大型電動機轉(zhuǎn)子串軸故障分析與處理實例

丁 平，王 江，潘 毅

(國電諫壁發(fā)電廠，江蘇鎮(zhèn)江212006)

國電諫壁發(fā)電廠1 000 MW（14號機組）吸風機A、B單電機試轉(zhuǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)電機啟動瞬間轉(zhuǎn)子向后串動，已不能正常試轉(zhuǎn)。針對故障現(xiàn)象，與制造廠家一起進行分析，終于得出了造成轉(zhuǎn)子后移原因的實質(zhì)，并運用了切實可行辦法予以解決。

設備名稱：國電諫壁發(fā)電廠1 000 MW（14號機組）吸風機 A、B電機；型號為 YKK1000-8；功率為7 800 kW；電壓等級為6 kV，額定電流為859 A；轉(zhuǎn)速為746 r/min；功率因數(shù)為0.899；絕緣等級為F級；防護等級IP54；上海電氣集團上海電機有限公司制造。

1 假設與分析

（1）假設對于單電機試轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子后移的現(xiàn)象是因電機空載情況下定轉(zhuǎn)子間的軸向磁力小于風扇旋轉(zhuǎn)過程中形成的軸向推力引起。國電諫壁發(fā)電廠1 000 MW（14號機組）吸風機A、B電機，在現(xiàn)場單電機試轉(zhuǎn)前的工況：電機轉(zhuǎn)子與風機轉(zhuǎn)子靠背輪沒有對接，電機轉(zhuǎn)子兩側(cè)采用滑動軸承，轉(zhuǎn)子末端配有同軸離心式冷卻風扇，電機本體頂部配有空冷器。當電機在旋轉(zhuǎn)過程中，同軸離心式冷卻風扇在電機尾部進風，并通過螺旋式風道向上進了電機頂部空冷器至電機前端出風。因此，電機轉(zhuǎn)子由于風扇進風的反作用，始終有一個將轉(zhuǎn)子軸向后移的引力。同時單電機試轉(zhuǎn)屬于空載狀態(tài)下，電機按照出廠裝配尺寸安裝完成，單電機試轉(zhuǎn)時，這樣就形成了電機空載下的定轉(zhuǎn)子間的旋轉(zhuǎn)磁力和風扇軸向所形成的推力。

由于電機空載狀態(tài)下電流約為178 A，出廠堵轉(zhuǎn)試驗達859 A。空載電流比額定電流相比要小許多，根據(jù)磁力矩公式M=CMΦ I cos θ，電動機電磁力矩是由氣隙主磁通與轉(zhuǎn)子電流的有功分量相互作用而產(chǎn)生[1]。因此，在電機空載狀態(tài)下定轉(zhuǎn)子間的旋轉(zhuǎn)磁力較小，而電機的轉(zhuǎn)速不變，其風扇軸向所形成的作用力卻不變，就可能會出現(xiàn)電機定轉(zhuǎn)子間的旋轉(zhuǎn)磁力小于風扇軸向所形成的作用力。而在重負載的工況下，電機定轉(zhuǎn)子磁力矩將增大，穩(wěn)住電機定轉(zhuǎn)子的磁場中心是沒有問題的。其風扇作用力對其轉(zhuǎn)子軸向影響小。因此，電機處于空載狀態(tài)其磁力未能克服風扇引力的影響，從而使電機轉(zhuǎn)子發(fā)生后移的假設好象是能夠成立的?？梢詫㈦姍C風葉拆除，將電機啟動短暫運行實踐一下，這樣可以從根本上排除了風扇推力的作用。于是安排將電機轉(zhuǎn)子根據(jù)出廠銘牌標注的轉(zhuǎn)子軸伸Lz=100.5 mm調(diào)整好后。啟動電機試轉(zhuǎn)，啟動后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)瞬間后移至Lz=83 mm，且能穩(wěn)住運行但軸徑外側(cè)有碰磨聲。如圖1所示。

圖1 啟動后實測轉(zhuǎn)子軸伸

停運后檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸徑與瓦座外側(cè)有明顯磨痕，且定轉(zhuǎn)子鐵心錯位約有15 mm。通過實踐否定了電機試轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子后移是由于風扇引力引起的假設。如圖2所示。

圖2 啟動后轉(zhuǎn)子后軸前移磨痕

（2）假設對于單電機試轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子后移的現(xiàn)象是電機轉(zhuǎn)軸水平度存在偏差，轉(zhuǎn)子因自重力引起后移。電機轉(zhuǎn)子本體凈重約為23 t，因使用滑動軸承，電機在靜態(tài)工況下，施加人力轉(zhuǎn)子即可軸向進行滑動，當電機轉(zhuǎn)子兩側(cè)滑動軸承在油泵開啟的工況下，轉(zhuǎn)子滑軸與滑瓦由潤滑油頂起，其間形成一層約4～5絲左右厚的油膜，那么如果電機轉(zhuǎn)軸水平度不好，就有可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子在自重力的作用下勢必將向略低端偏移。因此，正鑒于此電機處于空載狀態(tài)其磁力未能克服轉(zhuǎn)子重力引起后移的假設好象是能夠成立的。則安排對電機轉(zhuǎn)軸水平度進行了復測，其復測發(fā)現(xiàn)電機前軸端比后軸端高出12絲（水平儀），折算為12÷3=4絲/m，略高于2絲/m的安裝驗收標準。

考慮到此電機容量大、轉(zhuǎn)子自重大，也確實在諫壁發(fā)電廠屬首次安裝尚未有安裝經(jīng)驗，即使符合安裝驗收標準，也不能完全排除轉(zhuǎn)子自重大而因重力發(fā)生偏移的假設，況且復測也確實是電機前端略高于后端。于是將電機前端與后端重新調(diào)整水平，為了做一次驗證，要求在水平基礎上特意再將電機本體后端墊高15絲/m，折算為15÷3=5絲/m，同時仍將電機轉(zhuǎn)子軸伸磁中心根據(jù)出廠銘牌Lz=100.5 mm調(diào)整好，不帶風扇。重新啟動電機試轉(zhuǎn)，啟動后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)瞬間仍然后移至Lz=83 mm，且能穩(wěn)住運行但后軸徑外側(cè)有碰磨聲，制造廠家人員用木棒在電機后端頂推轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸不能推動。而電機停運后卻能夠很輕松地將轉(zhuǎn)子推動并前移。通過實踐再次否定了電機試轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子因自重力引起后移的假設。

（3）假設對于單電機試轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子后移的現(xiàn)象是因轉(zhuǎn)子軸伸Lz=100.5 mm是電機在制造廠組裝過程中而確定的尺寸，不是通過啟動試轉(zhuǎn)后而最終確定的尺寸。其實這個假設剛開始時就曾經(jīng)提過，但因制造廠家提供的出廠試驗報告中都有空載電流和堵轉(zhuǎn)電流實測數(shù)據(jù)，也就是肯定在出廠前試轉(zhuǎn)過后標注的磁中心尺寸。在制造廠家指導下對電機定轉(zhuǎn)子氣隙復測，2臺電機定轉(zhuǎn)子氣隙均勻。同時對轉(zhuǎn)子兩側(cè)滑動軸承開瓦檢查，對部位安裝尺寸進行數(shù)據(jù)的復核，各數(shù)據(jù)如下：

① 吸風機電機A轉(zhuǎn)子根據(jù)出廠銘牌標注的轉(zhuǎn)子軸伸Lz=100.5 mm調(diào)整好后，定轉(zhuǎn)子鐵心處于理想對齊狀態(tài)；并在此工況下測量軸與軸瓦的游隙尺寸。

聯(lián)軸器端軸瓦游動間隙為外側(cè)18 mm；內(nèi)側(cè)8 mm。后端軸瓦游動間隙為外側(cè)11 mm；內(nèi)側(cè)19 mm。完全符合電機安裝要求，如圖3、圖4所示（單邊游動間隙不小于5 mm的要求）。而當單電機試轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子卻自動滑移到Lz=83 mm的磁中心位置，形成定轉(zhuǎn)子鐵心端部約有20 mm的錯位。聯(lián)軸器端軸瓦游動間隙變?yōu)橥鈧?cè)0.5 mm；內(nèi)側(cè)25.5 mm。后端軸瓦游動間隙變?yōu)橥鈧?cè)28.5 mm；內(nèi)側(cè)1.5 mm。反而不符合電機安裝要求，也就證實了電機試轉(zhuǎn)時發(fā)生軸頸與瓦座外側(cè)碰磨是不可避免的。

圖3 軸瓦油封位置

圖4 后軸瓦游動氣隙

② 吸風機電機（B）轉(zhuǎn)子根據(jù)出廠銘牌標注：轉(zhuǎn)子軸伸Lz=97 mm調(diào)整好后，定轉(zhuǎn)子鐵心處于完全對齊狀態(tài)；并在此工況下測量了軸與軸瓦的游隙尺寸：

聯(lián)軸器端軸瓦游動間隙為：外側(cè)16 mm；內(nèi)側(cè)10 mm。后端軸瓦游動間隙為外側(cè)13 mm；內(nèi)側(cè)17 mm。完全符合電機安裝要求 （單邊游動間隙不小于5 mm的要求）。

當單電機試轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子卻自動滑移到Lz=84 mm的磁中心位置，形成定轉(zhuǎn)子鐵心端部約有15 mm的錯位。聯(lián)軸器端軸瓦游動間隙變?yōu)橥鈧?cè)3 mm；內(nèi)側(cè)23 mm。后端軸瓦游動間隙變?yōu)橥鈧?cè)6 mm；內(nèi)側(cè)4 mm。反而不符合電機安裝要求。

通過對轉(zhuǎn)子兩側(cè)滑動軸承開瓦后對各安裝尺寸進行數(shù)據(jù)的復核，初步可以確定電機銘牌上標注尺寸的轉(zhuǎn)子軸伸Lz，是電機在制造廠組裝過程中確定的，不是通過電機試轉(zhuǎn)后，最終依椐試轉(zhuǎn)結(jié)果確定尺寸的假設。如圖5、圖6所示。

2 處理過程

圖5 定轉(zhuǎn)子氣隙

圖6 定轉(zhuǎn)子徑向磁中心位置

（1）理論上來說電機定轉(zhuǎn)子鐵心對齊了磁中心位置就確定了，但是由于電機在制造過程中鐵心硅鋼片壓裝有差異；鐵心相對位置的金加工尺寸有差異；因此，在安裝過程中雖將定轉(zhuǎn)子鐵心調(diào)整到理想的對齊狀態(tài)，但由于上述制造工藝因素的存在，所以在確定電機銘牌標注的轉(zhuǎn)子軸伸Lz時。出廠要求需要在電機試轉(zhuǎn)平臺上，使電機在絕對水平的工況下進行試轉(zhuǎn)，并待停轉(zhuǎn)后復測轉(zhuǎn)子軸伸Lz數(shù)值，最終確定電機銘牌上軸伸Lz的標注尺寸。

（2）通過和制造廠家不斷分析與實踐，出廠前的試轉(zhuǎn)與現(xiàn)場試轉(zhuǎn)存在的差異，最終確定第三個假設是正確的。首先，在制造廠內(nèi)試車由于電機功率大，廠內(nèi)電源容量不能做到完全工頻試轉(zhuǎn)，而是采用變頻啟動方式，電壓從0 V慢慢加至電機額定電壓6 kV。在這個過程中磁場由弱到強，磁場拉力由小到大，由于轉(zhuǎn)子重，啟動時間相對較長，加至變頻器容量所限（據(jù)在制造廠試轉(zhuǎn)見證，當時確實存在變頻器功率模塊過流損壞的現(xiàn)象），同時也不能排除人為的因素。當電機尚未到額定電壓和額定轉(zhuǎn)速，電機定轉(zhuǎn)子也尚未到磁中心位置就匆匆停轉(zhuǎn)的可能。而在諫壁發(fā)電廠現(xiàn)場采用的是工頻方式直接啟動，瞬間過程中磁場達到了額定強度，可以在旋轉(zhuǎn)瞬間將電機轉(zhuǎn)子拉到實際的磁中心位置。因此，可以確定電機銘牌標注的轉(zhuǎn)子軸伸Lz不是試轉(zhuǎn)后的實際磁中心位置，而是在電機組裝過程中定轉(zhuǎn)子鐵心人為調(diào)整的理想對齊狀態(tài)。

3 結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)場工頻試轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，最終由制造廠家確定吸風機電機A工號1110433的磁中心尺寸Lz調(diào)整至88 mm，吸風機電機B工號1110434的磁中心尺寸Lz調(diào)整至92 mm。重新更換2塊電機銘牌，同時將2臺電機前端蓋返廠，并將其內(nèi)側(cè)平面分別車去6 mm。到廠后進行復裝并分別在2臺電機后端蓋加墊6 mm墊片，使2臺電機轉(zhuǎn)子向非負荷側(cè)軸向移動了6 mm。重新試轉(zhuǎn)后一次成功，目前運行情況良好。

[1]陳道舜.電機學[M].北京：水利電力出版社，2006.