超大型水輪發(fā)電機定子振動超標(biāo)處理技術(shù)探討

楊飛， 徐晶珺

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611700； 2. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

糯扎渡水電站是繼小灣電站之后單機容量為650 MW的大型水輪發(fā)電機組.7號機組自投運以來，定子機座的水平振動偏大，已成為電站安全運行的隱患.但此類情況尚屬首次，可借鑒的大型電動機定子振動處理技術(shù)或經(jīng)驗有限，為此決定根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗進行分析，探討提出一些改進意見.

水輪發(fā)電機的振動主要是低頻振動，通過試驗發(fā)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子動態(tài)氣隙不均是影響這種低頻振動的主要因素[1].國外學(xué)者從氣隙過小導(dǎo)致不平衡磁拉力變大、機組振動變大的角度進行了相關(guān)研究[2].WEI等[3]、王治國[4]對水利機組定轉(zhuǎn)子相互作用的振動頻率進行了研究，得出了產(chǎn)生低頻振動的主要原因.趙曉嘉等[5]分析了小灣水電廠引起定子振動的原因是發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓度，以及偏心較大造成氣隙不均，并制定了后續(xù)處理方案.王鵬宇等[6]以龍灘機組為重點，對超標(biāo)原因進行簡要的分析，探討有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建議對機組采用更高的過程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn).楊光勇等[7]對小灣水電站1號發(fā)電機采用加階梯墊的方式進行調(diào)整.ALESSANDROD等[8]、LI等[9]對水電站定子振動進行了試驗研究，并與WANG等[10]進行了比較.姬升陽等[11]介紹了在現(xiàn)場利用轉(zhuǎn)子磁極加墊進行轉(zhuǎn)子圓度處理的工藝，使得機組振動明顯減弱.上述文獻分析了振動原因，提出了一些解決方案，實際處理只集中在轉(zhuǎn)子圓度的改善上，未對轉(zhuǎn)子剛度進行研究.

文中根據(jù)糯扎渡7號機組定子振動數(shù)據(jù)，大修期間對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛度、靜態(tài)圓度及轉(zhuǎn)子在機坑內(nèi)動態(tài)空氣間隙值等進行分析，并分別在機坑外對轉(zhuǎn)子剛度、圓度進行靜態(tài)調(diào)整，機坑內(nèi)對個別磁極進行動態(tài)后的圓度調(diào)整，減小定轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻值，以減弱定子低頻振動.

1 糯扎渡水電站7號定子振動情況

糯扎渡水電站發(fā)電機型號為SF650-48/14580Z，額定功率為650 MW，額定轉(zhuǎn)速為125 r/min.發(fā)電機定子機座為薄環(huán)板、斜立筋結(jié)構(gòu)，如圖1所示.檢修前，7號機組定子振動數(shù)據(jù)見表1，表中x為實測振動值.

圖1 定子主立筋結(jié)構(gòu)示意圖(轉(zhuǎn)子俯視順時針旋轉(zhuǎn))

表1 7號機定子空載、負載振動數(shù)據(jù)

根據(jù)《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》GB/T8564—2003中第15.3.1條規(guī)定：定子機座水平振動不允許超過0.03 mm(額定轉(zhuǎn)速為100～250 r/min)，定子鐵心水平振動均要求100 Hz振動，不允許超過0.03 mm， 7號機組的定子水平振動明顯超標(biāo).

2 振動原因分析

引起機組振動原因多種多樣，不同特性不同強度的振動對不同類型設(shè)備產(chǎn)生的損害各異.對于定子機座振動，主要原因有以下幾個方面：① 定子剛度不足，受外力作用形變較大；② 轉(zhuǎn)子不圓度切割磁場的電磁力直接作用在定子和鐵心上，傳遞到定子機座產(chǎn)生自激振動；③ 水輪機尾水壓力脈動通過軸系和連接構(gòu)件傳遞的振動；④ 其他機械摩擦等產(chǎn)生振動.運行單位、廠家等通過對不同工況下定子振動數(shù)據(jù)進行認真分析和探討，一致認為因尾水壓力脈動傳遞的振動、定子剛度不足導(dǎo)致的振動可能性較小，重點從轉(zhuǎn)子剛度和圓度方面研究、處理.

3 轉(zhuǎn)子剛度處理

3.1 轉(zhuǎn)子支架剛度處理

3.1.1 轉(zhuǎn)子支架剛度校核

機組運行時通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)觀察，發(fā)現(xiàn)在同一負荷下，同一個磁極在同一個位置與定子的氣隙值無規(guī)律，分析認為在轉(zhuǎn)子支架與轉(zhuǎn)子磁軛的交變應(yīng)力的作用下可能存在瞬時浮動.廠家對轉(zhuǎn)子支架應(yīng)力翹曲穩(wěn)定性進行復(fù)核，即在計算磁軛熱加墊片初始厚度(過盈量為3.8 mm)的基礎(chǔ)上增加不同厚度墊片，檢查對應(yīng)的轉(zhuǎn)子支架翹曲安全系數(shù).分別增加0.1，0.2，0.3，0.7,1.0 mm厚度的墊片進行計算，結(jié)果見表2.表中d為墊片厚度，α為翹曲安全系數(shù)，α許為許用翹曲安全系數(shù).

表2 轉(zhuǎn)子支架增加打鍵墊片翹曲數(shù)據(jù)

根據(jù)翹曲計算結(jié)果，磁軛熱加墊厚度增加1.0 mm不會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子支架發(fā)生翹曲失穩(wěn)，如圖2,3所示.但從綜合應(yīng)力計算結(jié)果(見圖4，5)可以看出，增加墊片厚度超過0.2 mm，轉(zhuǎn)子支架環(huán)筋的最大綜合應(yīng)力將超過材料許用應(yīng)力.

通過計算表明，轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的最大綜合應(yīng)力已經(jīng)接近許用應(yīng)力(尤其是環(huán)形筋板)，若增加墊片厚度超過0.2 mm將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子支架上環(huán)板及筋板應(yīng)力超過許用應(yīng)力，不能滿足強度要求.

圖3 增加1.0 mm墊片厚度時von Mises應(yīng)力分布

圖4 增加0.2 mm厚度時翹曲安全系數(shù)

圖5 增加0.2 mm墊片厚度時von Mises應(yīng)力分布

因此，在滿足翹曲和應(yīng)力許用條件時可增加墊片的最大厚度為0.2 mm，以此作為大修時熱打鍵墊片厚度調(diào)整依據(jù).

3.1.2 轉(zhuǎn)子支架剛度處理

1) 按照已定方案對磁軛進行整體加溫，加溫時間約8.5 h，溫升約66 K后，將原磁軛墊片全部撥出.

2) 自然冷卻后，測量原磁軛墊片厚度為6.81～8.77 mm，測量磁軛與大立筋間隙值為5.18～7.72 mm,計算得其過盈量為0.35～2.30 mm，平均值為1.49 mm.

3) 按照廠家要求將磁軛過盈量由3.8 mm調(diào)整為4 mm，且考慮到增加過盈量后磁軛不易加溫膨脹至設(shè)計要求，因此加墊量不考慮磁軛圓度的調(diào)整.則加墊量計算公式為

t=L+δ+0.5,

(1)

式中：t為加墊量；L為磁軛與大立筋間隙；δ為過盈量，δ=4.0 mm.

4) 準(zhǔn)備墊片，實際磁軛墊片厚度為9.2～11.8 mm，計算的實際過盈量為3.8～4.2 mm，過盈量平均值為4.0 mm，比修前增加2.5 mm.

5) 按擬定方案對磁軛進行第2次加溫，當(dāng)磁軛脹量滿足要求后放入墊片.

6) 磁軛加墊結(jié)束后，緩慢保溫至室溫.

7) 將磁軛表面平整度修磨合格后測量圓度，轉(zhuǎn)子磁軛圓度為0.92 mm，轉(zhuǎn)子磁軛圓度偏差為1.23 mm,轉(zhuǎn)子磁軛偏心值為0.51 mm，轉(zhuǎn)子磁軛偏心角為178.02°(偏心位置在13號磁極).修前轉(zhuǎn)子磁軛圓度為0.64 mm，轉(zhuǎn)子磁軛圓度偏差為0.44 mm,轉(zhuǎn)子磁軛偏心值為0.17 mm，轉(zhuǎn)子磁軛偏心角為150.08°.

3.2 磁極與磁軛緊度

7號機磁極鍵結(jié)構(gòu)為鏈條鍵形式，如圖6所示，機組運行一段時間后抽查磁極鍵，發(fā)現(xiàn)與轉(zhuǎn)子磁軛接觸面多為點接觸，有效接觸面積僅為30%～45%，遠低于技術(shù)要求.為保證磁極鍵的接觸面，將磁極鍵由鏈條鍵形式改為整體鍵形式，如圖7所示.在大修期間將原磁極鍵全部更換，同時機組過速后，對所有磁極鍵再次進行打緊，打入深度為0～3.5 mm，平均打緊量為1.64 mm.

圖6 鏈條鍵

圖7 整體鍵

4 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整

大修前，機組運行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子圓度偏差為1.33 mm，轉(zhuǎn)子偏心值為0.16 mm，轉(zhuǎn)子偏心角為235.69°.另外采用增加磁軛過盈量的處理方式只能增強轉(zhuǎn)子剛度，磁軛圓度則無法控制，為此只有通過在磁極背部加墊來調(diào)整，主要采用了以下2種方式.

4.1 轉(zhuǎn)子圓度靜態(tài)調(diào)整

1) 測量磁軛半徑，計算出每個磁極所需的加墊量，準(zhǔn)備好墊片.

2) 先對稱預(yù)裝4個磁極，打緊磁極鍵后測量磁極半徑，根據(jù)測量數(shù)據(jù)與加墊量的對比，計算出磁極墊片所需調(diào)整的平均厚度.

3) 根據(jù)磁極所需調(diào)整的平均厚度，調(diào)整其他磁極墊片，掛裝磁極并打緊磁極鍵.

4) 調(diào)整過程中，嚴格控制對稱方向的磁極半徑偏差≤±0.30 mm，最大半徑與最小半徑偏差≤±0.15 mm.

5) 調(diào)整后實測轉(zhuǎn)子圓度偏差為0.31 mm，轉(zhuǎn)子偏心值為0.02 mm，轉(zhuǎn)子偏心角為327.11°.轉(zhuǎn)子圓度修前、修后對比見表3，表中R為磁極絕對半徑范圍，Rj為磁極絕對半徑平均值，Rmax為轉(zhuǎn)子圓度(磁極半徑與平均半徑的最大差值),Ra為單個磁極上中下半徑平均值范圍,Rb為轉(zhuǎn)子圓度偏差(單個磁極上中下半徑平均值的最大值與最小值的差值),R1為轉(zhuǎn)子偏心值,e為轉(zhuǎn)子偏心角.由表看出，修后轉(zhuǎn)子圓度數(shù)據(jù)比修前大幅度減小，靜態(tài)圓度基本達到方案要求.

表3 轉(zhuǎn)子圓度修前修后對比表

4.2 轉(zhuǎn)子圓度動態(tài)調(diào)整

大修后，7號機進行啟動試驗，升壓試驗至空載后，定子水平振動為115 μm.與修前241 μm相比下降明顯，轉(zhuǎn)子圓度的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖8，圖中R上、R下分別為轉(zhuǎn)子上部、下部圓度，其中圓度最大值為30.68 mm，最小值為29.76 mm.為進一步改善定子水平振動，機坑內(nèi)再次對轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整.

圖8 磁極調(diào)整前空載狀態(tài)下空氣間隙柱狀圖

磁極加減墊片厚度計算公式為

t=δ實測-δ平均,

(2)

式中:t為加減墊片量(負值表示減小墊片量,正值表示增加墊片量)；δ實測為機坑內(nèi)動態(tài)實測的各空氣間隙值；δ平均為各實測空氣間隙值的平均值.

結(jié)合圖8與上述計算公式，在機坑內(nèi)先后對9個磁極墊片厚度進行了調(diào)整.并測量每個磁極調(diào)整前、后同一位置空氣間隙值，偏差不超過±0.06 mm，偏差過大則重新調(diào)整.計劃調(diào)整量與實際調(diào)整量統(tǒng)計結(jié)果見表4.

表4 發(fā)電機空氣間隙調(diào)整量與實際測量表

5 效果分析

5.1 轉(zhuǎn)子圓度處理后效果

大修后機組進行了手動開機、過速試驗、動平衡試驗和升壓試驗，轉(zhuǎn)子圓度動態(tài)數(shù)據(jù)對比見表5，表中RO上，RO下分別表示轉(zhuǎn)子上部、轉(zhuǎn)子下部圓度誤差占比，x為定子水平振動,D上,D下分別為轉(zhuǎn)子上部、下部的偏心距.變化趨勢見圖9,10.

表5 機組修后動態(tài)圓度數(shù)據(jù)表

圖9 修前開機轉(zhuǎn)子圓度和偏心距變化趨勢圖

從圖9 可以看出，轉(zhuǎn)子圓度、轉(zhuǎn)子偏心距隨轉(zhuǎn)速上升變化明顯，修前開機曲線在107 r/min(86%Ne，其中Ne為機組轉(zhuǎn)速的最大值)轉(zhuǎn)速位置出現(xiàn)折彎點.從表5可以看出，修后空載轉(zhuǎn)子上部圓度為3.02%，下部為5.11%，定子水平振動為11 μm.修后開機過程中轉(zhuǎn)子圓度及空氣間隙變化均勻.通過圖10可以看出，修后機組在額定轉(zhuǎn)速下未發(fā)生轉(zhuǎn)子支架與磁軛分離的現(xiàn)象.

圖10 修后開機轉(zhuǎn)子圓度和偏心距變化趨勢圖

綜上分析，修后機組磁軛與轉(zhuǎn)子支架緊量增大，機組在運行過程中，磁軛狀態(tài)更加穩(wěn)定.

5.2 定子水平振動情況

修前、修后機組空載、帶負荷時的定子機架水平振動數(shù)據(jù)對比見表6,表中P為出力；x1為上機架振動位移；x2為下機架振動位移；x3為定子機架振動位移；x4為頂蓋振動位移.從表中可以看出，轉(zhuǎn)子圓度靜態(tài)調(diào)整和機坑內(nèi)圓度2種方式相結(jié)合，最終使機組運行中定轉(zhuǎn)子空氣間隙均勻，有效減小了電磁力對定子交變應(yīng)力帶來的影響，確保機組在空載、變負荷穩(wěn)定性試驗中，定子水平振動位移穩(wěn)定在91 μm左右，滿足設(shè)計要求.

表6 機組帶負荷時修前修后定子機架水平振動情況對比表

6 結(jié) 語

1) 糯扎渡電站7號機大檢修為降低發(fā)電機定子低頻振動，確保機組在額定轉(zhuǎn)速下磁軛與轉(zhuǎn)子支臂不發(fā)生分離現(xiàn)象，通過多方面分析機組振動原因，采取了增加磁軛與轉(zhuǎn)子支架之間的過盈量、機坑外對轉(zhuǎn)子圓度進行靜態(tài)調(diào)整、機坑內(nèi)動態(tài)調(diào)整等技術(shù)對機組進行檢修.

2) 大修后轉(zhuǎn)子圓度偏差由1.33 mm減小到0.31 mm，轉(zhuǎn)子偏心值由0.16 mm減小到0.02 mm，磁軛墊片厚度比原墊片增加1.63～3.27 mm，修后空載狀態(tài)下定子機架水平振動位移在+X方向由241 μm減小到80 μm；定子機架水平振動位移在-Y方向由318 μm減小到87 μm；機組帶650 MW負荷下定子機架水平振動位移在+X方向由162 μm減小到86 μm；定子機架水平振動位移在-Y方向由210 μm減小到90 μm，定子機架水平振動下降較為明顯，研究成果為大型水輪發(fā)電機組定子低頻振動等相關(guān)問題提供了參考.