定转速；r为试配重半径(m)。

公式(3)中系数的选择以往都是根据机组转速高低及振动值大小情况结合经验而定。由于系数范围较宽，且公式(3)中没有定量考虑特征振动值大小对试配重的影响，传统经验试配重公式应用不方便，且不精确；本实施例通过10个大型水电机组成功试配重数据样本，采用线性回归分析法对传统试配重公式(3)进行修正，设定修正后的试配重公式为下列式(4)，即第一次试配重质量的计算公式：

m₀＝b(s/s₀)G/n²r+a (4)

其中，a、b均表示回归系数；s和s₀分别表示特征振动值和国家标准值。令

可以得到回归方程的表达式：

表1大型电站试配重样本数据

利用线性回归分析法可求得回归系数，如图3所示：

其中，x_i、y_i均表示样本点，

分别表示样本点x_i和y_i对应的平均值，k＝10表示样本点的个数。根据表1和公式(6)，(7)可求得回归系数b＝3.466，a＝52.18，即回归方程为：

用判定系数R²对样本回归的相关性进行检验：

R²越接近于1，说明回归方程描述实际数据的近似程度越好，亦即回归方程可信越高。经计算判定系数R²对样本回归的相关性为0.987，相关性较好。

由此可得修正后的试配重公式：

m₀＝3.466(s/s₀)G/n²r+52.18

步骤3：离心力方程的建立和总不平衡质量的计算；

根据所述步骤2的第一次试配重质量，加装第一次试配重块后，进行第二次变转速试验，并将第二次变转速试验结果与第一变转速试验结果进行对比，找出不同转速下振动相同的平衡点，建立离心力方程，求取总不平衡质量。

假设总的引起转子不平衡质量为m，第一次试配重质量为m₀，配重半径为r，第一次试配重后某转速下不平衡力为

角速度大小为ω，由式(2)可得

通过试配重前变转速数据分析找到与试配重后不平衡力

相同的角速度为ω'的平衡点(寻找试配重前后离心力相同的平衡点)，同理，由式(2)可得：

由于离心力相等，可得离心力方程：

(m-m₀)rw²＝mrw′² (12)

由式(12)可计算总不平衡质量：

m＝m₀w²/(w²-w′²) (13)

步骤4：第二次试配重质量的确定；

根据第一次试配重质量和总不平衡质量计算第二次试配重质量，第二次试配重质量为m-m₀，加装第二次配重块，完成动平衡试验及配重工作。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于离心力方程的大型水电机组动平衡试验方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：水电机组振动状态下监测信号的获取；

根据国家标准结合水电机组结构，采用包含多个代表性测点的水力机械信号采集系统，通过第一次变转速试验获取水电机组振动状态的监测信号；

步骤2：第一次试配重质量的确定；

结合每个代表性测点的监测信号测量数据，利用传统的经验试配重公式和线性回归分析法得到修正后的试配重公式，确定第一次试配重质量；

步骤3：离心力方程的建立和总不平衡质量的计算；

根据所述步骤2的第一次试配重质量，加装第一次试配重块后，进行第二次变转速试验，并将第二次变转速试验结果与第一变转速试验结果进行对比，找出不同转速下振动相同的平衡点，建立离心力方程，求取总不平衡质量；

步骤4：第二次试配重质量的确定；

根据第一次试配重质量和总不平衡质量计算第二次试配重质量，加装第二次配重块，转动机组，检验动平衡处理效果。

2.如权利要求1所述的大型水电机组动平衡试验方法，其特征在于，所述步骤1中，多个代表性测点分别位于上导摆度、下导摆度、上机架振动和下机架振动。

3.如权利要求1所述的大型水电机组动平衡试验方法，其特征在于，所述步骤2中，确定第一次试配重质量的具体操作为：利用线性回归分析法对传统的经验试配重公式进行修正，得到精确的回归系数，再采用判定系数对样本回归的相关性进行检验；根据空转测试分析结果，确定特征振动值和国家标准值的比值，从而确定第一次试配重质量。

4.如权利要求3所述的大型水电机组动平衡试验方法，其特征在于，所述回归系数的计算公式为：

其中，a、b均表示回归系数，x_i、y_i均表示样本点，

分别表示样本点x_i和y_i对应的平均值，k表示样本点的个数。

5.如权利要求3或4所述的大型水电机组动平衡试验方法，其特征在于，所述判定系数的计算公式为：

其中，R²表示判定系数，x_i，y_i均表示样本点，

分别表示样本点x_i和y_i对应的平均值，k表示样本点的个数；R²越接近于1，表示回归方程描述实际数据的近似程度越好，样本回归的相关性越好。

6.如权利要求1或3所述的大型水电机组动平衡试验方法，其特征在于，所述第一次试配重质量的计算公式为：

m₀＝b(s/s₀)G/n²r+a

其中，m₀表示第一次试配重质量；a、b均表示回归系数；s和s₀分别表示特征振动值和国家标准值；G表示转子重量，单位为kg；n表示动平衡试验时水电机组额定转速，单位为r/min；r表示第一次试配重半径，单位为m。

7.如权利要求1所述的大型水电机组动平衡试验方法，其特征在于，所述步骤3中，离心力方程和总不平衡质量的计算公式分别为：

离心力方程：(m-m₀)rw²＝mrw′²

总不平衡质量：m＝m₀w²/(w²-w′²)

其中，m表示总的引起转子不平衡质量，m₀表示第一次试配重质量，r表示第一次试配重半径，w表示第一次试配重后角速度大小，w’表示与第一次试配重后不平衡力相同的平衡点的角速度大小。

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